Micro-LED顯示器量化生產關鍵技術

蔡克新

(中電科風華信息裝備股份有限公司，山西太原030024)

顯示器產業技術正朝著高分辨率、高亮度、低功耗和柔性化快速發展，如圖1所示，新型平板顯示技術主要包括液晶顯示（LCD）、等離子顯示（PDP）、有機發光二極管顯示（OLED）和微縮化發光二極管顯示（Micro-LED）等幾類，其中薄膜晶體管液晶顯示屏(TFT-LCD)、有源矩陣有機發光顯示器件(AMOLED)和Micro-LED屬于半導體顯示技術，目前LCD和OLED顯示技術相對成熟。

圖1 平板顯示技術分類示意圖

Micro-LED是新型顯示技術與發光二極管(LED)技術復合集成的綜合性技術。Micro-LED顯示器由形成每個像素的微型LED組成，通常尺寸小于100μm的LED芯片就逐步進入了Micro-LED領域。相較于OLED和LCD顯示，Micro-LED采用傳統的氮化鎵LED技術，可支持更高亮度、更大動態范圍以及更廣色域，實現快速更新率、廣視角與更低功耗，在很多情況下它將比LCD和OLED顯示發揮更獨特的效果。

如表1所示，由于LCD顯示芯片需要LED背光源且長期點亮，不跟隨顯示信息自動調整光暗，大部分LED光會被其他光學組件或芯片損耗，LCD顯示芯片顯示亮度僅占2.8%，光源利用率極低；而硅基OLED雖然功耗較低，可跟隨顯示信息調整發光功率，但受到有機發光材料本身的物理特性限制，存在亮度低、不耐高溫、壽命短、可靠性不高等性能缺點。因此，LCD和OLED顯示技術在一些新型應用領域受到限制。

比較而言，硅襯底氮化鎵Micro-LED芯片與主動式硅基CMOS芯片顯示驅動芯片相結合，形成一種具有高發光效率和色彩更加鮮明的微顯示模塊，由于自發光氮化鎵Micro-LED芯片無需背光，減少了各種聚光和投射組件，可大大縮小光機體積，而且每個Micro-LED像素獨立開關，光效和對比度能獨立提升。Micro-LED因其體積小、靈活性高、易于拆解合并等特點，能夠應用在現有的任何顯示場景中。針對Micro-LED顯示器終端應用，Micro-LED芯片尺寸主要分為3個區間:面向超大屏幕顯示，芯片尺寸大約是40～90μm，將在高凈值的電視墻領域開始滲透，隨著技術進步和成本進一步下降，將開始應用到超過1 905 mm（75英寸）的4K或者8K高端大型面板電視市場；面向小尺寸屏幕，芯片尺寸大約是20～50μm，將在智能手表和可穿戴智能設備領域開始商用；面向高PPI的AR和VR顯示，芯片尺寸則需要小至10μm。

1 Micro-LED微顯示器制造工藝流程

Micro-LED微顯示器生產制造主要包括襯底外延生長、芯片制造、電路互聯鍵合、性能檢測等環節，各環節都有相應的材料、工藝、設備等關鍵技術要求。Micro-LED微顯示器基本工藝流程如圖2所示。

圖2 Micro-LED器件制造工藝流程

1.1 GaN外延生長

基于藍寶石或硅襯底晶片，采用金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)工藝設備，不斷優化熱場模型、氣流等工藝參數，降低外延材料的熱適配，減少氮化鎵材料生長過程中的雜質和缺陷，從而獲得具有低電流密度高峰值效率的氮化鎵外延片[1]。通常要求GaN外延片的發光波長波動小于±1 nm，外延生長過程中，生長溫度、氣體流量、壓力等生長條件都會影響到外延生長的材料質量，合適的生長條件的選擇，充分滿足外延生長過程時氣體的層流狀態，可以減少位錯密度及表面缺陷的產生。

1.2 Micro-LED芯片制造

在單晶硅表面，采用成熟CMOS工藝的光刻以及金屬沉積技術制備出可以發藍光的納米線LED單元發光體，過程中不涉及任何特殊的與CMOS工藝不相容的材料。再通過藍光納米線LED發光元器件與色彩轉換層配合的方式，完成彩色Micro-LED顯示像素單元的制備。克服大尺寸襯底上LED外延層應力、缺陷調控的難題，在大尺寸Si襯底上獲得高光效、波長/亮度均勻性高、易于剝離的藍/綠光LED外延片的制備技術。

1.3 Micro-LED芯片巨量轉移

采用GaN藍光/紫外LED芯片結合紅綠色光轉換材料，可以減少巨量轉移難度，也可以不采用巨量轉移，用外延級焊接或薄膜轉移方法，這需要與外延端和封裝端密切配合。采用高精度高良品率晶圓鍵合工藝[2]，實現Micro-LED芯片與驅動芯片的電氣互聯，要求鍵合良品率95%以上、最小凸點間距8μm。

1.4 Micro-LED器件性能檢測

傳統大尺寸LED測試技術，主要包括光致發光測試（PL)及電致發光測試(EL)兩部分。PL測試能在不接觸且不損壞LED芯片的情況下，對LED芯片進行測試，但檢測效果與EL測試相比略為遜色，可能無法檢測出所有瑕疵，因此在一定程度上會降低后續的生產良率。而EL測試通過對LED芯片加以電流來進行測試，能夠找出更多缺陷，卻可能因與芯粒接觸而造成芯片損傷。而Micro-LED由于芯片體積過小，傳統測試設備難以適用，因此EL檢測的難度相當高。但是PL測試又可能出現電學上不良器件檢測的遺漏，造成檢測可靠性不高。因此，需開發新的測試技術以提高Micro-LED器件的檢測速度、可靠性和成本。

2 GaN外延生長工藝技術

Micro-LED芯片尺寸是傳統LED芯片的幾十分之一、甚至更小，無法再使用傳統的LED芯片挑揀與分選技術。Micro-LED外延片波長均勻性需控制在0.8 nm或更小，需要極高的波長均勻性。波長均勻性控制是Micro-LED芯片外延生長工藝的技術難點[2]。外延襯底材料和MOCVD工藝設備對波長均勻性控制起重要作用。

2.1 外延襯底材料

目前主流的外延襯底材料為硅襯底和藍寶石襯底，2種襯底材料方案比較如表2所示。

表2 2種外延襯底方案對比

不同外延襯底之間規格的一致性，對波長均勻性的控制非常重要。在外延材料的生長中，襯底不同厚度及尺寸的大小對外延生長的應力控制水平會存在差異。一般說來，襯底越厚，均勻性也越容易控制；但襯底尺寸越大，均勻性越難控制。對影響波長均勻性的規格參數要嚴格把關，嚴格控制襯底的來料規格，對襯底厚度及尺寸的大小要求，可綜合考慮成本、效率及工藝要求等因素，選擇最佳的襯底厚度及尺寸。

2.2 新型MOCVD設備

外延片的波長均勻性和MOCVD設備及外延工藝相關，MOCVD外延工藝主要依賴于MOCVD設備和腔體設計的發展[2]。不同的MOCVD設備，由于其氣流模型及溫場控制的水平不同，其生長出來的外延片的波長均勻性水平也會不同，而外延片的波長均勻性水平和MOCVD設備性能相關，因此需要采用均勻性更好的新型MOCVD設備。針對Micro-LED應用對波長均勻性的高要求，在LED外延生長過程中，需要對新型MOCVD設備的流場作進一步的優化。

基于Micro-LED對外延片的表面顆粒度的苛刻要求，在兼顧維護周期長的同時，需要開發減少預反應的MOCVD腔體以抑制外延生長過程中所產生的表面顆粒度；并且為了避免在襯底或托盤傳輸過程中，可能產生的顆粒，需要引入全新的傳輸模式以最大限度地減少外延片中間過程的顆粒生成。其次，MOCVD的設備維護過程可能是外延生長車間的顆粒污染來源，需考慮如何控制在維護過程中顆粒物的擴散對外延車間潔凈度的影響，如：將MOCVD托盤裝卸區域與腔體區域的環境隔離等。此外，考慮到石墨托盤也可能是影響外延片表面顆粒度的來源之一，外延生長可能需更嚴格管控石墨盤的使用狀況及烘烤工藝。

3 Micro-LED芯片側壁原子層沉積技術

不同于傳統LED芯片，Micro-LED芯片由于芯片尺寸小，芯片側面的出光面積占芯片整個出光面積的比例較高，所以提高芯片側面的出光率成為提高Micro-LED芯片出光率的重要手段。可通過增加芯片側壁保護層、芯片側壁反射面積和反射率，提高芯片側壁出光率，其中重點要突破原子層沉積(ALD)等先進工藝技術。

原子層沉積(ALD)是一種可以將物質以單原子膜形式一層一層的鍍在襯底表面的方法，當需要精確控制沉積厚度、臺階覆蓋和保形性時選用的新技術，是超越化學氣相沉積（CVD）的技術[3]。ALD是通過化學反應得到生成物，但在沉積反應原理、沉積反應條件的要求和沉積層的質量上都與傳統的CVD不同，在傳統CVD工藝過程中，化學蒸汽不斷通入真空室內，因此該沉積過程是連續的，沉積薄膜的厚度與溫度、壓力、氣體流量以及流動的均勻性、時間等多種因素有關；在ALD工藝過程中，則是將不同的反應前驅物以氣體脈沖的形式交替送入反應室中，因此并非一個連續的工藝過程。相對于傳統的沉積工藝而言，ALD在膜層的均勻性、階梯覆蓋率以及厚度控制等方面都具有明顯的優勢。

原子層沉積工藝對具有高深寬比(HAR)結構形貌有著良好的保形性[4]。為了充分利用這一特征優勢，ALD設備需要有一個良好的真空反應腔，能使用戶具有所需的靈活性以使樣品在反應氣體中具有適度的暴露時間。脈沖式通入少量的前驅反應氣體并在反應腔中停留較長的時間，可增加樣品在生長化學氣氛中的暴露時間，這是在具有復雜幾何形狀和高深寬比結構的樣品上沉積具有良好保形性薄膜的關鍵。Micro-LED芯片薄膜沉積采用ALD工藝主要有以下優點：

●可以通過控制反應周期數精確地控制沉積薄膜的厚度，形成達到原子層厚度精度的薄膜；

●不需要控制反應物流量的均一性；

●前驅體是飽和化學吸附，保證生成大面積均勻性的薄膜；

●可生成極好的三維保形性化學計量薄膜，作為臺階覆蓋的涂層；

●可以沉積多組份納米薄層和混合氧化物；

●薄膜生長可在低溫(室溫到400℃)下進行；

●可廣泛適用于多種形狀的襯底。

4 Micro-LED芯片巨量轉移技術

外延芯片結束后，需要把數百萬甚至數千萬顆微米級LED晶粒正確且高效地 移動到驅動電路基板上，這種技術叫做巨量轉移。現有的設備和工藝無法滿足Micro-LED量產化的需求，不僅制作成本高，同時生產效率也很低。因此，Micro-LED量產化應用的實現，巨量轉移是其得以有效發展的第一步。不同的Micro-LED巨量轉移技術具有不同的技術特性，未來針對不同的顯示產品，可能會有相對適合的解決方案。現有的巨量轉移技術主要分為芯片轉移和晶圓級鍵合兩大類。

4.1 芯片轉移技術

芯片轉移主要是通過剝離LED襯底，以臨時襯底承載LED外延薄膜層，再利用感應耦合等離子蝕刻，形成微米等級的Micro-LED外延薄膜結構；或者先利用感應耦合等離子蝕刻，形成微米等級的Micro-LED外延薄膜結構，通過剝離LED襯底，再通過臨時襯底承載LED外延薄膜結構。芯片轉移技術分為物理方式和化學方式，如圖3所示，物理方式主要為電磁力轉移、靜電吸附和流體裝配技術，化學方式主要為范德華力/粘力、激光轉移以及滾軸轉印等。

圖3 Micro-LED芯片巨量轉移方式

4.2 晶圓級鍵合技術

鍵合(Bonding)可以將兩種或多種材料（或結構）結合成為一體，是半導體制造過程中不可缺少的重要環節。硅晶圓直接鍵合技術是把兩片鏡面拋光晶圓片（氧化或未氧化均可）經表面清洗，在室溫下直接貼合，再經過退火處理提高鍵合強度，將兩片晶圓結合成為一個整體的技術[2]。

Micro-LED制造過程中，晶圓級鍵合技術是將一片單色Micro-LED外延片和一整片CMOS驅動電路晶圓鍵合在一起。晶圓級鍵合要點如圖4所示，首先將一片InGaN藍色Micro-LED外延片和CMOS驅動電路晶圓鍵合在一起，再在該鍵合后的藍色Micro-LED上涂覆色轉換材料，得到紅色和綠色晶圓級Micro-LED，然后通過連續切割制備成單個R/G/B Micro-LED像素，最后將獨立的R/G/B Micro-LED像素轉移到行列導線構成的接收基板。

圖4 Micro-LED芯片晶圓級鍵合示意圖

5 結束語

雖然我國Micro-LED技術的發展起步相對較晚，但面臨重大機遇。隨著國民經濟的快速發展，以及消費能力、品牌消費意識逐步增強，LCD等顯示產業規模已經處于全球領先，特別是第三代半導體材料技術進步明顯，半導體制造設備國產化步伐加大，具備了Micro-LED技術發展的產業、應用需求基礎。

Micro-LED因其體積小、靈活性高、易于拆解合并等特點，能夠在現有的任何顯示場景中應用，并且在很多情況下它將比液晶顯示(LCD)和有機發光二極管(OLED)顯示發揮更獨特的效果。通過我國顯示產業材料、工藝設備、芯片制造、終端應用全產業鏈的上下游協同創新，快速突破GaN外延生長、ALD薄膜沉積、晶圓級鍵合巨量轉移等Micro-LED量化生產關鍵技術，必將推動Micro-LED的產業化發展，帶來新一輪顯示技術升級換代，為我國從制造大國向制造強國增添動力。