Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀?

湯 暉，廖智燊，魏玉章，林志杭，董志強，張曉輝

（1.廣東工業(yè)大學機電工程學院 廣州，510006） （2.廣州納動半導體設備有限公司 廣州，510006）（3.華南理工大學材料科學與工程學院 廣州，510006） （4.季華實驗室 佛山，528255）

引言

5G+8K 大數(shù)據(jù)時代下，Mini/Micro LED 等新型顯示技術(shù)因具備亮度、對比度、色彩范圍、功耗及壽命等方面顯著優(yōu)勢，被視為次世代顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢［1-3］。隨著Mini/Micro LED 芯片不斷微縮（芯片尺寸<50 μm，像素Pitch<2.5 μm），對轉(zhuǎn)移裝備要求不斷提高（精度<±0.25 μm，芯片數(shù)≥1 億顆/屏，效率≥1 000 萬顆/h，良率≥99.999 9%），傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方式難以滿足Mini/Micro LED 封裝制造的苛刻需求，因此芯片規(guī)模化轉(zhuǎn)移與集群封裝技術(shù)（巨量轉(zhuǎn)移）被列入了中國機械工程學會2021—2022 年度“前沿科學問題和工程技術(shù)難題”之一，已成為該領域的國際競爭制高點。我國雖是顯示制造大國（產(chǎn)值超過萬億，產(chǎn)能占全球70%以上），但距“顯示強國”仍有較大差距，關(guān)鍵材料和核心裝備仍依賴進口，我國新型顯示制造產(chǎn)業(yè)面臨卡脖子局面，對材料和設備的國產(chǎn)化需求迫在眉睫［4-5］。

Mini/Micro LED 顯示設備的生產(chǎn)過程主要分為以下部分：①制作微型LED 芯片；②巨量轉(zhuǎn)移封裝與檢測修復；③組裝顯示設備。目前的微型LED 芯片制造技術(shù)可實現(xiàn)在6 英寸（15.24 cm）晶圓上生長出約1.5 億顆微米級LED 芯片，芯片間距小于10 μm。隨著芯片制造工藝與裝備的不斷發(fā)展，芯片間距縮小至5 μm，數(shù)量突破6 億顆［6-7］。因此，巨量轉(zhuǎn)移封裝需要高效地將大量的芯片精準轉(zhuǎn)移到電路基板上，然而目前封裝技術(shù)效率較低。例如，韓國三星制作75 英寸（190.5 cm）的Micro LED顯示面板時，運用單頭轉(zhuǎn)移技術(shù)將2 400 萬余顆微型LED 芯片從晶圓上轉(zhuǎn)移到基板上封裝，需要耗時高達57 天［8］。巨量轉(zhuǎn)移封裝的效率良率保障機制是Mini/Micro LED 顯示技術(shù)走向批量化生產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸。

Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移封裝主要涉及到以下核心技術(shù)：巨量轉(zhuǎn)移工藝、微納平臺對位技術(shù)以及視覺檢測技術(shù)。巨量轉(zhuǎn)移是將芯片從源基板轉(zhuǎn)移到目標基板上，不同的工藝方法不僅在工作原理上有區(qū)別，轉(zhuǎn)移速率也有很大不同。微納平臺對位技術(shù)是將源基板和目標基板進行精確對位，從而實現(xiàn)芯片精準轉(zhuǎn)移到指定微型凹槽中。視覺檢測技術(shù)是利用機器視覺實時精準檢測芯片對位和芯片缺陷，并利用視覺伺服驅(qū)動運動平臺和轉(zhuǎn)移裝置實現(xiàn)芯片精準對位和修復缺陷芯片。微納平臺對位技術(shù)和視覺檢測技術(shù)需要協(xié)同配合，從而提高巨量轉(zhuǎn)移的速度和精度。在不同的巨量轉(zhuǎn)移工藝中，絕大部分都需要利用微納平臺對位技術(shù)與視覺檢測技術(shù)［9-11］。因此，筆者將微納平臺對位技術(shù)與視覺檢測技術(shù)歸納為Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移的通用關(guān)鍵技術(shù)并進行重點研究。

1 巨量轉(zhuǎn)移工藝及裝備概述

根據(jù)不同的工作原理，主要有3 種Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移工藝方法：接觸式微轉(zhuǎn)印技術(shù)（micro transfer printing，簡稱μTP）、非接觸式激光轉(zhuǎn)移技術(shù)（laser mass transfer，簡稱LMT）和自組裝轉(zhuǎn)移技術(shù)（self-assembly transfer，簡稱 SAT）。

1.1 接觸式微轉(zhuǎn)印技術(shù)

接觸式微轉(zhuǎn)印技術(shù)是通過物理接觸的方式，將微型LED 芯片從源基板轉(zhuǎn)移到目標基板上，其工作原理如圖1 所示。根據(jù)與芯片接觸原理的不同，接觸微轉(zhuǎn)印技術(shù)可分為4 種：靜電力吸附轉(zhuǎn)移、范德華力粘附轉(zhuǎn)移、電磁力吸附轉(zhuǎn)移和機械式轉(zhuǎn)移。

圖1 接觸式微轉(zhuǎn)印工作原理Fig.1 Principle of μTP

1.1.1 靜電力吸附轉(zhuǎn)移

靜電力吸附轉(zhuǎn)移基于異種電荷互吸原理，分別對轉(zhuǎn)移頭陣列與芯片陣列選擇性地施加異性電荷，通過改變電荷大小實現(xiàn)抓取與釋放［12-13］。靜電轉(zhuǎn)移工藝最先是由LuxVue 公司于2012 年提出并一直主導研究，該公司研發(fā)了一整套靜電力吸附轉(zhuǎn)移系統(tǒng)［14］，如圖2 所示。靜電轉(zhuǎn)移工藝是一種可選擇性的陣列化芯片轉(zhuǎn)移工藝，轉(zhuǎn)移效率達到了12 kk/h。但是，該工藝存在以下關(guān)鍵技術(shù)難點：①為保證靜電吸附力的均勻性和避免無效抓取，該工藝對LED 芯片襯底的平整度要求較高；②在轉(zhuǎn)移過程中，靜電轉(zhuǎn)移頭陣列-LED 芯片陣列、LED 芯片陣列-目標基板陣列需要保證空間內(nèi)的多維高精對位；③電極轉(zhuǎn)移頭電壓需要精準控制，過大會損壞芯片，過小則無法提供足夠的靜電力。

圖2 LuxVue 公司靜電力吸附轉(zhuǎn)移系統(tǒng)Fig.2 Electrostatic transfer system of LuxVue

1.1.2 范德華力粘附轉(zhuǎn)移

范德華力粘附轉(zhuǎn)移工藝是基于分子間作用力的工藝，通常是利用聚二甲基硅氧烷（Poly dimethylsiloxane，簡稱PDMS）與微型LED 芯片材料的粘附關(guān)系來實現(xiàn)芯片的拾取與釋放，實現(xiàn)方式主要有印章式轉(zhuǎn)移與滾軸式轉(zhuǎn)印。

印章式巨量轉(zhuǎn)移方案與裝備如圖3 所示，其中PDMS 印章頭的結(jié)構(gòu)是獨特的核心關(guān)鍵技術(shù)。圖3（a）為美國X-Celeprint 公司設計的模制柱型印章頭［15］，增加了拾取芯片的數(shù)量，提高了芯片的轉(zhuǎn)移效率；圖3（b）為美國貝克曼研究所設計的帶有金字塔狀微尖的印章頭［16］，能更好地控制印章/芯片界面的粘附力，轉(zhuǎn)移率達1 kk/h；圖3（c）為美國X Display 公司的印章式轉(zhuǎn)移設備［17］。印章式轉(zhuǎn)移技術(shù)是一種無選擇性的陣列轉(zhuǎn)移方法，該工藝的關(guān)鍵技術(shù)難點有：①PDMS 材料的制作與印章頭的優(yōu)化；②印章頭、芯片陣列與目標基板的空間精準對位。

圖3 印章式巨量轉(zhuǎn)移方案與裝備Fig.3 Stamp transfer scheme and equipment

滾軸式轉(zhuǎn)印方案與設備如圖4 所示［18］，該技術(shù)是把印章集成在滾輪上，利用印章頭把LED 芯片從源基板中拾取，并滾動壓印到目標基板。圖4（a）為韓國機械與材料研究所（KIMM）基于這個原理設計的滾軸式轉(zhuǎn)印系統(tǒng)［19-20］；圖4（b）為美國密歇根大學與德國Temicon 公司設計的基于雙滾軸、傳送帶、UV 光源和機電系統(tǒng)協(xié)同配合的大面積納米壓印光刻轉(zhuǎn)移系統(tǒng)［21-22］，可實現(xiàn)柔性基底的大尺寸屏幕生產(chǎn)，轉(zhuǎn)移速率可達3.6～36 kk/h。

圖4 滾軸式轉(zhuǎn)印方案與設備Fig.4 Roller transfer schemes and equipment

該工藝的關(guān)鍵技術(shù)難點是多系統(tǒng)的協(xié)同控制，以及其制備的柔性顯示器允許的最大機械拉伸變形只能達到40%。

1.1.3 電磁力吸附轉(zhuǎn)移

電磁力吸附轉(zhuǎn)移是一種通過控制磁性微機電系統(tǒng)陣列選擇性地吸取和放置LED 芯片的工藝。這種工藝中電壓電流沒有直接作用在LED 芯片上，避免了對LED 的電學損壞［23］，其中的關(guān)鍵技術(shù)難點是：①較高的磁性材料的均勻性要求；②電磁編程模塊的設計。

1.1.4 機械式轉(zhuǎn)移

機械式轉(zhuǎn)移工藝也稱為機械刺晶，是一種新型板上芯片（chip on board，簡稱COB）倒裝轉(zhuǎn)移工藝，其原理如圖5 所示，將LED 芯片-頂針-基板精準對齊，頂針直接從藍膜背面將芯片刺向基板完成轉(zhuǎn)移。機械式轉(zhuǎn)移設備如圖6 所示，其中：圖6（a）為美國Rohinni 結(jié)合刺晶轉(zhuǎn)移工藝與陣列轉(zhuǎn)移技術(shù)開發(fā)的一套Mini LED 芯片轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)移效率為0.36 kk/h［24］；圖6（b）為普萊信開發(fā)的Mini LED 刺晶轉(zhuǎn)移設備，其轉(zhuǎn)移效率為0.18 kk/h［25］。

圖5 刺晶倒裝COB 轉(zhuǎn)移技術(shù)Fig.5 Pin-ejector transfer technique of COB

圖6 機械式轉(zhuǎn)移設備Fig.6 Mechanical transfer equipment

機械刺晶轉(zhuǎn)移有效地簡化了真空吸附轉(zhuǎn)移工藝的流程，大幅度提升了轉(zhuǎn)移效率。該工藝存在3 項技術(shù)難點：①轉(zhuǎn)移過程中運動平臺與刺晶頭的高頻運動容易引起非線性振動，限制轉(zhuǎn)移的效率與良率；②該工藝的芯片載體是藍膜，降低膜的延展性與可塑性對轉(zhuǎn)移芯片的影響是提升機械刺晶轉(zhuǎn)移速率與良率的關(guān)鍵。

1.2 非接觸式激光轉(zhuǎn)移技術(shù)

激光巨量轉(zhuǎn)移工藝如圖7 所示，是一種利用高能激光照射透明基板和芯片間的響應層材料，使之發(fā)生光化學反應并讓芯片剝離掉落的工藝［26-27］。根據(jù)剝落方式可以分為直接剝離式和間接剝離式。直接剝離式激光巨量轉(zhuǎn)移是指使用激光直接照射并燒蝕掉芯片上方的響應層材料，讓芯片自由落體到目標基板上。間接剝離式巨量轉(zhuǎn)移是指通過高能激光誘導響應層產(chǎn)生凸起，在機械力作用下剝離并掉落到基板上。激光式的巨量轉(zhuǎn)移工藝不受機械轉(zhuǎn)移頭的物理性質(zhì)影響，有更高的轉(zhuǎn)移效率、良率以及可選擇性。

圖7 激光巨量轉(zhuǎn)移工藝Fig.7 Laser mass transfer technology

激光巨量轉(zhuǎn)移裝備如圖8 所示，其中德國3D-Micromac 推出了直接激光剝離巨量轉(zhuǎn)移設備，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)移效率達到130 kk/h［28］。日本川崎公司（K&S）、東麗工程株式會社（TORAY）以及我國大族半導體公司推出了響應層光化學反應產(chǎn)生氣泡的間接式激光巨量轉(zhuǎn)移裝備，轉(zhuǎn)移精度<1.5 μm，轉(zhuǎn)移效率為25～100 kk/h［29-31］；美國Coherent 公司推出了光化學反應產(chǎn)生局部凸起的應力輔助間接式激光巨量轉(zhuǎn)移裝備，轉(zhuǎn)移效率<100 kk/h［32］。

圖8 激光巨量轉(zhuǎn)移裝備Fig.8 Laser mass transfer equipment

該工藝存在以下技術(shù)難點：①LED 芯片載體的粘附層材料性能需要提升，粘附層的成本以及發(fā)生光化學反應的效果都將直接決定轉(zhuǎn)移的效率與良率；②透明基板平面與目標基板平面的對位精度需要嚴格保障，當透明基板與目標基板間的對位和平行度存在誤差時，LED 芯片掉落后難以與目標基板的電極精準對位，從而降低轉(zhuǎn)移良率；③激光器的功率、頻率需要嚴格控制，功率過大會燒蝕LED 芯片，功率不足會影響剝離效果。

1.3 自組裝轉(zhuǎn)移工藝

自組裝轉(zhuǎn)移是通過流體（fluid self-assembly，簡稱FSA）或磁場（magnetic self-assembly，簡稱MSA）推動具有特殊微結(jié)構(gòu)LED 芯片，使得芯片在流動過程中自動調(diào)整姿態(tài)，并掉落到目標電極上，其工藝原理如圖9 所示。流體自主裝工作原理見圖9（a）［33］，自組裝技術(shù)操作簡單，互連寄生效應小，具有低成本、高效率的優(yōu)勢。2021 年，美國eLux 公布了該公司的流體自組裝裝備，見圖9（b），并生產(chǎn)出 12.3 英寸（31.24 cm）Micro LED 顯示器，轉(zhuǎn)移效率為3.1 kk/h［34］。美國麻省理工學院提出一種利用磁力替代流體推動LED 器件的轉(zhuǎn)移工藝，增強了流動的速率及固定力［35］，如圖14（c）所示。

圖9 自組裝轉(zhuǎn)移工藝原理Fig.9 Principle of self-assembly transfer

該工藝存在以下技術(shù)難點：①流體溶液和基板的材料；②LED 芯片與目標基板的微結(jié)構(gòu)的制造；③流體或者磁力的精準控制。

2 巨量轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)概述

除自組裝轉(zhuǎn)移外，當前的巨量轉(zhuǎn)移工藝按芯片轉(zhuǎn)移次數(shù)可以分為2 種：轉(zhuǎn)移2 次（包括靜電力吸附轉(zhuǎn)移、范德華力粘附轉(zhuǎn)移和電磁力吸附轉(zhuǎn)移）；轉(zhuǎn)移1 次（包括機械式轉(zhuǎn)移與激光巨量轉(zhuǎn)移）。巨量轉(zhuǎn)移裝備構(gòu)型如圖10 所示。

圖10 巨量轉(zhuǎn)移裝備構(gòu)型Fig.10 Mass transfer equipment configuration

Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移工藝中的共性流程如下：①通過視覺檢測系統(tǒng)完成目標基板與芯片載體的對位，確定目標芯片及目標基板的位置；②運動平臺搭載芯片轉(zhuǎn)移載體（或源基板）以及目標基板精準地定位到指定位置；③轉(zhuǎn)移頭動作實現(xiàn)轉(zhuǎn)移；④通過視覺檢測系統(tǒng)評估轉(zhuǎn)移質(zhì)量。由此可見，運動平臺定位技術(shù)與視覺檢測技術(shù)是Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵共性技術(shù)。

2.1 運動平臺定位技術(shù)

在Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移過程中，芯片載體與目標基板之間除了xy平面位置的精準對位外，還需要確保兩者之間的空間相對平行。因此，巨量轉(zhuǎn)移使用的運動平臺一般由兩部分組成，即大行程的xy平面運動平臺與空間調(diào)平糾偏裝置。

2.1.1xy平面運動平臺

在Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移中，xy平面運動平臺決定了顯示設備制作的最大尺寸，其精度也會影響轉(zhuǎn)移質(zhì)量，因此xy平面平臺需要滿足大行程、高精度及高速度的要求。當前，使用最廣泛的3 種xy運動平臺為氣浮式、磁浮式和機械式［36］。

氣浮運動平臺與磁浮運動平臺結(jié)構(gòu)相似，主要區(qū)別在于前者使用壓縮空氣產(chǎn)生浮力，后者利用磁阻力或洛倫茲力。以動力的工作形式（支撐/驅(qū)動）劃分，運動平臺可分為氣浮/磁浮導軌支撐平臺和氣浮/磁浮驅(qū)動平臺。氣浮導軌支撐的運動平臺，以靜壓氣浮導軌做支撐，通過各類電機驅(qū)動實現(xiàn)平面運動。靜壓氣浮導軌利用壓縮空氣在導軌間隙形成靜壓空氣薄膜，為負載提供無摩擦的支撐［37］。氣浮運動平臺如圖11 所示，其中：加拿大滑鐵盧大學（UW）研制的T 型氣體靜壓軸承支撐的定位平臺［38］行程可達300 mm×300 mm，運動定位精度達2.4 μm，如圖11（a）所示；上海交通大學（SJTU）采用的雙H型氣浮導軌運動平臺［39］，運動行程為300 mm×300 mm，定位精度達到了±2 μm，如圖11（b）所示。氣浮驅(qū)動平臺是通過動子端的氣壓差實現(xiàn)平面運動，具有無摩擦、高精度的優(yōu)勢，且結(jié)構(gòu)更簡單。氣浮/磁浮運動平臺精度可達納米級，但流體力和磁力控制難，工作環(huán)境苛刻，造價高昂，目前主要應用于高端半導體光刻等對精度要求極高的領域。

圖11 氣浮運動平臺Fig.11 Air bearing motion platform

機械運動平臺通常以滾珠滑臺等機械導軌支撐，以直線電機等驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、承載力大等優(yōu)勢。受限于物理結(jié)構(gòu)與摩擦力，機械平臺運動過程中極易產(chǎn)生機械振動，導致精度限制在微米級，無法滿足Micro LED 的應用需求。宏微復合平臺如圖12 所示，是一種利用高精度微動平臺進行精度補償以及振動抑制的大行程宏動平臺改進策略。美國加州大學（UC）將超聲馬達驅(qū)動的宏平臺與壓電陶瓷驅(qū)動的微平臺進行復合，使平臺的位移分辨率從5 μm 提升到5 nm［40］，如圖12（a）所示；韓國浦項科技大學（PUST）復合了行程為100 mm×200 mm 的宏平臺與100 μm×100 μm 的微平臺，實現(xiàn)了納米級的定位精度［41］，如圖12（b）所示。針對Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移需求，xy平面運動平臺的主要技術(shù)難點如下：①成本控制下的平臺運動精度與響應速度平衡；②宏微復合運動模式中微動平臺中行程、精度與負載的多目標優(yōu)化。

圖12 宏微復合平臺Fig.12 Macro-micro composite motion stage

2.1.2 空間調(diào)平糾偏對位裝置

在巨量轉(zhuǎn)移過程中，調(diào)平糾偏裝置通過調(diào)整目標基板的旋轉(zhuǎn)角度（繞z軸旋轉(zhuǎn)角）、俯仰角度（繞x軸旋轉(zhuǎn)角）及偏擺角度（繞y軸旋轉(zhuǎn)角）以實現(xiàn)空間調(diào)平對位的功能。圖13 所示為3 種常見的需要調(diào)平糾偏的場合。

圖13 調(diào)平糾偏示意圖Fig.13 Schematic diagram of leveling and correction

當芯片釋放平面與目標基板面不是相對平行時，芯片陣列從轉(zhuǎn)移載體上掉落時極易出現(xiàn)芯片與電極錯位的現(xiàn)象，如圖13（a）所示；在巨量轉(zhuǎn)移過程中，為了避免氣流對芯片自由落地的影響，芯片載體與目標基板之間需要保持50 μm 以內(nèi)的間隙，在調(diào)整兩板間隙的過程中，傳感器通常只能測量一側(cè)的距離，假如兩板不平行，可能會導致芯片載體與目標基板間產(chǎn)生碰撞，如圖13（b）所示；在機械刺晶巨量轉(zhuǎn)移工藝中，受限于頂針的工作距離，當目標基板與源基板之間的間隙變大時，極易造成空刺現(xiàn)象，如圖13（c）所示。

綜上所述，現(xiàn)有的巨量轉(zhuǎn)移工藝中，不僅需要xy運動平臺進行平面對位，還需要調(diào)平糾偏裝置進行空間對位，該裝置也是區(qū)別于毫米級LED 芯片轉(zhuǎn)移的重要核心零部件。空間調(diào)平糾偏裝置如圖14所示。

圖14 空間調(diào)平糾偏裝置Fig.14 Tip-tilt stage

圖14（a）為奧地利維也納理工大學（VUT）設計的一種混合磁阻驅(qū)動的二自由度俯仰偏擺裝置，可以實現(xiàn)θx與θy方向±52 mrad 的運動，角分辨率為2.23 nrad［42］；圖14（b）為北京空間機電研究所（BSEI）研制的一種高分辨率6 自由度并聯(lián)機構(gòu)，該機構(gòu)的平移分辨率達到0.2 μm、角度分辨率達到4.8 μrad［43］。Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移中空間調(diào)平糾偏對位系統(tǒng)主要技術(shù)瓶頸可概括如下：

1）在巨量轉(zhuǎn)移中，Mini/Micro LED 調(diào)平糾偏系統(tǒng)需要承載20～25 kg 的負載，然而現(xiàn)有的調(diào)平糾偏裝置負載基本都在10 kg 以下；

2）在巨量轉(zhuǎn)移工藝中，Mini/Micro LED 調(diào)平糾偏系統(tǒng)需要盡可能小的平臺高徑比（高度和直徑的比值），以提高復雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

3）空間調(diào)平糾偏裝置、xy運動平臺以及轉(zhuǎn)移執(zhí)行裝置等多系統(tǒng)間的協(xié)同控制也是一大難點。

2.2 視覺檢測技術(shù)

巨量轉(zhuǎn)移中的視覺檢測技術(shù)如圖15 所示，在Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移過程中，視覺檢測技術(shù)在位置偏差檢測、缺陷檢測中發(fā)揮了重要作用。首先，需要檢測芯片載體與目標基板的姿態(tài)信息并校正角度偏差和空間平行度偏差；其次，完成校正后，檢索目標芯片與對應電極的位置信息，并通過伺服驅(qū)動實現(xiàn)精準對位；最后，轉(zhuǎn)移、固晶之后，對完成轉(zhuǎn)移的目標基板進行質(zhì)量檢測，檢測出的缺陷位置將會反饋給修復設備以完成修復。在整個過程中，視覺檢測技術(shù)與視覺伺服驅(qū)動技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。

圖15 巨量轉(zhuǎn)移中的視覺檢測技術(shù)Fig.15 Visual detection technology in mass transfer

LED 芯片視覺檢測技術(shù)是指對LED 芯片進行檢測識別與精確定位，主要應用于巨量轉(zhuǎn)移前對目標LED 芯片進行選取定位，以及對轉(zhuǎn)移后的目標基板進行缺陷檢測［44］。目前，較為常見的定位檢測方法有模板匹配方法、輪廓提取與查找方法和深度學習方法等。鐘富強等［45］對LED 芯片設計了一種基于鄰近像素點灰度均值的智能可調(diào)閾值的模板匹配算法，其定位檢測精度小于5 μm。盧軍［46］等將類矩形擬合運算應用到方正芯片檢測中，實現(xiàn)目標的面積統(tǒng)計和邊界信息獲取，并對缺陷進行擬合實現(xiàn)定位，其準確率達到100%，定位檢測誤差小于0.25 mm。

對目標LED 芯片選取完成后，利用視覺伺服驅(qū)動運動平臺，使目標芯片與目標電極進行精準對位。Zheng 等［47］提出了一種利用預測模型評估圖像特征信息變化趨勢的方法，在運動控制過程中，預測運動信息并規(guī)劃運動軌跡，以提高視覺伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Xie 等［48］在傳統(tǒng)視覺伺服系統(tǒng)中引入位移傳感器，將圖像采集特征信息與傳感器信息融合，提升了運動系統(tǒng)的精度和響應速度。

Mini/Micro-LED 巨量轉(zhuǎn)移中的視覺檢測技術(shù)仍存在以下難點：①缺陷檢測的效率與準確率需進一步提升；②視覺伺服驅(qū)動的精度與速度需同步提升；③視覺檢測算法在復雜環(huán)境下的精度、穩(wěn)定性與魯棒性綜合保障。

3 前期研究與工作

3.1 主/被動抑振融合自穩(wěn)定納米云臺

面向Micro/OLED 大型高清顯示面板前端制造工藝，即納米尺度物性原子力顯微鏡在線測量的需求，為解決振動、噪聲導致的測量性能難以提升的問題，筆者提出了一種基于柔性連接的自穩(wěn)定納米云臺策略，自主研發(fā)了一種主/被動抑振融合的自穩(wěn)定納米云臺［49］，如圖16 所示。該技術(shù)攻克了產(chǎn)線環(huán)境下大型高清顯示面板前端制造測量寬頻振動抑制的難題，控制帶寬可達500 Hz，隔振率可達90%，穩(wěn)態(tài)精度可達±0.1 μm。

圖16 自穩(wěn)定納米云臺Fig.16 Self-stabilizing nanostage

3.2 Mini/Micro LED 視覺自動光學檢測算法

針對新型顯示面板巨量轉(zhuǎn)移及檢測修復過程中缺陷芯片位置檢測的需求，突破視覺自動光學檢測識別的精度、效率及準確率難以同時保證的瓶頸，筆者提出了一種基于機器視覺的載板-基板近零間隙測量方法，以及“像素-亞像素”自適應切換視覺快速尋邊尋點方法［50-51］，如圖17 所示。開發(fā)的設備定位精度可達0.15 μm，過殺率≤0.03%，漏檢率≤0.01%，檢測效率可達1 000 mm2/s。

圖17 “像素-亞像素”自適應切換視覺算法Fig.17 Pixels and subpixels to visual adaptive and switching algorithm

3.3 多自由度微納調(diào)平糾偏對位系統(tǒng)

針對Mini/Micro LED 芯片巨量轉(zhuǎn)移空間高速、高精對位的需求，以及芯片載板-基板多自由度實時調(diào)平糾偏對位的難題，筆者提出了一種壓電陶瓷與音圈電機復合雙向精密驅(qū)動補償方法，自主研發(fā)大載荷的多自由度微納調(diào)平糾偏對位系統(tǒng)如圖18 所示。該系統(tǒng)z向行程為5 mm，定位精度優(yōu)于100 nm，調(diào)偏精度優(yōu)于±4 μrad，載荷能力>20 kg［52-54］。

圖18 多自由度微納調(diào)平糾偏對位系統(tǒng)Fig.18 Multreedom micro/nanopositioning system for inplane error compensation

3.4 高速多維柔順微納操作技術(shù)

面向大尺寸高清顯示面板Mini LED 芯片巨量轉(zhuǎn)移封裝，針對高密度細間距芯片刺晶速度、精度與質(zhì)量難以同時保證的問題，筆者提出了一種基于柔性鉸鏈的多維柔順飛行刺晶系統(tǒng)如圖19 所示，自主研發(fā)了先進的高速多維柔順微納操作技術(shù)與裝備［55-58］。提出的柔性飛行刺晶新方法，解決了陣列化芯片高速、高加速轉(zhuǎn)移過程軟著陸柔順精準互連的難題，微納刺晶頻率>30 Hz。

圖19 多維柔順飛行刺晶系統(tǒng)Fig.19 Multi-DOF compliant flying eject pin equipment

3.5 大行程壓電電機及納米驅(qū)動控制

面向晶圓制造和高端制造裝備超精密運動驅(qū)動部件，針對大行程、高精度與大載荷難以同時保證的問題，筆者設計了一種新型無回退線性納米壓電電機如圖20 所示，并開發(fā)了一種非對稱的納米電機優(yōu)化控制算法。該納米電機具有納米級分辨率、厘米級運動行程以及無回退、線性運動生成特性，極限分辨率可達1 nm［59-61］。

圖20 無回退線性納米壓電電機Fig.20 Flexure piezomotor with minimized backward and nonlinear motion effect

3.6 熱畸變自消除柔性連接技術(shù)

面向Mini/Micro LED 固晶、焊接等熱加工過程，為滿足加工器件在不同的環(huán)境熱場中穩(wěn)定運行的需求，筆者基于無摩擦、運動學約束和匹配的熱膨脹系數(shù)設計原理，提出了一種可減小熱誤差影響的柔性連接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)60%以上的熱誤差消除。柔性連接作為剛性連接的有效補充，為 MicroLED巨量轉(zhuǎn)移裝備精度和穩(wěn)定性的提升開辟了一條新的路徑［62］。所開發(fā)的熱畸變自消除柔性連接系統(tǒng)如圖21 所示。

圖21 熱畸變自消除柔性連接系統(tǒng)Fig.21 Flexible connection system with thermal distortion self-elimination function

3.7 全自動接近式光刻機

光刻過程中，掩膜版與晶圓之間的間隙值和整面平行度是決定光刻精度和光刻精度均勻性的關(guān)鍵因素。為實現(xiàn)掩膜版與晶圓之間的精準對位，保證掩膜版與晶圓之間的近零間隙快速在線運動設定、整面調(diào)平以及位置實時反饋，筆者針對性地開發(fā)了基于機器視覺的掩膜版-晶圓的近零間隙測量方法，突破掩膜版-晶圓空間多自由度實現(xiàn)調(diào)平糾偏對位的難題，實現(xiàn)了精準對位、間隙快速在線運動設定以及整面調(diào)平。定位精度達100 nm，間隙0～100 μm可調(diào)，調(diào)平精度<±5.5 μrad，載荷能力>20 kg。全自動接近式光刻系統(tǒng)如圖22 所示。

圖22 全自動接近式光刻系統(tǒng)Fig.22 Automatic proximity lithography system

4 討論與展望

當前，Mini LED 顯示設備已經(jīng)實現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)，多數(shù)為單種類芯片的背光板產(chǎn)品，而Micro LED顯示屏目前只處于樣品制造階段。為實現(xiàn)Mini/Micro LED 顯示設備的批量化生產(chǎn)，未來相關(guān)工藝和技術(shù)的發(fā)展方向如下：

1）激光巨量轉(zhuǎn)移工藝的效率高且容易實現(xiàn)，是未來Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移的主流工藝。不同的巨量轉(zhuǎn)移工藝有不同的效率上限，擺臂單顆轉(zhuǎn)移、針刺式轉(zhuǎn)移主要用于實現(xiàn)Mini LED 的轉(zhuǎn)移封裝，速率分別為16 k/h 和50～100 k/h。激光巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)、自組裝技術(shù)以及微轉(zhuǎn)印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移，其中激光巨量轉(zhuǎn)移速率可達300 kk/h，微轉(zhuǎn)印技術(shù)可達12 kk/h，自組裝技術(shù)可達5 kk/h。但是，激光巨量轉(zhuǎn)移在高能高功率的激光器、低成本高性能的粘附層材料、芯片載體與目標基板的精準對位、運動系統(tǒng)與激光系統(tǒng)的協(xié)同操作等領域需要深入研究。

2）微納對位平臺的對位精度、速度和穩(wěn)定性需要同步提升。微納對位平臺包括xy運動平臺與空間調(diào)平糾偏裝置。由于氣浮平臺具有無摩擦、納米級精度以及抗電磁干擾等特性，比較適合Micro-LED 巨量轉(zhuǎn)移的xy運動平臺。由于Mini/Micro-LED 芯片的巨量轉(zhuǎn)移對空間平行度的要求很高，目標基板與芯片載體之間的平行度精度是確保巨量轉(zhuǎn)移精度的重要步驟，加快平行度的調(diào)整速率也能直接加快巨量轉(zhuǎn)移實際效率。除了提高各個平臺的對位精度，平臺間跨尺度協(xié)同控制也非常關(guān)鍵。

3）視覺檢測精度和速度需進一步提高。視覺檢測技術(shù)包括缺陷識別檢測技術(shù)、視覺伺服驅(qū)動技術(shù)及近零間隙的檢測技術(shù)。巨量轉(zhuǎn)移中，由于轉(zhuǎn)移工藝復雜，轉(zhuǎn)移過程精度要求嚴格，高速高精的非接觸視覺檢測技術(shù)將迎來廣泛需求。

5 結(jié)束語

筆者調(diào)研了當前主流Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移工藝和裝備，分析了各個工藝的優(yōu)點以及存在的技術(shù)難點。從主流工藝中總結(jié)了Mini/Micro LED巨量轉(zhuǎn)移的共性關(guān)鍵技術(shù)，即微納平臺對位技術(shù)與視覺檢測技術(shù)，圍繞Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移開展了一系列工作，開發(fā)了系列關(guān)鍵技術(shù)，研制了原型樣機，并討論與展望了未來Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)與裝備的發(fā)展方向。相關(guān)創(chuàng)新成果得到了轉(zhuǎn)化應用，與Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移行業(yè)龍頭企業(yè)合作，開發(fā)了新一代產(chǎn)品設備。