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(fā)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，系統(tǒng)得總結了近些年來制造高良率Micro LED顯示屏中的前沿技術與挑戰(zhàn)。
內容簡介
Micro LED芯片往往以陣列的形式制造，首先選擇合適的材料作為襯底，在襯底上外延生長出芯片的各層結構，再利用刻蝕工藝將外延晶片上的LED結構切割成Micro LED芯片陣列。為了滿足Micro LED顯示器的高良率要求，制造出來的Micro LED芯片往往需要很高的品質，甚至需要實現(xiàn)接近零的缺陷水平。
在芯片制造這一環(huán)節(jié)，獲得完美良率的技術挑戰(zhàn)包括提升外延晶圓品質、減少外延晶圓缺陷、避免刻蝕引起的側壁缺陷等。這些影響芯片良率，造成芯片缺陷的因素都來自于外延生長、刻蝕等工藝，往往通過完善這些工藝得以提高芯片的品質。
巨量轉移是Micro LED應用于顯示的關鍵一步，也是目前Micro LED顯示器產業(yè)化過程中遇到的一個技術難題。巨量轉移是指將Micro LED芯片與源基板分離并批量拾取，然后單獨或成組轉移到顯示基板對應的像素電極上。由于工業(yè)化生產要求巨量轉移良率不低于99.9999%，芯片轉移誤差不超過±1.5μm，轉移效率大于50~100M/h，傳統(tǒng)的芯片轉移、封裝等技術手段無法達到工業(yè)需求，巨量轉移技術已經(jīng)成為制約Micro LED顯示量產的技術瓶頸。
為了應對Micro LED顯示器制造中的巨量轉移挑戰(zhàn)，目前已經(jīng)發(fā)展了精準拾取轉移技術、自對準滾輪轉印技術、自組裝轉移技術、激光輔助轉移技術等多種巨量轉移技術。巨量轉移的核心過程有兩個，一個是將芯片從襯底上剝離，另一個是將芯片連接到顯示基板上。在將Micro LED芯片從襯底上剝離下來的過程中，由于剝離力的作用，芯片表面可能會出現(xiàn)裂紋、劃痕等損傷，從而影響芯片的品質和壽命。
在將Micro LED芯片轉移到目標基板上的過程中，由于自組裝技術的限制，芯片可能會出現(xiàn)錯位、損傷等缺陷，從而影響最終的顯示良率。無論運用哪種巨量轉移技術，主要目的都是提高這兩個過程的效率和良率。
使用MOCVD技術在襯底上通過材料沉積進行Micro LED結構外延和刻蝕處理，而后將Micro LED芯片巨量轉移到顯示器背板上并完成Micro LED與集成器件的連接，這是制作Micro LED顯示器的核心步驟。就算在制作過程中每個步驟全都采用高良率的工藝，但是由于Micro LED用于顯示時芯片數(shù)目有數(shù)百萬甚至上千萬顆，缺陷像素的出現(xiàn)是不可避免的。
對于工業(yè)應用，顯示器上的任何缺陷都是不可容忍的，所以對于最終的Micro LED顯示良率，除了需要在長制造鏈中的每個步驟都選擇低缺陷工藝外，還需要在生產過程中及時檢測出顯示芯片中的壞點并進行修復才能保證。理想的檢測方法應在降低成本、提高效率的同時避免對LED功能造成任何干擾和損壞。
對于傳統(tǒng)的LED，檢測過程是容易的，因為大尺寸LED允許用探針連接，甚至可以用肉眼發(fā)現(xiàn)壞像素，并用機械去除方法或芯片鍵合器代替。隨著LED的尺寸下降到微米級，探針尺寸可能會大大超過被檢測的LED，并導致檢測困難。同時，LED尺寸的減小要求電路、傳感器等連接也應相應地小型化。為此，用傳統(tǒng)方法檢測和修復大量Micro LED芯片是很難實現(xiàn)的，人們迫切需要新的檢測和修復技術。
最后，指出了制造高良率Micro LED顯示屏的技術方向。提高Micro LED芯片制造的制造良率需要精確控制外延片外延生長過程中的轉速、溫度和氣體流速等參數(shù)。在芯片制造過程中，這種控制仍然是制造滿足生產良率要求的高質量Micro LED芯片的關鍵研究重點。在避免側壁缺陷方面，使用納米粒子和圖案模板直接生長微型led芯片結構顯示出前景，值得進一步研究。
此外，QMAT襯底技術與LLO技術相結合，在后續(xù)階段具有提高轉移良率的潛力。在芯片轉移過程中，LLO技術是一種非常有前途的高收率芯片剝離方法。在LLO剝離工藝中，激光參數(shù)與界面粘附之間的調節(jié)機制有待進一步探索。微管技術非常適合TFT工藝，證明適合在TFT背板上連接剝離的Micro LED芯片。
對于小型Micro LED顯示產品，可以考慮采用單片集成技術替代傳質過程。在芯片檢測過程中，一種有效的方案是采用AOI檢測技術來識別具有外觀缺陷和EL照射亮度異常的Micro LED芯片。該方案能夠高效、準確地檢測大量Micro LED芯片。芯片修復工作在很大程度上依賴于芯片轉移技術，這為更換缺陷芯片提供了方便的解決方案。
芯片制造、傳質和檢測這三個工藝步驟是相互關聯(lián)和相互依賴的，需要它們之間的合作來確保Micro LED顯示屏的良率。
圖1 Micro LED芯片制造、芯片轉移和芯片檢測環(huán)節(jié)的基本工藝，以及常用技術②③④⑤⑥⑦⑧⑨Binhai Yu et al 2024 J. Phys. D: Appl. Phys. 57 463001（引用文獻：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芯片制造中外延生長出的高質量LED結構（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芯片制造中的刻蝕技術與納米線生長技術（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芯片制造中的襯底技術（引用文獻：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芯片激光巨量轉移技術（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6 微管技術與單片集成技術（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（引用文獻：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芯片修復技術（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）
來源：華南理工大學
