巨量轉移技術是當前Mini/Micro LED廠商最值得研究的課題之一。目的是為了打破傳統封裝和芯片轉移技術的天花板，通過高精度的設備把巨量的微米級LED芯片正確且高效地移動到目標基板及PCB板上，最終實現Mini/Micro LED的量產需求。
此前曾報道，大族激光自主研發生產的國產首臺量產Micro-LED巨量轉移設備已經進駐辰顯光電，目前該設備正在驗證過程中，若驗證通過，實現交付，無疑將是我國國產激光裝備的一次重大突破。
那么，讓人著迷又抓狂的Micro-LED巨量轉移技術到底是怎么一回事？別著急，答案就在下面，我們一起來看~
微型發光二極管（Micro Light Emitting Diode，Micro-LED）是一種能將像素點降低至微米級別，并能在芯片上高度集成的自發光顯示技術。在超高分辨率和像素密度方面具有潛在的優勢，但成品的單顆Micro-LED的尺寸遠小于常規單顆LED，這增加了批量轉移的難度。因此真正產業化，巨量轉移是必須解決的技術難點。
巨量轉移過程中存在的主要技術難點可分為：轉移數量、轉移速度、轉移精度、轉移良率和轉移成本。在轉移數量和速度方面，由于具有較高的像素密度，相對于其他顯示設備，MicroLED顯示設備所需組件數量和轉移速度需要大幅提高。
在轉移精度方面，必須將單色MicroLED從生長基板上取下，并和其他兩種顏色的Micro-LED進行組裝以形成RGB像素，且轉移過程對位精度要控制在±1.5 μm以內。在轉移良率方面，為了保證Micro-LED顯示設備的質量，業界的標準是在全高清顯示屏（1920×1080像素）中的無效像素的數量應控制在3個以內，換算成良率為99.9999%[1]。
在轉移成本方面，根據估算表明，對于5.8英寸2K分辨率的智能手機（LED 器件尺寸約為10 μm）和55英寸4K分辨率的電視（LED 器件尺寸約為 20 μm）這樣的Micro-LED顯示設備，巨量轉移成本將占總成本的20%[2]。由此可見，實現低成本巨量轉移對于Micro-LED顯示設備的價格降低至合理范圍至關重要。
01 Micro-LED結構與原理
Micro-LED是一種將電能轉化為光能的電致發光器件，可以通過巨量轉移批量地轉移到驅動電路基板上，驅動電路基板可以為硬性或柔性襯底。然后利用物理氣相沉積等方法在其上制備保護層和外接電極，最后進行封裝。其中LED是由II-VI和III-V族化合物，如GaAs( 砷化鎵 )、GaP ( 磷化鎵 )、GaAsP( 磷砷化鎵 )、GaN( 氮化鎵 ) 等半導體制成的，其核心結構是由p型半導體和n型半導體材料形成的pn結組成的。
當對LED施加正向電壓時，通過電極從n型半導體和n型半導體經過分別向空間電荷區注入電子和空穴，并在結區復合發光。Micro-LED顯示技術就是在LED的基礎上進行微縮化與矩陣化，其單個發光單元尺寸在50 μm以下，且較高密度地集成在芯片上。
Micro-LED芯片可分為正裝結構、倒裝結構、垂直結構等三種主要的結構。為進一步提高性能，還可加入量子點、光柵、熒光陶瓷、光子晶體、分布式布拉格反射鏡等附加結構。
02 Micro-LED技術
近年來，Micro-LED已成為顯示行業熱點研究領域之一。盡管該領域具有巨大的潛力，但Micro-LED顯示想要商業化還面臨著諸多挑戰，如 : (1) 由于制造工藝復雜，成本高 ; (2) 不同驅動電流下的波長漂移率和外量子效率變化，增加了尋址困難 ; (3) 隨著芯片尺寸的減小，效率降低。Micro-LED的顯示技術鏈可分為芯片端技術、共性技術、裝備技術以及顯示端技術四大類，如圖1所示。
圖1 Micro LED顯示技術鏈示意圖
03 Micro-LED巨量轉移技術
Micro-LED巨量轉移是走向量產的關鍵技術，同時為下一階段RGB像素全彩化做準備，其旨在將原始襯底上數量巨大的Micro-LED器件快速精確地轉移到目標襯底表面，使MicroLED器件與其驅動集成電路系統之間形成良好的機械固定和電氣連接。
為了解決巨量轉移技術的種種技術難題，許多研究機構提出了各種不同的巨量轉移技術解決方案，目前正在開發的Micro-LED巨量轉移技術主要涉及粘彈體印章、激光剝離、滾軸轉印、靜電、電磁、流體自組和化學剝離等。雖然它們各具特色，但是仍不能同時滿足巨量轉移技術對于轉移數量、轉移速度、轉移精度、轉移良率和轉移成本的要求。
粘彈體印章轉移技術
粘彈體印章微轉移印刷技術最早是2004年由Rogers實驗小組構想的[3]，其關鍵技術是采用具有一定粘彈柱狀高分子聚合物印章來調控與目標襯底的粘性力，制備該粘彈體印章普遍是使用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）制成的。當Micro-LED顯示器件與粘彈體印章充分接觸時，二者表面將產生范德華力作用從而形成印章對器件的粘附。
如圖2所示，此種轉移技術主要分為拾取和放置兩個步驟：拾取過程主要依靠粘彈體印章與原始襯底之間的范德華力將Micro-LED顯示器件從原始襯底上剝離；放置過程是利用粘彈體印章將Micro-LED顯示器件印制到目標襯底上。在這兩個過程中，解決界面的粘附性問題主要涉及粘彈體印章與Micro-LED器件和Micro-LED器件與襯底兩個界面之間的關系。
圖2 粘彈體印章轉移技術示意圖
X-Celeprint公司率先開發了一種可用Micro-LED大規模轉移的粘彈體印章轉移技術。該方法使用柔軟的PDMS印章通過范德華力作用拾取和放置Micro-LED顯示器件，由于粘附作用對速率十分敏感，當印章快速抬起時，Micro-LED顯示器件可以從原始襯底被拾取并粘附在PDMS印章上。當印章緩慢抬起時，Micro-LED顯示器件可以被粘附至目標襯底表面指定位置并與PDMS印章分離。
BOWER等研究了PDMS彈性印章轉移技術，使用粘彈體印章將Micro-LED顯示器件從原始襯底轉移到目標襯底。實驗證明，75 μm × 90 μm芯片的晶圓級印章轉移能夠使一個印章每次可轉移8萬多顆Micro-LED，良率達99.95%，12.8 μm × 12.8 mm和25.6 μm × 25.6 mm的粘彈體印章轉移70 μm × 35 μm的Micro-LED芯片，良率達到99.99%[4]。
激光剝離轉移技術
激光剝離轉移技術是一種可以大規模轉移Micro-LED器件的工藝，它利用激光束誘導Micro-LED顯示器件與其原始襯底分離，然后將它們轉移到目標襯底上。其中激光誘導正向轉移工藝30年前就被Bohandy等人提出，如圖3所示。
圖3 激光誘導前向轉移過程示意圖
Delaporte等人在激光輔助轉移MicroLED顯示器件陣列的過程中，使用激光束誘導 Micro-LED器件從其原始襯底分離，然后轉移至目標襯底表面[5]。激光束的照射導致在生長襯底和Micro-LED器件之間的界面處產生光與物質相互作用，使器件與襯底徹底分離，同時還會產生局部機械力將已經脫落的器件推向目標襯底。
這種界面相互作用與從藍寶石襯底上進行GaN基LED激光剝離工藝中所產生的相互作用相同，激光在襯底/外延界面上燒蝕u-GaN層，并將其分解為氮氣和液態Ga金屬。UNIQARTA公司研發的大規模并行激光傳輸技術（Massively Parallel Laser-enabled Transfer，MPLET）適用于各種尺寸和材料，有良好的缺陷檢測能力和高速檢測單顆或多顆Micro-LED顯示器件的能力。
此外，研究人員研發了激光驅動的非接觸式微轉移印花技術，利用激光誘導加熱，在彈性印章和硬質微/納米材料之間的界面處開始分離，對于發展先進的工程系統，例如可伸縮和曲線電子學，是非常有價值的，但卻不適用的小尺寸硅芯片。
滾軸轉移技術
滾軸轉移技術又稱卷到卷或卷到面板印刷技術，可以實現低成本、高通量和高效率的印刷Micro-LED顯示器件在柔性襯底或剛性襯底上。2017年7月24日韓國機械與材料研究所KIMM的Nano Applied Mechanics團隊對外提出了自對準滾印轉移技術 [6]。該技術可用于厚度小于10 μm、尺寸小于100 μm的MicroLED顯示器件的轉移，其轉移速率達到每秒1萬個器件，可以滿足柔性、可拉伸和便攜式顯示設備的制成。
如圖4所示，整個轉移過程包括三個輥轉移步驟：第一步是通過涂覆一次性轉移膜的壓印輥將控制的薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）陣列拾起并放置到臨時襯底表面；第二步將Micro-LED顯示器件從其原始襯底剝離并轉移至臨時襯底上，同時通過共晶鍵合的方式將Micro-LED顯示器件與TFT鍵合在一起；第三步將完成鍵合的Micro-LED顯示器件與TFT陣列滾動轉移到目標襯底，以形成有源矩陣Micro-LED顯示器。
圖4 滾軸轉移技術示意圖
電磁力轉移技術
電磁力轉移技術是通過改變電磁轉移頭和Micro-LED顯示器件上鐵磁層之間的磁引力來捕獲和釋放Micro-LED顯示器件。這個過程包括用電磁轉移頭將Micro-LED從 原始襯底上剝離出來，施加電信號產生磁性吸引，然后將Micro-LED顯示轉移到目標襯底上。每個Micro-LED顯示器件單獨的被磁性吸引控制，使選擇性和大規模的 Micro-LED傳輸不需要任何壓縮過程。Yu等人提出了一種基于磁力控制的轉移技術，其設計了一種具有獨特結構的電磁輔助轉移印章[7]，如圖5所示。
圖5 電磁輔助轉移印章示意圖
該電磁印章中含有一個填滿不可壓縮液體的腔室，位于可壓縮氣體腔室的頂部，液體腔室的頂部為磁響應薄膜材料，其可以由外部磁場致動而產生形變。外加磁場時，磁響應薄膜的形變可以通過不可壓縮液體傳導至底部氣體腔室，引起氣體壓力變化，從而有效調節電磁印章與待轉移存底接觸界面的粘附力。
Linghu C等人受到蚜蟲啟發，設計了一種可快速調節粘附力的磁驅動印章系統，其使用表面包覆有薄膜的磁性材料填滿儲液槽，通過磁場控制磁性材料以使印章底部發生變形，從而到達快速調節粘附力的效果。不過該磁控轉移印章體積過于龐大，尚不能應用于Micro-LED顯示器件的轉移。
靜電力轉移技術
2012年，蘋果公司旗下的LuxVue公司提出了一種根據靜電原理運行的轉移技術，并成功地利用異性電荷的吸引力的方式吸引MicroLED顯示器件。這種方法的工作原理見圖6。通過向一種包含單極或雙極電極結構的靜電印章施加電壓，該靜電印章通過帶電吸附力從原襯底拾取該Micro-LED顯示器件陣列。然后將目標襯底與Micro-LED顯示器件陣列接觸，去除靜電印章的控制電壓，從而將Micro-LED顯示器件陣列釋放到目標襯底上。
圖6 靜電力轉移技術示意圖
靜電轉移技術的優點是可以選擇性地轉移單個元件或部分元件，并且靜電印章的間距與原始襯底上Micro-LED顯示器件的間距不必相同，因此轉移非常靈活。然而，在靜電感應過程中施加到靜電印章上的電壓很可能會導致 LED 被擊穿，從而損壞Micro-LED顯示器件。
PARC開發了一種確定性的、定向的、并行的MicroLED靜電組裝和轉移工藝[8]。可以生成動態電場模式主動控制單個芯片的運動，將它們排列成確定性的模式，然后轉移到目標襯底上，通過投影儀進行尋址，以實現陣列的有源矩陣尋址。也可以使用帶有互補金屬氧化物半導體CMOS或大面積薄膜晶體管背板TFT的全電子有源矩陣尋址，實現了自動并行組裝、微米級配準及異構集成等功能。
流體自組裝轉移技術
流體自組裝 (Fluidically Selfassembled，FSA) 技術通過重力和毛細管力來驅動和捕獲驅動集成電路陣列表面上的MicroLED顯示器件。從而實現Micro-LED的大規模轉移。以富士康旗下的elux公司提出的FSA為代表，其轉移技術是將大量Micro-LED顯示器件放置于轉移系統中，以流體力或磁力轉移作用力使得芯片以一定的速度快速移動，以動態注入速率穿過目標襯底，然后懸浮液體將MicroLED顯示器件捕獲在孔中，同時液體還被作為介質以實現器件和襯底之間電氣和機械連接，并自行完成與襯底相應組裝位置的對位組裝。
據報道，每小時可以實現超過5000萬個設備的填充( 傳輸 ) 速率。Yeh等人通過流體自組裝技術實現了從生長晶片到硅襯底的梯形砷化鎵基板的轉移，其過程如圖7所示。
圖7 流體自組裝轉移技術示意圖
Cho等采用流體自組裝方式，將圓形芯片、表面具有低熔點合金涂層的襯底和自組裝溶液放在一起，加熱并振蕩，Micro-LED顯示器件在流動時被低熔點合金捕獲并與襯底形成電氣連接，在1分鐘內將1.9萬多塊藍色Micro-LED組裝在襯底上，成功率達到99.9%[9]。
化學剝離轉移技術
化學剝離是指通過選擇性蝕刻工藝將LED從藍寶石基板上分離。Chan等介紹了一種納米級LED的化學剝離方法，結合膠體光刻和光電化學刻蝕，具有通過金屬有機化學氣相沉積外延生長的活性和犧牲多量子阱層，并釋放到溶液中蝕刻犧牲MQW層[10]。優化蝕刻條件以最大限度地減少咬邊粗糙度，從而限制對有源MQW層的損壞。可將LED與襯底有效分離。
總而言之，相比于激光剝離轉移技術，化學剝離轉移技術不需要使用高功率深紫外激光器，成本更低，制程時間更短，可用于柔性器件的巨量轉移。
04 結論
本文介紹了Micro-LED顯示技術，對Micro-LED的基本結構和原理、重點技術鏈進行了論述，對巨量轉移熱門技術方案做出了分析。作為產業鏈的新興環節，巨量轉移被視為影響良率以及產能釋放的核心因素，也是各大廠商聚焦攻堅的地區。
盡管存在瓶頸，Micro-LED顯示技術的開發者們在其巨大市場潛力激勵下，仍然對Micro-LED顯示器的潛力相當樂觀。預計在不久的未來，如增強現實/虛擬現實、裸眼3D投影、智能頭戴式設備、智能手表等MicroLED相關產業的商品轉化將成為現實。
隨著工藝技術越來越成熟，LED尺寸將越做越小，可以預見的是LED器件必然會達到納米級別。若真的研制成功，世界范圍的顯示產業將迎來一場巨大的變革。而現階段世界各國對于微型LED顯示的研究時間都很短，我們可以在這個難得契機中抓緊時間，快速發展，將有極大可能在未來的顯示領域中實現反超。
作者簡介
陳榮，中國福建光電信息科學與技術創新實驗室，工程師；研究方向：Micro-LED 顯示技術。
王堃，福州大學物理與信息工程學院，博士研究生；研究方向：納米發光顯示技術。
余永燊，中國福建光電信息科學與技術創新實驗室，工程師。研究方向：納米發光顯示技術。
吳朝興，福州大學物理與信息工程學院，教授；研究方向：納米發光顯示技術。
嚴群，福州大學物理與信息工程學院，教授；研究方向：Micro-LED 顯示技術。
孫捷，福州大學物理與信息工程學院，教授；研究方向：Micro-LED 顯示技術。
周雄圖，福州大學物理與信息工程學院，教授；研究方向：信息顯示技術。
