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华南理工大学团队：高良率Micro LED显示屏制造中的挑战

近眼显示

2024-09-02

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Micro LED是一种新型显示技术，在亮度、分辨率、对比度、能耗和响应速度等方面相比于现有的主流显示技术具有巨大的优势，被认为是下一代显示技术。然而，在Micro LED显示屏的制造过程中，如何生产出高质量、无缺陷的Micro LED芯片，并在整个长制造链中实现无损加工，保证Micro LED芯片的良率是一个很大的难题，这极大地限制了Micro LED显示屏的商业化。

近日，华南理工大学李宗涛和李家声领导的研究团队在国际期刊《Journal of Physics D: Applied Physics》2024年第4期发表了题为“Challenges of high-yield manufacture in micro-light-emitting diodes displays: chip fabrication, mass transfer, and detection”的综述文章（https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad6ce3），系统得总结了近些年来制造高良率Micro LED显示屏中的前沿技术与挑战。

内容简介

Micro LED芯片往往以阵列的形式制造，首先选择合适的材料作为衬底，在衬底上外延生长出芯片的各层结构，再利用刻蚀工艺将外延晶片上的LED结构切割成Micro LED芯片阵列。为了满足Micro LED显示器的高良率要求，制造出来的Micro LED芯片往往需要很高的品质，甚至需要实现接近零的缺陷水平。

在芯片制造这一环节，获得完美良率的技术挑战包括提升外延晶圆品质、减少外延晶圆缺陷、避免刻蚀引起的侧壁缺陷等。这些影响芯片良率，造成芯片缺陷的因素都来自于外延生长、刻蚀等工艺，往往通过完善这些工艺得以提高芯片的品质。

巨量转移是Micro LED应用于显示的关键一步，也是目前Micro LED显示器产业化过程中遇到的一个技术难题。巨量转移是指将Micro LED芯片与源基板分离并批量拾取，然后单独或成组转移到显示基板对应的像素电极上。由于工业化生产要求巨量转移良率不低于99.9999%，芯片转移误差不超过±1.5μm，转移效率大于50~100M/h，传统的芯片转移、封装等技术手段无法达到工业需求，巨量转移技术已经成为制约Micro LED显示量产的技术瓶颈。

为了应对Micro LED显示器制造中的巨量转移挑战，目前已经发展了精准拾取转移技术、自对准滚轮转印技术、自组装转移技术、激光辅助转移技术等多种巨量转移技术。巨量转移的核心过程有两个，一个是将芯片从衬底上剥离，另一个是将芯片连接到显示基板上。在将Micro LED芯片从衬底上剥离下来的过程中，由于剥离力的作用，芯片表面可能会出现裂纹、划痕等损伤，从而影响芯片的品质和寿命。

在将Micro LED芯片转移到目标基板上的过程中，由于自组装技术的限制，芯片可能会出现错位、损伤等缺陷，从而影响最终的显示良率。无论运用哪种巨量转移技术，主要目的都是提高这两个过程的效率和良率。

使用MOCVD技术在衬底上通过材料沉积进行Micro LED结构外延和刻蚀处理，而后将Micro LED芯片巨量转移到显示器背板上并完成Micro LED与集成器件的连接，这是制作Micro LED显示器的核心步骤。就算在制作过程中每个步骤全都采用高良率的工艺，但是由于Micro LED用于显示时芯片数目有数百万甚至上千万颗，缺陷像素的出现是不可避免的。

对于工业应用，显示器上的任何缺陷都是不可容忍的，所以对于最终的Micro LED显示良率，除了需要在长制造链中的每个步骤都选择低缺陷工艺外，还需要在生产过程中及时检测出显示芯片中的坏点并进行修复才能保证。理想的检测方法应在降低成本、提高效率的同时避免对LED功能造成任何干扰和损坏。

对于传统的LED，检测过程是容易的，因为大尺寸LED允许用探针连接，甚至可以用肉眼发现坏像素，并用机械去除方法或芯片键合器代替。随着LED的尺寸下降到微米级，探针尺寸可能会大大超过被检测的LED，并导致检测困难。同时，LED尺寸的减小要求电路、传感器等连接也应相应地小型化。为此，用传统方法检测和修复大量Micro LED芯片是很难实现的，人们迫切需要新的检测和修复技术。

最后，指出了制造高良率Micro LED显示屏的技术方向。提高Micro LED芯片制造的制造良率需要精确控制外延片外延生长过程中的转速、温度和气体流速等参数。在芯片制造过程中，这种控制仍然是制造满足生产良率要求的高质量Micro LED芯片的关键研究重点。在避免侧壁缺陷方面，使用纳米粒子和图案模板直接生长微型led芯片结构显示出前景，值得进一步研究。

此外，QMAT衬底技术与LLO技术相结合，在后续阶段具有提高转移良率的潜力。在芯片转移过程中，LLO技术是一种非常有前途的高收率芯片剥离方法。在LLO剥离工艺中，激光参数与界面粘附之间的调节机制有待进一步探索。微管技术非常适合TFT工艺，证明适合在TFT背板上连接剥离的Micro LED芯片。

对于小型Micro LED显示产品，可以考虑采用单片集成技术替代传质过程。在芯片检测过程中，一种有效的方案是采用AOI检测技术来识别具有外观缺陷和EL照射亮度异常的Micro LED芯片。该方案能够高效、准确地检测大量Micro LED芯片。芯片修复工作在很大程度上依赖于芯片转移技术，这为更换缺陷芯片提供了方便的解决方案。

芯片制造、传质和检测这三个工艺步骤是相互关联和相互依赖的，需要它们之间的合作来确保Micro LED显示屏的良率。

图1 Micro LED芯片制造、芯片转移和芯片检测环节的基本工艺，以及常用技术②③④⑤⑥⑦⑧⑨Binhai Yu et al 2024 J. Phys. D: Appl. Phys. 57 463001（引用文献：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）

图2 Micro LED芯片制造中外延生长出的高质量LED结构（引用文献：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）

图3 Micro LED芯片制造中的刻蚀技术与纳米线生长技术（引用文献：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）

图4 Micro LED芯片制造中的衬底技术（引用文献：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）

图5 Micro LED芯片激光巨量转移技术（引用文献：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）

图6 微管技术与单片集成技术（引用文献：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）

图7 Micro LED芯片检测技术（引用文献：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）