華南理工大學團隊：高良率Micro LED顯示屏制造中的挑戰

　　Micro LED是一種新型顯示技術，在亮度、分辨率、對比度、能耗和響應速度等方面相比于現有的主流顯示技術具有巨大的優勢，被認為是下一代顯示技術。然而，在Micro LED顯示屏的(de)制造(zao)過程中，如何(he)生產出高質量、無(wu)缺(que)陷的(de)Micro LED芯(xin)片，并在整個長制造(zao)鏈中實現(xian)無(wu)損加工(gong)，保(bao)證Micro LED芯(xin)片的(de)良率是一個很大的(de)難題，這極(ji)大地(di)限制了Micro LED顯(xian)示屏的(de)商業化。

　　近日，華南理工大學李宗濤和李家聲領導的研究團隊在國際期刊《Journal of Physics D: Applied Physics 》2024年第4期發表了題為“Challenges of high-yield manufacture in micro-light-emitting diodes displays: chip fabrication, mass transfer, and detection ”的綜述文章(//doi.org/10.1088/1361-6463/ad6ce3)，系統得總結了近些年來制(zhi)造(zao)高良率Micro LED顯示(shi)屏中的前沿技術與(yu)挑(tiao)戰(zhan)。

　　內容簡介

　　Micro LED芯(xin)(xin)(xin)片(pian)往往以陣列的(de)形(xing)式制造，首先選(xuan)擇合適的(de)材料作為襯底，在(zai)襯底上外延(yan)生長出(chu)芯(xin)(xin)(xin)片(pian)的(de)各層(ceng)結(jie)構，再利用刻蝕工藝將外延(yan)晶片(pian)上的(de)LED結(jie)構切割成Micro LED芯(xin)(xin)(xin)片(pian)陣列。為了滿足Micro LED顯示(shi)器的(de)高良率要(yao)求，制造出(chu)來的(de)Micro LED芯(xin)(xin)(xin)片(pian)往往需(xu)要(yao)很高的(de)品質，甚至需(xu)要(yao)實現接近零(ling)的(de)缺陷(xian)水平。

　　在芯片(pian)(pian)制造(zao)這(zhe)一環(huan)節，獲(huo)得完(wan)(wan)美(mei)良率的(de)技(ji)術挑戰包括提升外延(yan)(yan)晶圓(yuan)品質、減少外延(yan)(yan)晶圓(yuan)缺(que)陷、避免刻蝕(shi)引起(qi)的(de)側(ce)壁缺(que)陷等。這(zhe)些影響芯片(pian)(pian)良率，造(zao)成(cheng)芯片(pian)(pian)缺(que)陷的(de)因素都來自于外延(yan)(yan)生長、刻蝕(shi)等工藝，往往通過完(wan)(wan)善(shan)這(zhe)些工藝得以提高(gao)芯片(pian)(pian)的(de)品質。

　　巨(ju)(ju)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)是Micro LED應(ying)用于顯(xian)示的關鍵一步，也是目前Micro LED顯(xian)示器產業(ye)(ye)化(hua)過程中遇到的一個技(ji)術(shu)難題。巨(ju)(ju)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)是指將Micro LED芯(xin)片與源(yuan)基板分離并批量(liang)拾(shi)取，然后單獨(du)或成組(zu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)到顯(xian)示基板對應(ying)的像素電極上。由于工(gong)業(ye)(ye)化(hua)生產要求(qiu)巨(ju)(ju)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)良率不低于99.9999%，芯(xin)片轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)誤差不超(chao)過±1.5μm，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)效率大于50~100M/h，傳統的芯(xin)片轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)、封裝(zhuang)等(deng)技(ji)術(shu)手段(duan)無法達到工(gong)業(ye)(ye)需(xu)求(qiu)，巨(ju)(ju)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)(yi)技(ji)術(shu)已(yi)經成為(wei)制約Micro LED顯(xian)示量(liang)產的技(ji)術(shu)瓶(ping)頸(jing)。

　　為了應對Micro LED顯示器制造中的(de)巨(ju)量(liang)轉移(yi)挑(tiao)戰(zhan)，目前已經發展了精準(zhun)拾(shi)取轉移(yi)技(ji)(ji)術、自對準(zhun)滾輪轉印技(ji)(ji)術、自組裝轉移(yi)技(ji)(ji)術、激光(guang)輔助轉移(yi)技(ji)(ji)術等(deng)多種(zhong)巨(ju)量(liang)轉移(yi)技(ji)(ji)術。巨(ju)量(liang)轉移(yi)的(de)核心過程有兩(liang)個(ge)，一(yi)個(ge)是將(jiang)(jiang)(jiang)芯(xin)片(pian)從襯底(di)(di)上(shang)剝(bo)離(li)，另一(yi)個(ge)是將(jiang)(jiang)(jiang)芯(xin)片(pian)連(lian)接(jie)到顯示基板上(shang)。在將(jiang)(jiang)(jiang)Micro LED芯(xin)片(pian)從襯底(di)(di)上(shang)剝(bo)離(li)下(xia)來的(de)過程中，由(you)于剝(bo)離(li)力的(de)作用，芯(xin)片(pian)表面可(ke)能會出(chu)現裂紋、劃痕等(deng)損傷，從而影響(xiang)芯(xin)片(pian)的(de)品質和壽命。

　　在將Micro LED芯片轉移(yi)到(dao)目標(biao)基板(ban)上的(de)(de)過程中，由于自組裝技(ji)術的(de)(de)限制(zhi)，芯片可能會出現(xian)錯(cuo)位、損傷等缺陷，從而影(ying)響(xiang)最終(zhong)的(de)(de)顯示良率。無(wu)論(lun)運用哪種巨量(liang)轉移(yi)技(ji)術，主(zhu)要目的(de)(de)都是(shi)提高(gao)這(zhe)兩(liang)個過程的(de)(de)效(xiao)率和(he)良率。

　　使用MOCVD技術(shu)在襯底上通過材料沉(chen)積進行Micro LED結構(gou)外延和刻(ke)蝕(shi)處理，而(er)后將Micro LED芯片(pian)巨(ju)量轉移到顯示器(qi)(qi)背(bei)板上并完成(cheng)(cheng)Micro LED與集成(cheng)(cheng)器(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)連接(jie)，這(zhe)是制作Micro LED顯示器(qi)(qi)的(de)(de)核心(xin)步驟。就算在制作過程中每個步驟全都(dou)采用高良率的(de)(de)工藝(yi)，但是由于Micro LED用于顯示時芯片(pian)數目(mu)有數百(bai)萬(wan)甚(shen)至上千萬(wan)顆，缺陷像素的(de)(de)出現是不可避免的(de)(de)。

　　對(dui)(dui)于工業應用，顯(xian)(xian)示器上的(de)任何(he)缺陷(xian)都(dou)(dou)是不可容忍的(de)，所以對(dui)(dui)于最(zui)終的(de)Micro LED顯(xian)(xian)示良(liang)率，除了需(xu)要在(zai)(zai)長制(zhi)造鏈中的(de)每(mei)個步驟都(dou)(dou)選(xuan)擇低缺陷(xian)工藝(yi)外，還(huan)需(xu)要在(zai)(zai)生產過程中及(ji)時檢測出顯(xian)(xian)示芯片(pian)中的(de)壞點(dian)并進行修復(fu)才能保(bao)證。理(li)想的(de)檢測方(fang)法應在(zai)(zai)降低成本、提(ti)高效率的(de)同時避免對(dui)(dui)LED功能造成任何(he)干擾(rao)和損壞。

　　對(dui)于(yu)傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)LED，檢(jian)(jian)測過程是容易的(de)(de)(de)(de)，因為大(da)尺寸LED允(yun)許用(yong)(yong)探針連(lian)接(jie)，甚至可(ke)以用(yong)(yong)肉眼發現(xian)壞像素，并(bing)(bing)用(yong)(yong)機械去(qu)除方(fang)法或芯片鍵合(he)器代替。隨著LED的(de)(de)(de)(de)尺寸下降到微米級，探針尺寸可(ke)能會大(da)大(da)超過被檢(jian)(jian)測的(de)(de)(de)(de)LED，并(bing)(bing)導(dao)致檢(jian)(jian)測困難。同時，LED尺寸的(de)(de)(de)(de)減小要求電路、傳感器等連(lian)接(jie)也應相應地(di)小型化。為此，用(yong)(yong)傳統(tong)方(fang)法檢(jian)(jian)測和修(xiu)復(fu)大(da)量Micro LED芯片是很難實(shi)現(xian)的(de)(de)(de)(de)，人們迫切需要新(xin)的(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測和修(xiu)復(fu)技術。

　　最后，指出(chu)(chu)了(le)制(zhi)(zhi)(zhi)造高(gao)良率(lv)Micro LED顯示屏的技術方(fang)向。提(ti)高(gao)Micro LED芯(xin)(xin)片(pian)制(zhi)(zhi)(zhi)造的制(zhi)(zhi)(zhi)造良率(lv)需要精確(que)控制(zhi)(zhi)(zhi)外(wai)延片(pian)外(wai)延生(sheng)長(chang)過(guo)程中(zhong)的轉速、溫(wen)度(du)和氣體流速等參數。在芯(xin)(xin)片(pian)制(zhi)(zhi)(zhi)造過(guo)程中(zhong)，這種控制(zhi)(zhi)(zhi)仍然是制(zhi)(zhi)(zhi)造滿足生(sheng)產良率(lv)要求的高(gao)質量Micro LED芯(xin)(xin)片(pian)的關(guan)鍵研究重點。在避免側壁(bi)缺(que)陷(xian)方(fang)面(mian)，使用(yong)納米粒子和圖案模板直接(jie)生(sheng)長(chang)微(wei)型led芯(xin)(xin)片(pian)結(jie)構(gou)顯示出(chu)(chu)前景，值得(de)進一步研究。

　　此外，QMAT襯底技術(shu)(shu)與(yu)LLO技術(shu)(shu)相(xiang)結合(he)，在(zai)(zai)(zai)后續階段具有提高(gao)轉移良率(lv)的潛力。在(zai)(zai)(zai)芯片(pian)轉移過程(cheng)中，LLO技術(shu)(shu)是一種(zhong)非(fei)常有前途的高(gao)收率(lv)芯片(pian)剝離(li)(li)方法(fa)。在(zai)(zai)(zai)LLO剝離(li)(li)工藝(yi)中，激光參數與(yu)界面粘附之(zhi)間的調節(jie)機制有待進一步探(tan)索。微(wei)管技術(shu)(shu)非(fei)常適合(he)TFT工藝(yi)，證明適合(he)在(zai)(zai)(zai)TFT背板上(shang)連接剝離(li)(li)的Micro LED芯片(pian)。

　　對于小型(xing)Micro LED顯示產品，可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)采用單片(pian)集成技術替代傳質過(guo)程。在芯片(pian)檢(jian)測(ce)過(guo)程中，一種有效的方案(an)是采用AOI檢(jian)測(ce)技術來(lai)識別具有外觀缺陷和EL照射亮度異常的Micro LED芯片(pian)。該(gai)方案(an)能夠(gou)高效、準確(que)地檢(jian)測(ce)大(da)量Micro LED芯片(pian)。芯片(pian)修復工(gong)作在很(hen)大(da)程度上(shang)依賴(lai)于芯片(pian)轉(zhuan)移技術，這為(wei)更換缺陷芯片(pian)提供了方便的解決(jue)方案(an)。

　　芯片制造、傳質(zhi)和(he)檢(jian)測這三個工藝(yi)步驟是相互(hu)關聯和(he)相互(hu)依賴的，需要它們之間的合作來確保Micro LED顯示屏的良(liang)率。

　　圖1 Micro LED芯(xin)片(pian)制造、芯(xin)片(pian)轉移和芯(xin)片(pian)檢測(ce)環節的基本工藝(yi)，以(yi)及常用(yong)技術(shu)②③④⑤⑥⑦⑧⑨Binhai Yu et al 2024 J. Phys. D: Appl. Phys. 57 463001(引(yin)用(yong)文獻：①Templier F et al 2019 SID Symposium Digest of Technical 50 164–6 ②Park J-B et al 2019 Sci. Rep. 9 11551 ③Chang C-Y et al 2011 J. Intell. Manuf. 22 953–64 ④Cok R S et al 2017 J. Soc. Inf. Disp. 25 589–609 ⑤Zhu G et al 2022 Sci. China Mater. 65 2128–53)

　　圖2 Micro LED芯(xin)片制造中外延生(sheng)長出的高質量(liang)LED結構(gou)(引用文獻：①Boyd A R et al 2019 SID Symposium Digest of Technical Papers 50 342–5 ②Barrigón E et al 2019 Chem. Rev. 119 9170–220)

 　　圖3 Micro LED芯片制造中的刻(ke)蝕(shi)技(ji)術(shu)與納米線生長技(ji)術(shu)(引用文獻：①Yang Y et al 2009 J. V ac. Sci. Technol. B 27 2337–41 ②Ra Y-H et al 2017 Adv. Funct. Mater. 27 1702364 ③Behrman K et al 2022 Nature Electronics 5 564-73 ④Chung K et al 2016 Adv. Mater. 28 7688-94)

　　圖4 Micro LED芯(xin)片制造中的襯底(di)技術(引用文(wen)獻：①Henley F J 2018 SID Symposium Digest of Technical Papers 49 86-9 ②Lee D et al 2019 SID Symposium Digest of Technical Papers 50 236-9)

　　圖5 Micro LED芯(xin)片激光巨(ju)量轉移技術(shu)(引用文獻：①Chen F et al 2022 Int. J. Extrem. Manuf. 4 042005 ②Park J et al 2016 Appl. Surf. Sci. 384 353-9 ③Tavernier P R et al 2001 J. Appl. Phys. 89 1527-36 ④Delmdahl R et al 2012 PSS A 209 2653-8 ⑤Wang M Q et al 2012 Int. J. Solids. Struct. 49 1701-11)

　　圖(tu)6 微管技術與(yu)單片集成(cheng)技術(引用文獻：①Templier F et al 2019 SID Symposium Digest of Technical Papers 50 164-6 ②Liu Y et al 2018 SID Symposium Digest of Technical Papers 49 660-4)

　　圖7 Micro LED芯片檢測技術(引用(yong)文(wen)獻：①Park J-B et al 2019 Scientific Reports 9 11551 ②Zhu G et al 2022 Sci. China Mater. 65 2128-53 ③Chang C-Y et al 2011 J. Intell. Manuf. 22 953-64)

　　圖8 Micro LED芯片(pian)修復技(ji)術(引用文獻：①Cok R S et al 2017 J. Soc. Inf. Display 25 589-609 ②Zhu G et al 2022 Sci. China Mater. 65 2128-53)