MicroLED从实验室转移到晶圆厂

事实证明，降低 MicroLED 的成本和提高产量是一项艰巨的任务，但显示器公司和 LED 供应商正在共同努力，寻求具有生产价值的解决方案。

每一种颠覆性技术都有它的“啊哈”时刻——从工程师到投资者的每个人都意识到，是的，这项技术是真正的交易，它不会在研发阶段被废弃。

对于许多人来说，三星最近发布的 110 英寸 microled 电视不可逆转地将 microLED 放在了地图上。电视的价格为 155,000 美元，但与大多数成为主流的消费电子产品一样，规模经济将大幅降低这一价格。

Yole Développement 高级行业分析师 Eric Virey 博士表示：“这标志着 microLED 电视即将到来，但首先需要大量工程进步和颠覆性技术才能将成本降低 20 至 30 倍以供主流采用。” 一些首批商业化的 microLED 显示器将用于近眼增强现实/虚拟现实或平视显示器或眼镜的混合现实应用。

图 1：将 CP Display 的 IntelliPix 驱动器/背板架构与 Global Foundries 的 FDX 22 nm 绝缘体上硅 (SOI) 工艺平台相结合，1:1 全彩 AR/MR 微型显示器和 3 µm microLED 将很快开始生产。资料来源：正大显示

MicroLED 具有出色的性能属性。与 LED 背光液晶显示器 (LCD) 或有机 LED (OLED) 显示器相比，它们提供更高的像素密度、更低的功耗、更快的（纳秒）响应时间和更宽的视角。重要的是，它们在阳光直射条件下提供比 OLED 显示器或 LCD 高一个数量级的亮度，这对手持设备至关重要，也是近眼显示器的关键推动因素。

最终产品分为三类：

• 用于电视、标牌和电影院的大型显示器；

• 用于平板电脑、汽车前灯、智能手机和手表的中型显示器，以及

• 用于 AR/VR/MR 应用的微型显示器（图 1）。

MicroLED 就是我们今天使用的 LED 的微观版本。MicroLED（<50 µm 设计规则）、MiniLED（>50 µm 和 <1 mm）和 LED（>1 mm）都以相同的方式工作。当以适当的电压施加电流时，电子和空穴在器件的有源区（量子阱）中重新结合，并发射光子。光的亮度是施加电流的函数，但发射颜色（波长）由半导体材料的导带和价带的能级差异决定，AlInGaP 用于红色 LED，InGaN 用于绿色和蓝色 LED .

除非使用磷光体颗粒或量子点转换光，否则 LED 是直接发光的。例如，白光使用带有黄色荧光粉涂层的蓝色 LED 来制造我们在灯泡、路灯、汽车头灯等中看到的白色。今天大多数 LED 是在 100 毫米和 150 毫米蓝宝石晶片上制造的，尽管硅基氮化镓是越来越受欢迎，尤其是在大型硅基代工厂中。从历史上看，LED 组装在表面贴装技术 (SMT) 封装中，引线键合到位并用环氧树脂或硅树脂封装。与 microLED 的主要区别在于它们以裸片形式而不是封装形式使用。这种差异，加上更严格的设计规则，使得 microLED 的制造成为一项非常昂贵的工作。

良率和转移技术
随着行业从当今的 miniled 向 microLED 过渡，代工厂和晶圆厂必须大幅提升其竞争力。

KLA高级首席科学家 John Robinson 表示：“实现 microLED 的性能和成本点将需要向半导体制造思维方式转变。”

Robinson 指出，与传统 LED 相比，需要极高的 microLED 良率，包括高驱动器 IC 和背板组装良率，这需要端到端的晶圆厂缺陷管理策略。除了在线良率管理改进之外，microLED 目前还没有适合生产的工艺来快速将 microLED 从晶圆转移到中介层或晶圆到背板。这个过程是取放工具的全面替代，目前是 microLED 可制造性的一个很大限制。

图 2：为了满足对坏像素的接近零容忍度，LED 晶圆厂正在加强其在线计量、自动光学检测和测试协议。资料来源：KLA

在晶圆加工方面，Lumileds 的 MicroLED 研发副总裁 Srinivasa Banna 表示，除了减少直接影响良率的缺陷率之外，MicroLED 晶圆厂还必须在外延晶圆和成品面板上保持非常严格的波长均匀性控制。

在测试方面，Banna 补充说，虽然存在许多解决方案来进行基于光致发光 (PL-based) 的测试，该测试在外延和加工晶圆级测量光的光谱特性，包括所需波长，电致发光的晶圆级测试(EL) 是非常需要的。“最终的证据是 LED 是否正常点亮。我们希望能够预先标记坏的 microLED 或发光不足的 microLED，并有选择地选择已知良好的芯片转移到背板。” 代替晶圆级 EL 测试，测试结构提供数据，“但这实际上只能给我们一个通过/不通过的响应，”他说。

其他问题是早期技术的典型问题。“最大的挑战之一是缺乏标准的制造流程和正在采取的各种方法。这导致缺乏推动大批量制造设备开发的规模，” Lam Research战略营销董事总经理大卫海恩斯说。“在短期内，我们预计在 AR/VR 和其他消费产品（如智能手表）以及用于汽车显示器和大面积投影的 microLED 光引擎中，小型、高亮度 microLED 显示器的商业化将会增加。”

然而，海恩斯指出，TFT 面板上大面积显示器商业化的时间表“将取决于该行业开发可提供高精度和卓越可靠性的传质技术的速度。” 事实上，Apple 最新的 iPad 使用白色 miniLED 作为背光，需要准确放置 10,000 个发射器，这听起来很有挑战性。在 4K 电视的 78 英寸 TFT 面板上定位 2500 万个红色、绿色和蓝色子像素，容差仅为 10 个无效像素，将需要极其稳健、高度准确的传输方法。

RGB
的不同途径随着 microLED 规模的扩大，质量转移的困难和性能问题导致公司寻求不同的途径来在同一面板上获得红、绿和蓝光。红色（1.7V 阈值电压）、绿色（Vt 为 2.2 V）和蓝色（Vt = 3.3 V）之间的驱动电压也存在差异，这使得驱动电路的设计变得复杂。所有这一切都可以通过仅制造蓝色 microLED 晶片并添加磷光体或量子点颜色转换器来制作红色和绿色来简化。

但是，Lumileds 的 Banna 表示，向下转换也需要权衡。通常，一些蓝色会通过转换器渗出，任何下转换都会降低亮度。量子点是半导体纳米晶体，可以产生单色红、绿和蓝光，因此有可能用于未来的 microLED。然而，今天的 QD 以层状形式使用，以提高 LED 背光 LCD 的亮度和色域。

MicroLED 工艺流程 MicroLED 工艺
的前端开始于通过金属有机 CVD 工具 (mocvd) 中的气相外延在晶圆上生长外延堆叠。然后自动检查晶片的缺陷和光致发光 (PL)，或测量光谱特性。

接下来，光刻图案化定义 N 和 P 接触垫，然后是透明的氧化铟锡 (ITO) 沉积，将电流散布到器件表面。然后反应离子蚀刻 (RIE) 暴露接触焊盘。晶圆被翻转到柔性薄膜上，激光剥离去除基板，然后再次翻转，测量 PL 和 EL 并创建已知良好的芯片图。接下来，数百甚至数千个 microLED 通过冲压工艺、激光工艺或其他方式（如下所述）转移，并粘合到单独制造的 TFT 或 CMOS 背板上，该背板包含与芯片上的匹配的电触点和控制电路。

SMT 键合工艺，使用焊料沉积和回流，将芯片键合到背板，然后再次进行 AOI、PL 和 EL 测试。如果发现有缺陷的芯片，可以使用激光去除和更换坏芯片（称为修复），然后对显示器进行最终测试，包括电致发光和光致发光。

MicroLED 将需要 100 级洁净室（每平方英尺小于 100 个粒子，≥0.5 µm）、切换到 200 毫米蓝宝石晶圆上的加工、外延工艺 (MOCVD) 缩放至 200 毫米、从掩模对准器升级到 i-line 晶圆步进器用于图案化，以及用于 RIE、电镀、晶片剥离和可能还有晶片清洗的单晶片 200 毫米工具。最重要的是，这些工具必须使用 SPC 和更新的人工智能程序来实施严格的流程控制。

Veeco 首席技术官 Ajit Pananjpe 表示：“最终产品确实推动了我们对波长、薄膜厚度、漏电流和均匀性的规范。他指出，许多宣布的新产品要求波长可变性在 2 nm 以内。“目前，我们已接近满足波长均匀性规范，这不太可能成为 microLED 的阻碍。”

优化晶圆级工艺对于持续改进 microLED 性能指标至关重要，例如内部量子效率 (IQE)，即器件中电子/空穴组合转换为亮度的效率，以及外部量子效率 (EQE)，即设备将通过 LED 的电子转换为亮度的效率。直到几年前，红色、绿色和蓝色 microLED 的 EQE 都在个位数范围内。然而，材料和设备工程已将蓝色、绿色和 AlInGaP 红色 microLED 的 EQE 提高到两位数范围，需要进一步改进。

LED 的晶圆级处理通常针对 IQE 和 EQE 的持续改进。例如，Lam 正在开发超低损伤 GaN 蚀刻工艺、GaN 结构工艺以及蚀刻后侧壁损伤修复和钝化，以提高器件性能。

“我们在同一模块中将低功率、稳态等离子体蚀刻与原子层沉积相结合。这些工艺结合了高产量和显着减少GaN表面等离子体损伤的能力，”Lam 的 Haynes 说。“在沉积方面，我们有低氢氮化硅钝化解决方案，为了支持与 CMOS 代工厂的兼容性，我们正在开发能够管理脆弱晶片上镓污染的单晶片清洁解决方案。”

MiniLED 学习 MicroLED
现已量产，用于平板电脑背光和键盘背光应用。为了加快组装速度，Rohinni 开发了一种键合头，通过将目标基板定位得更接近转移基板并集成 3D 计量以进行定位反馈，从而显着改善了拾取和放置。该工艺已在 K&S 的 Pixalux 粘合机上实现商业化。在这里，将 miniLED 翻转到柔性粘合膜上，然后移除基板。薄膜再次翻转并放置在靠近目标基板的位置。焊头利用高速销致动器以高达 100 芯片/秒的吞吐量传输芯片。

CyberOptics 的 SQ3000 多功能 3D 计量工具已与 Rohinni 的转移方法集成，以确保对准过程的准确性和可重复性。计量系统专有的多反射抑制 (MRS) 传感器技术使用相移轮廓测量法，从单个光学投影仪和多个摄像头收集数据以进行 3D 测量。该系统的算法可抑制基于反射的测量失真，以在几秒钟的处理速度下实现高精度。

CyberOptics总裁兼首席执行官 Subodh Kulkarni 表示：“鉴于 miniLED 放置与 SMT 键合的相似性，采用我们这样的工具会带来值得生产的结果也就不足为奇了。” “对于 miniLED 放置，系统会跟踪 x、y 和 z 方向上与预期数字签名的微小偏差，并迅速发出问题信号，”他补充道。

Rohinni 首席技术官 Justin Wendt 表示，Rohinni 的工具可用于任何组装工具，它与平台无关。“我们真正将自己视为一种系统集成商，为特定产品（在这种情况下为 miniLED）提供技术解决方案给最能充分利用它的工具制造商和最终用户，”他说。

传质组装
MicroLED 传质选项包括粘合剂印章转移、激光辅助转移、静电转移、基于辊的转移和流体自组装。尽管许多技术有效（见图 3），但批量制造需要 99.9999%（六个 9 或 1 ppm）的转移良率。“今天的转移技术是一片绿地。Veeco 的 Pananjpe 表示，制造商负担不起转移失效的 microLED，即使存在修复策略，它们也太费力且成本高，无法用于批量生产。

图 3：正在探索多种方法来同时实现数千个 microLED 的质量转移。来源：“从实验室到晶圆厂：大容量 MicroLED 设备的挑战和要求，Yole Développement，Display Week，2021 年 5 月

根据 Yole Développement 的 Virey 的说法，也许最成熟的转移选项使用聚合物印模来移动数千个 LED，例如在 X-Celeprint 的微转移印刷工艺中。每个印章都是由注塑成型的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 定制制造的，由玻璃背衬（用于刚性）、光滑的 PDMS 层和光刻定义和蚀刻的 PDMS“支柱”组成，以实现高精度定位。粘合剂墨水抓住一系列 microLED，然后使用激光或其他方式进行打印。

X-Celeprint 的姊妹显示器公司 X Display Co. 最近交付了其首款 300 毫米转移工具，并获得了许多用于 microLED 制造的技术许可。印章转移过程被证明是可靠的、可扩展的并且能够实现高吞吐量，但需要进一步优化过程以实现 6 个 9 的良率。

激光辅助传质由 3D-Micromac AG 和 Coherent 提供。激光剥离的工作原理是烧蚀微观 GaN 层，形成一个膨胀的氮气层以实现剥离。激光辅助剥离通常用于从处理后的 microLED 晶片上去除蓝宝石衬底。在微型器件或小场尺寸处，可使用多个高能激光脉冲以高精度 (±1.5 µm) 传输一组 microLED。虽然以良好的选择性和可靠性着称，但激光辅助转移方法目前仅限于小区域，需要进一步发展以加快吞吐量。

ELux Display 开创了一种新颖的流体自组装工艺（见图 4），该工艺使用来自传统 LCD 工厂的有源矩阵基板。使用带有仅比 microLED 稍大的孔的基板，将含有预先测试过的 microLED 的液体施加到表面，振荡运动促使 LED 以高度准确且不规则的方式固定在孔中。流体组装使液体中的 microLED 随机化，从而防止由外延晶片不均匀性引起的马赛克图案。

图 4：eLux Display 的流体组装工具在大约 15 分钟内将 518,400 个 microLED（尺寸为 40 µm）定位在 12.3 英寸显示器上。大约 33 个 microLED 需要维修。

microLED 由传统的蓝色 LED 晶片制成倒装芯片，阳极和阴极电极排列为表面上的同心环。在组装之前，microLED 使用 microPL 映射测试短路芯片或低 EQE 设备，并使用光学检查工艺缺陷或污染。相对于使用激光或其他方法的确定性系统，ELux 的优势在于，流体组件旨在仅收集已知良好的芯片。因此，缺陷永远不会进入显示器制造过程。

结论
MicroLED 作为下一代平板显示技术非常有前途，因为它在效率和响应时间方面优于 OLED 显示器和 LCD，同时提供更高的亮度，这对于在阳光照射条件下使用的电子设备来说尤其重要。将成本和产量降低到批量生产所需的水平尤其具有挑战性，尤其是在从头开始构建的传质工具的情况下。

LED 晶圆厂必然会变得类似于大批量硅晶圆厂，具有端到端的良率管理和更先进的工艺控制。在晶圆级，除了光致发光外，还需要测试电致发光，以制造近乎完美的显示器。