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ASM固晶机【巨量转移】Micro LED巨量转移技术流派及制程分析

2021-12-21 09:21:43

  【巨量转移】Micro LED巨量转移技术流派及制程分析MicroDisplay 2021-12-03 12:35

  近年来,Micro LED因其功耗低、响应快、寿命长、光效率高等特点,被视为继LCD、OLED之后的新一代显示面板技术。Micro LED的英文全名是Micro Light Emitting Diode,中文称作微发光二极体,也可以写作μLED,是将传统LED薄膜化、微小化和矩阵化,使像素点距离从毫米级降低至微米级别,并在一个晶片上高度集成的固体自发光显示技术 其与常规LED大的不同在于尺寸,大小相当于人头发丝的1/10,体积达到了主流LED大小的1%,然而像素尺寸当前还未形成统一的定义。

  Micro LED微米级别的像素间距可以使其覆盖从中小尺寸显示到中大尺寸显示等多个应用场景。相比传统小间距LED,由于尺寸微缩,显著提高了显示解析度和画质,光学设计上可以使得可视角度更开阔,对比度更高,画质更好,适合虚拟现实、小型投影仪,微显示器,可见光通讯,医学研究等多种多样的显示场景。相比OLED,均采用自发光技术显示,允许集成感测器和电路,从而实现嵌入式感测功能,也可结合柔性衬底实现柔性显示,从而用于可穿戴/可植入器件、车载显示等柔性显示领域 此外,Micro LED清晰度高、亮度高、对比度好,高反应速度等特点非常适合VR、AR等对反应速度有较高要求的可穿戴设备(高亮度和节电适用于户外穿戴场合)应用。

  Micro LED显示的概念自2000年 直到2012年,在索尼展示了一台Crystal-LED的microLED电视后,Micro LED显示器才出现在商界视野中,不同研究机构和公司开始主攻微缩制程、全彩化、晶片转移等瓶颈技术 根据不同应用的显示面板尺寸的不同,显示器的制备可分为单片制造技术和巨量转移技术 单片制造技术是指Micro LED直接在Si、GaN或者Sapphire等基底上制作高解析度显示器,将LED键结于终端显示基板上,然后用物理或化学机制剥离基板。这种方式避免了复杂的巨量转移过程,但也只限于构建较小的显示器,如近眼显示器、智慧手表等微显示器,限制了Micro LED的应用场景;另外,每种制程只能在基板上生长一种颜色的灯珠晶片,故这种单片制造技术无法解决RGB全彩显示。近年研究提出的量子点全彩显示,采用单个紫外Micro LED发出的光激发其上层覆盖的红绿蓝三色发光介质,从而实现全彩化,这种彩色化替代技术在未来发展中可能会填补单片制造在全彩化方面的局限性。另一种制造技术是巨量转移,在源基板上生长LED晶片,然后将LED从源基板上分离并通过某种作用力将晶片快速、准确且可靠地转移到显示电子器件上。对于手机、平板和电视等更广泛的显示应用场合,在衬底上制作完成后从基板上进行分离,不可避免地需要通过巨量转移的方式将Micro LED晶片在更大尺寸且带有逻辑电路的基板上进行组装,从而满足应用需求。此外,柔性和可拉伸的光电器件用于可穿戴和生物电子应用近来获得了广泛的研究普及,这些应用需要将LED转移到柔性基板上,亦需要巨量转移得以实现。然而由于每次转移的晶片尺寸极小、数量巨大,对转移制程的确性和速率要求非常高,成为当前制约Micro LED量产的关键技术。

  本文将简要概述Micro LED巨量转移技术,分析该技术存在的难点与挑战。根据在研技术流派的制程过程,可将巨量转移技术步骤分为基板分离和晶片转移两个关键制程,将分别阐述每一制程的原理、研究进展及关键研究问题,然后展望巨量转移技术的发展前景。

  1.巨量转移

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  图1 Micro LED制备流程

  由于待转移的LED晶片尺寸更小,大约为头发丝的1/10,需要精度很高的精细化操作;一次转移需要移动几万乃至几十万颗以上的LED,数量十分巨大,要求有极高的转移速率,传统LED晶片在封装环节,主要采用真空吸取的方式,而真空管的物理极限下只能做到大约80μm,而Micro LED尺寸基本在50μm以下;而当前的转移设备(Pick & Place)的精密度是±34μm (Multi-chipper Transfer),覆晶固晶机(Flip Chip Bonder)的精密度是±1.5μm (每次移转为单一晶片)。可见传统晶片转移技术无法以经济且高精度的方式转移数量达百万个、尺寸为微米级的晶片表1 传统晶片转移制程与巨量转移制程对比

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  针对这些问题,许多公司和科研机构基于不同原理已开展大量研究,形成了准确拾取。

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  图2 巨量转移主流技术发展

  精准拾取流派技术主要区别于转移头吸附LED作用力的不同。Luxvue公司采用具有双电极结构的转移头,通过静电力拾取放置晶片,完成从源基板到目标基板的转移 X-Celeprint采用弹性印章作为转移头,利用范德华力拾取晶片,然后放置到目标基板上 随着技术的发展,巨量转移不再局限于传统的拾取制程,雷射驱动转移技术在转移中得到应用,以非接触式的加工技术,实现晶片的批量并行转移 Uniqarta、Coherent、QMAT公司采用雷射诱导前向转移(LIFT)制程,通过雷射与材料发生光-物质相互作用而实现晶片的分离,同时产生的局部冲击力推动晶片向基板转移。Optovate公司提出p-LLO制程,通过雷射作用GaN分解为氮气和液态Ga,实现剥离与转移。此外,elux和Self array公司采用自组装技术,分别以流体自组装和磁力自组装为原理完成LED的自组装过程。韩国机械与材料研究所( KIMM)提出了自对准滚印转移技术,通过辊印的方式实现巨量转移 当前技术基于不同的作用原理取得了一定的研究进展,但仍然存在良率、精度、转移速率等问题,如何控制成本和良率成为当前商业化的关键。

  巨量转移技术流程分为基板分离和晶片取放两个关键制程:

  (1)基板分离:以某种作用力将晶片与源基板批量整体式分离;(2)晶片取放:通过转移装置将分离后的Micro LED晶片高精度选择性地从源基板上拾取并转移放置在目标显示基板的特定位置上。

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  图3巨量转移技术流程

  然而由于待转移的Micro LED尺寸相比主流晶片尺寸更小、集成数量更多,使得传统的LED基板剥离、转移技术如机械顶针、真空吸附拾取等制程窗口大大缩小,对技术和成本的要求更高,仍然存在良率、精度等问题,如何控制成本和良率成为了商业化的关键。表2 列出了巨量转移技术不同流派的基板分离技术和拾取作用力。

  表2巨量转移技术原理

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  2.

  Micro LED通常在Si、蓝宝石等衬底上生长GaN外延层来制备 为减少生长晶圆尺寸的限制,拓宽到中大尺寸显示、柔性显示领域,需要采用衬底去除技术将源基板剥离,当前衬底去除技术主要有机械剥离、化学蚀刻、雷射剥离,如图4.

  图4 基板分离制程(a)机械剥离技术;(b)化学剥离技术;(c)雷射剥离技术机械剥离技术是通过在蓝宝石衬底或牺牲层上用温度较高蚀刻液刻蚀出金字塔 X-Celeprint、KIMM、LuxVue等公司巨量转移技术中基板分离方式类似这种原理,也通过蚀刻的方式使LED与生长衬底之间以桥式等弱接触方式连接生长,但剥离外力不同,分别采用范德华力、静电力或粘附力等作用力下吸附LED,通过调控吸附力使弱接触结构断裂,从而实现基板的分离。机械剥离技术原理简单,剥离后GaN薄膜位错密度小,但蚀刻操作比较复杂,实现完整剥离较为困难。

  化学剥离技术通常指在衬底上先生长一层沉积层,这层沉积层由CrN 近报道了Trindade Kim等人 化学玻璃技术对GaN薄膜的损伤小,但是由于化学反应存在周期,使得玻璃速率较慢,且后续需增加残留化学溶液的清除制程,无法满足巨量转移要求的超高转移速率,故这方面的应用较少。

  雷射剥离技术诞生于1997年,KELLY等人 交介面处发生的分解反应可表示为:

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  许多研究人员针对雷射能量密度 巨量转移技术的基板雷射分离采用同样的原理,2016 年Kim J. 等 以雷射驱动技术为代表的公司如Uniqarta、Optovate等在基板分离制程中均采用雷射剥离的方式实现源基板的去除。雷射剥离技术具有作用时间短、剥离速率快的优点,但要求衬底对所作用波长的雷射透明,且成本设备较高,对GaN薄膜仍会有一定的损伤。

  从巨量转移的角度来看,机械剥离虽原理简单,但蚀刻操作复杂,分离吸附力需根据单次时刻结构的断裂特性进行调整,重复性较差;化学剥离虽对GaN薄膜损伤小,但分离速率受限;雷射剥离技术可实现高效率剥离,如何将GaN薄膜的热损伤降低是当前需要研究的问题。

  3.

  随着柔性和可拉伸的光电器件的发展,显示技术逐渐应用于可穿戴和生物电子领域,这要求将源基板上生长的Micro LED转移至柔性基底上。另一方面,受限于晶圆尺寸的大小,在面对手机、电视等中大尺寸显示应用时,也需要将从基板分离的Micro LED从源基板或中间载体基板上转移至显示面板上。晶片取放是指将源基板上的Micro LED通过晶片取放设备,以高精度、高速率的方式放置在目标位置,是实现巨量转移的关键步骤。根据实现方式的不同可分为准确拾取、雷射诱导转移、自组装技术。

  3.1

  正确拾取技术一般通过转移头将源基板(Donor Substrate)上的器件以某种作用力吸附,移动至相应的位置后正确地释放在接收基体上(Receive substrate),从而完成转移过程,这一过程如图5,该技术可看做介面竞争断裂的过程,当转移头与晶片的作用力大于晶片与源基板介面粘附力时实现拾取,当接收基板与晶片的介面粘附大于转移头与晶片的作用力时实现释放,而选择性则由转移装置的拾取头来实现,整个取放过程的关键在于介面粘附的调控,而这一机制在柔性电子领域中的转印技术方面有着较为深入的研究。

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  图5 拾取技术步骤

  在转印技术中根据不同的力学原理已发展出不同转印技术控制原理及拾取放置方法:调控印章速度的动态可控转印技术 在巨量转移μLED技术领域,X-Celeprint 同转印技术特点类似,这种速度调控方式虽然操作简单,单为满足巨量转移的高精度高速率要求,印章剥离速度受到极大的限制从而降低了制程窗口。

  其他类似转印的静电力、辊印方式亦可实现晶片的高精度取放要求。LuxVue 该过程包括从带有一排静电转移头的载体基板上拾取一排微型LED,并从工作电路中施加同向电压以产生吸引力,从而与微型LED接触粘附。待转移至目标基板特定位置。转移头直接接触该位置,并在电场作用下加热液化接收基板键合层,将LED阵列键合到接收基板上,然后施加反向电压释放LED,从而完成转移过程。韩国机械和材料制造 整个过程包括三个辊转移步骤,首先通过涂有一次性转移膜的辊压印模将控制TFT阵列拾取并放置到临时基板上;然后将微型LED从其支撑基板上取下,放置在临时基板上,并通过焊料键合与TFT连接;然后,将互连的微型LED + TFT的阵列滚动转移到目标基板上,以形成有源矩阵微型LED显示器,这种转移方式可用于转移晶片尺寸和晶片厚度分别低于100 ?m和10 ?m的MIicro LED。

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  图6 正确拾取技术实现转移制程过程

  正确拾取技术分别采用静电力、范德华力、磁力作为吸附力实现介面调控,实现高精度下晶片的大面积转移,如图6。该方法克服了传统机械拾取方式难以拾取、容易损坏晶片的不足,但受转移头尺寸的大小,使得转移效率受到一定的制约,同时作用力调控需在特定范围内实现,从而大大缩小了制程窗口,增加了工业成本。

  3.2

  随着高性价比雷射设备的可用性不断提高,基于雷射的微加工技术已发展成为高精度制造技术不可或缺的工业工具。雷射驱动(laser propulsion)的概念早是由Kontrowitz Saeidpourazar等人 雷射驱动的主要原理是利用雷射器产生的雷射与物质的相互作用,其中紫外(UV)波长的光子在被物质吸收时会引起电子激发,产生烧蚀分解,从而产生冲击力;红外(IR)波长的光子被物质吸收后导致电子振动和旋转激发,然后发生热分解,从而产生驱动力。此后,许多研究人员对雷射驱动转移方面进行了充分的研究。

  雷射驱动转移技术的通常步骤为:由石英、蓝宝石等透明基底通过某种中间材料承载器件,再通过雷射照射透明基材作用在物质上发生反应,采用光学掩膜的方式以实现器件的选择性转移,如图7。在转移过程中,由于雷射波长和材料性质的不同,根据作用机理可将雷射驱动转移分为雷射直接释放和雷射烧蚀释放。

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  图7 雷射驱动转移技术步骤

  雷射直接释放是指中间材料在雷射作用下发生热分解,直至晶片脱离,从而实现转移。热分解作用可以是雷射与器件的热作用间接作用于中建材路,如Karlitskaya 等人 热分解作用还可以是雷射与中间材料的直接作用。Karlitskaya等人 这一机理在巨量转移技术中得到了很好的应用,QMAT公司开发的束定址释放技术(BAR)采用热释放机理,将雷射透过透明基板作用在雷射释放层上,通过光热作用使晶片从源基板转移至目标基板,能够在100KHz-1MHz的速度脉冲下可达到10亿个/h 的转移量。该技术在转移前进行坏点检测,并由用户电脑将前一步所检测得到的晶片好坏文件进行处理记忆,而进行转移时遇到坏点雷射则绕过,可以避免将坏点转移到基板上,从而提高了良率。

  雷射烧蚀释放原理是指雷射照射牺牲层材料,在光束作用下材料受限烧蚀,产生的气体产物对其上的晶片造成冲击力,从而实现释放转移,这种方法得益于对雷射烧蚀聚合物机理的研究。Zweig AD等人 Holmes等人 这些研究为雷射动态烧蚀释放提供了很好的原理解释。2002年雷射诱导前向转移(laser induction front transfer, LIFT)技术问世 Alberto Piqué等人 Karlitskaya等人 Marinov V 等人基于LIFT技术发展出LEAP制程以转移和组装微器件,将晶片剥离、转移、组装全部使用雷射技术完成,并已成功用于无源RFID晶片转移。随后,美国北达科他州立大学纳米科学与工程中心基于LIFT技术发展了另一项新的前向转移制程——热机械选择性雷射辅助模转移 图8给出了雷射驱动转移制程,其对比见表2图片

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  图8雷射驱动转移制程

  表3 雷射辅助转移制程

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  巨量转移领域使用雷射烧蚀原理转移技术的是Uniqarta报道的LEAP制程,使用355nm的Nd:YVO 该过程可以单束或多束模式运行,这提供了处理晶片上的不良晶粒的能力。在单光束模式下,使用扫描仪将雷射顺序聚焦在不同的晶片位置上,从晶圆上去除不需要的晶片;然后使用多光束模式快速转移良好的晶片阵列;然后,再次使用单光束模式将单个晶片填补到由于先前移除不良管芯而导致的未填充的空余位置上。这种有选择地移除和替换不需要的晶片的能力使LEAP制程相比其他并行转移技术在良率上具有极大的优势。

  目前应用于转移晶片的雷射驱动制程,与传统的微器件取放制程相比,该过程是非接触式的,当晶片比较小且薄时,将大大降低传统拾取制程造成的机械损坏,此外单次照射下能够并行转移多个晶片,转移速度更高。然而无论是直接释放还是热释放,由于存在间距,其晶片下落都会出现容易偏移和偏转等不稳定问题,且下落速度都与雷射入射能量密度有关。相比较而言,热释放较烧蚀释放下落速度虽然要低很多,便于晶片下落的控制;但热释放对光束均匀性较敏感,光束强度分布不均匀导致释放热释放胶层不均匀膨胀,从而导致组件释放不均匀;同时,晶片尺寸缩小后范德华力、静电力等会与重力的大小接近,以至于热释放过程不得不考虑这些力对其转移的影响,因此烧蚀释放机理的适用性更强,关于研究改善光束的均匀性对释放角度的影响,机理包括光吸收、温度随时间变化分布、能量如何转换为下落晶片的动能等问题尚待进一步研究。

  3.3

  自组装技术通常指基本结构单元(分子,纳米材料,微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术,该构想诞生于上世纪末,具有多组分同时并行组装、避免了人为误差的干扰、适用组装的材料种类多、组份尺寸范围广,已应用于光电材料、生物材料、医药材料等多种领域。自组装的产物的缺陷程度是低的,因为自组装的过程是自发的,也就是说在组装的过程中各个组份之间就是按照的结构和组合方式组装的。另外,自组装技术所需的仪器设备比较廉价,自组装过程比较迅速,因为自组装过程本身就是各组份自发组装成产物的。

  目前自组装技术主要分为分子自组装(Molecular Self组件) 和定向自组装(Directed self组件) 。分子自组装 定向自组装如图8所示,是采用流体,电磁场 定向自组装是在传统技术不能完全满足需要而分子自组装技术又不成熟的情况下应运而生的,其方法主要有基于表面张力作用利用导向引导的定向自组装,利用毛细作用力驱动的定向自组装及基于尺寸匹配,表面张力作用,次序自组装于一体的混合三维定向自组装等。

  自组装技术作为一种并行制造技术,已经提出了流体力。

  目前业界为代表性的两大自组装技术分别是磁力自组装和流体自组装技术。磁力自组装是Self Array公司开发的利用磁体、振动和悬浮力将LED自组装成阵列的技术,首先将LED外表包覆一层热解石墨薄膜,放置在磁性平台,在磁场引导下LED将快速排列到定位。采用这种方式,需要先处理磁性平台,让磁性平台能有设计好的阵列分布,而分割好的LED器件,在磁场的作用下能快速实现定位,然后还是会通过像PDMS一类的中间介质,转移到目标基底上去。流体自组装技术是eLux公司利用流体的作用,让LED落入做好的特殊结构中,达到自组装的效果。2017年eLux公司申请了此项技术专利。

  任何依赖于自组装的新的系统,要么能忍受它的缺陷,要么就得修复缺陷 自组装技术的缺陷问题一直是自组装技术的关键问题,如何实现自组装过程可逆、自我调控或在线监控才能减少或避免组装体的缺陷;其他如自组装前驱体的正确合成、尺寸效应、动力学和机制以及表征和控制,这些都是自组装技术未来发展的关键。

  4.

  本文基于近代显示技术的发展背景,分析了Micro LED 技术的发展潜力,总结出Micro LED 所具有的显示技术优势。简述了Micro LED 显示器的制备制程,但由于μLED微缩化和全彩RGB μLED数量巨大,难以使用现有的转移技术在成本效益可观的条件下实现具有高精度、高良率的转移,使得巨量转移成为制约其商业化的关键的瓶颈技术。

  目前,巨量转移已发展出多种技术流派,尽管基于不同的原理,但都需要将晶片从源生长基板分离,然后通过某种作用方式选择性地将LED晶片放置到目标基板上。其中,基板分离是通过机械应力、化学腐蚀或雷射作用等方式,对源基板进行整体式批量处理,以便于后续的取放制程。相对而言,由于机械剥离蚀刻操作复杂,且蚀刻程度的不均匀性使得后续的选择性拾取作用力需根据单次蚀刻结构的断裂特性进行调整,可选择性差;化学剥离受化学反应速率影响,且后期需增加化学溶液干燥步骤,制程时间较长;雷射剥离技术可实现高效率地剥离,相对前两者而言更方便后续选择性取放制程,但存在对GaN薄膜的热损伤问题,仍需进一步解决。

  晶片取放制程是巨量转移技术中重要的环节,从制程角度来讲,如何实现高精度且选择性地批量拾取、放置是各技术流派的核心内容。对于精准拾取技术而言,基于范德华力、静电力、电磁力等力学原理产生对晶片的拾取放置的作用力,通过转移头来满足选择性操作,而转移数量则取决于转移头的尺寸,但该技术大多对晶片有特殊要求,如电磁力转移需要在晶片中掺入铁、镍等磁性材料,微印章转移技术需要晶片与基板为弱连接结构,这对晶片的发光特性会有一定的影响。雷射驱动转移技术则基于雷射与物质的作用机理,通过烧蚀或直接释放原理产生转移晶片的作用力,通过掩膜、光斑聚焦阵列化等方式实现选择性,且雷射相对其他技术而言在修复方面具有优势,可以将坏点融掉,对于提高良率具有很大的作用,但雷射转移虽然能够满足高速、选择性转移,但转移精度影响因素较多,需要研究雷射参数(如雷射能量密度、脉冲频率、光斑大小等)、转移装置的几何参数(如极板间距、晶片间距)等多种参数问题,且雷射设备昂贵,相对而言成本会较高。自组装技术可以在流体流动过程总实现正确的位置和组装,但选择性差,后续缺陷修复会很困难。

  另外,除选择性和精度外,为了提高经济和时间效益,转移率也是确定不同转移技术实用性的关键参数。在雷射驱动,自组装技术,精准拾取技术中的弹性体印章和卷对卷冲压等主流技术中,流体组装表现出Z快的转移速度——每小时5,000万个晶片,而卷对卷辊印转移率达每小时3600万个晶片,弹性体印章转移率达每小时100万个晶片,从转移速度看,流体组装技术可以提供好的转移性能,但该技术的开发仍在进行中。相对而言,流体组装技术转移速率高,但由于流体力控制技术难度大,相对其他技术而言成功概率低,且实现较为困难;滚轮转印技术和微印章转移技术容易且转移速率较高,但是选择性差,后期检修环节不容易实现,导致良率保障低;与此相似的静电、磁力转移由于转移头的尺寸限制,传递速度大大降低,但选择性相对好且产率高。而雷射辅助技术由于其转移速度快、可靠性高且选择性好,可应用于任何尺寸面板的转移,在未来的巨量转移技术中占有极高的技术优势。

  总体而言,Micro LED显示技术仍属于起步阶段,巨量转移等制约瓶颈使得其尚未能够大规模商业化发展。其未来的应用有两个方向,一个是小尺寸、超高解析度的方向;另一个是大尺寸巨型电视的方向。对于晶片转移而言,小尺寸应用为了保证超高解析度的显示则更注重转移精度,对组装速率的要求相比大尺寸应用要低一些;而尺寸较大的应用则相反,显示面积增大意味着需要更多数量的晶片参与转移过程,相对而言更关注组装速率和成本。总体而言,小尺寸显示应用如穿戴式手表等领域由于转移数量少,难度相对较低,是当前容易实现的应用Micro LED显示的领域;而中大尺寸应用如电视等领域的决定因素在于成本,即低成本前提下满足大批量、高速率转移,这一技术当前还需突破,目前商业化的可能性还比较低。


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