收稿日期:2021-05-06
Micro-LED 显示器量化生产
关键技术
蔡克新
(中电科风华信息装备股份有限公司，山西太原030024)
摘
要：为快速推动Micro-LED 显示器产业化发展，结合Micro-LED 微显示器的性能特点、制造
工艺流程和产品应用优势，重点分析了基于硅/蓝宝石衬底的GaN 外延生长技术、芯片侧壁原子层沉积技术、芯片转移和晶圆级键合等技术。通过显示产业材料、工艺设备、芯片制造、终端应用全产业链的上下游协同创新，快速突破Micro-LED 量化生产关键技术，必将提升Micro-LED 的产业化技术能力，带来新一轮显示技术升级换代。
关键词：新型平板显示；微缩化发光二极管；有机化合物化学气相沉积；原子层淀积；晶圆键合中图分类号:TN405
文献标志码:B
文章编号:1004-4507(2021)03-0029-06
Key Technology for Quantification Production of
Micro-LED Display
CAI Kexin
(CETC Fenghua Information-Equipment Co.,Ltd.,Tai Yuan 030024,China )
Abstract:In order to quickly promote the industrialization of micro-LED display development ，combined with the performance characteristics ，manufacturing process and product application advantages of micro-LED display ，emphatically analyzes the GaN epitaxial growth technology based on silicon/sapphire substrate ，chip side wall atomic layer deposition technology ，chip transfer and wafer level bonding technology.Through the upstream and downstream collaborative in
novation of the whole industry chain of display industry materials ，process equipment ，chip manufacturing and terminal application ，the key technologies of micro-LED quantitative production can be quickly broken through ，which will surely enhance the industrial technology capacity of micro-LED and bring a new round of display technology upgrading and upgrading.
Key words:New flat panel display ；Micro-LED ；MOCVD （Metal organic chemical vapor deposition ）；ALD （Atomic layer deposition ）；Wafer bonding
显示器产业技术正朝着高分辨率、高亮度、低功耗和柔性化快速发展，如图1所示，新型平板显示技术主要包括液晶显示（LCD）、等离子显示（PDP）、有机发光二极管显示（OLED）和微缩化发光二极管显示（Micro-LED）等几类，其中薄膜晶体管液晶显示屏(TFT-LCD)、有源矩阵有机发光显示器件(AMOLED)和Micro-LED属于半导体显示技术，目前LCD和OLED显示技术相对成熟。
图1平板显示技术分类示意图
Micro-LED是新型显示技术与发光二极管(LED)技术复合集成的综合性技术。Micro-LED显示器由形成每个像素的微型LED组成，通常尺寸小于100μm的LED芯片就逐步进入了Mi-cro-LED领域。相较于OL
ED和LCD显示，Mi-cro-LED采用传统的氮化镓LED技术，可支持更高亮度、更大动态范围以及更广域，实现快速更新率、广视角与更低功耗，在很多情况下它将比LCD和OLED显示发挥更独特的效果。
如表1所示，由于LCD显示芯片需要LED 背光源且长期点亮，不跟随显示信息自动调整光暗，大部分LED光会被其他光学组件或芯片损耗，LCD显示芯片显示亮度仅占2.8%，光源利用率极低；而硅基OLED虽然功耗较低，可跟随显示信息调整发光功率，但受到有机发光材料本身的物理特性限制，存在亮度低、不耐高温、寿命短、可靠性不高等性能缺点。因此，LCD和OLED显示技术在一些新型应用领域受到限制。
表1主要平板显示技术性能对比表
显示技术
技术类型
发光效率
亮度/（cd·m-2）
对比度
显示度
寿命/h
响应时间
能耗
工作温度/℃像素密度（PPI）
LCD
液晶盒+背光模组
低
3000
5000:1
75%NTSC
60000
毫秒级
高
-40～100
800
OLED
自发光
中等
1000
10000:1
124%NTSC
20000～30000
微秒级
约为LCD的60%～80%
-30～85
500
Micro-LED
自发光
高
10000
1000000:1
140%NTSC
80000～100000
纳秒级
约为LCD的30%～40%
-100～120聚美优品陈欧冯婴翘
＞2000
比较而言，硅衬底氮化镓Micro-LED芯片与主动式硅基CMOS芯片显示驱动芯片相结合，形成一种具有高发光效率和彩更加鲜明的微显示模块，由于自发光氮化镓Micro-LED芯片无需背光，减少了各种聚光和投射组件，可大大缩小光机体积，而且每个Micro-LED像素独立开关，光效和对比度能独立提升。Micro-LED因其体积小、灵活性高、易于拆解合并等特点，能够应用在现有的任何显示场景中。针对Micro-LED显示器终端应用，Micro-LED芯片尺寸主要分为3个区间：面向超大屏幕显示，芯片尺寸大约是40～90滋m，将在高净值的电视墙领域开始渗透，随着技术进步
平板显示技术（FPD）
等离子技术（PDP）
OLED
Micro-LED
液晶显示技术（LCD）
PMOLED
AMOLED
TFT-LCD
STN-LCD
TN-LCD
CSTN-LCD
半导体技术
自
发
光
非
自
发
光
和成本进一步下降，将开始应用到超过1905mm （75英寸）的4K或者8K高端大型面板电视市场；面向小尺寸屏幕，芯片尺寸大约是20～50μm，将在智能手表和可穿戴智能设备领域开始商用；面向高PPI的AR和VR显示，芯片尺寸则需要小至10μm。
1Micro-LED微显示器制造工艺流程
Micro-LED微显示器生产制造主要包括衬底外延生长、芯片制造、电路互联键合、性能检测等环节，
各环节都有相应的材料、工艺、设备等关键技术要求。Micro-LED微显示器基本工艺流程如图2所示。
137端口
1.1GaN外延生长
基于蓝宝石或硅衬底晶片，采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)工艺设备，不断优化热场模型、气流等工艺参数，降低外延材料的热适配，减少氮化镓材料生长过程中的杂质和缺陷，从而获得具有低电流密度高峰值效率的氮化镓外延片[1]。通常要求GaN外延片的发光波长波动小于±1nm，外延生长过程中，生长温度、气体流量、压力等生长条件都会影响到外延生长的材料质量，合适的生长条件的选择，充分满足外延生长过程时气体的层流状态，可以减少位错密度及表面缺陷的产生。
图2Micro-LED器件制造工艺流程
1.2Micro-LED芯片制造
在单晶硅表面，采用成熟CMOS工艺的光刻以及金属沉积技术制备出可以发蓝光的纳米线LED单元发光体，过程中不涉及任何特殊的与CMOS工艺不相容的材料。再通过蓝光纳米线LED发光元器件与彩转换层配合的方式，完成彩Micro-LED显示像素单元的制备。克服大尺寸衬底上LED外延层应力、缺陷调控的难题，在大尺寸Si衬底上获得高光效、波长/亮度均匀性高、易于剥离的蓝/绿光LED外延片的制备技术。
1.3Micro-LED芯片巨量转移
采用GaN蓝光/紫外LED芯片结合红绿光转换材料，可以减少巨量转移难度，也可以不采用巨量转移，用外延级焊接或薄膜转移方法，这需要与外延端和封装端密切配合。采用高精度高良品率晶圆键合工艺[2]，实现Micro-LED芯片与驱动芯片的电气互联，要求键合良品率95%以上、最小凸点间距8μm。1.4Micro-LED器件性能检测
传统大尺寸LED测试技术，主要包括光致发光测试（PL)及电致发光测试(EL)两部分。PL测试能在不接触且不损坏LED芯片的情况下，对LED 芯片进行测试，但检测效果与EL测试相比略为逊，可能无法检测出所有瑕疵，因此在一定程度上会降低后续的生产良率。而EL测试通过对LED芯片加以电流来进行测试，能够出更多缺陷，却可能因与芯粒接触而造成芯片损伤。而Micro-LED由于芯片体积过小，传统测试设备难以适用，因此EL检测的难度相当高。但是PL测试又可能出现电学上不良器件检测的遗漏，造成检测可靠性不高。因此，需开发新的测试技术以提高Micro-LED器件的检测速度、可靠性和成本。
2GaN外延生长工艺技术
Micro-LED芯片尺寸是传统LED芯片的几十分之一、甚至更小，无法再使用传统的LED芯片挑拣与分选技术。Micro-LED外延片波长均匀性
麦洛洛
外延生长
芯片
制造
巨量
转移
性能
检测
外延片
Micro-LED
芯片
Micro-LED
岑怡诺器件
智能手机
可穿戴设备
VR/AR设备
…
硅/蓝宝石
衬底
韩寒是谁
CMOS 驱动芯片
需控制在0.8nm或更小，需要极高的波长均匀性。波长均匀性控制是Micro-LED芯片外延生长工艺的技术难点[2]。外延衬底材料和MOCVD工艺设备对波长均匀性控制起重要作用。2.1外延衬底材料
目前主流的外延衬底材料为硅衬底和蓝宝石衬底，2种衬底材料方案比较如表2所示。
表22种外延衬底方案对比
硅衬底
蓝宝石衬底200mm(8英寸)、
300mm(12英寸)衬底制
备工艺技术已完全成熟，
生产加工成本相对便宜
更大尺寸的晶体生长、加
工工艺存在技术难点
与GaN材料之间存在
更大的晶格适配和热应
力适配，外延片表面容
易造成龟裂。
表面需要制作电极，造
成有效发光面积减少；
200mm(8英寸)晶圆技
术尚待开发
对外延生长技
术要求更高
低表面缺陷
衬底的设计
和实现
不同外延衬底之间规格的一致性，对波长均匀性的控制非常重要。在外延材料的生长中，衬底不同厚
度及尺寸的大小对外延生长的应力控制水平会存在差异。一般说来，衬底越厚，均匀性也越容易控制；但衬底尺寸越大，均匀性越难控制。对影响波长均匀性的规格参数要严格把关，严格控制衬底的来料规格，对衬底厚度及尺寸的大小要求，可综合考虑成本、效率及工艺要求等因素，选择最佳的衬底厚度及尺寸。
2.2新型MOCVD设备
外延片的波长均匀性和MOCVD设备及外延工艺相关，MOCVD外延工艺主要依赖于MOCVD 设备和腔体设计的发展[2]。不同的MOCVD设备，由于其气流模型及温场控制的水平不同，其生长出来的外延片的波长均匀性水平也会不同，而外延片的波长均匀性水平和MOCVD设备性能相关，因此需要采用均匀性更好的新型MOCVD设备。针对Micro-LED应用对波长均匀性的高要求，在LED 外延生长过程中，需要对新型MOCVD设备的流场作进一步的优化。
基于Micro-LED对外延片的表面颗粒度的苛刻要求，在兼顾维护周期长的同时，需要开发减少预反应的MOCVD腔体以抑制外延生长过程中所产生的表面颗粒度；并且为了避免在衬底或托盘传输过程中，可能产生的颗粒，需要引入全新的传输模式以最大限度地减少外延片中间过程的颗粒生成。其次，MOCVD的设备维护过程可能是外延生长车间的颗粒污染来源，需考虑如何控制在维护过程中颗粒物的扩散对外延车间洁净度的影响，如：将MOCVD托盘装卸区域与腔体区域的环境隔离等。此外，
考虑到石墨托盘也可能是影响外延片表面颗粒度的来源之一，外延生长可能需更严格管控石墨盘的使用状况及烘烤工艺。
3Micro-LED芯片侧壁原子层沉积技术
不同于传统LED芯片，Micro-LED芯片由于芯片尺寸小，芯片侧面的出光面积占芯片整个出光面积的比例较高，所以提高芯片侧面的出光率成为提高Micro-LED芯片出光率的重要手段。可通过增加芯片侧壁保护层、芯片侧壁反射面积和反射率，提高芯片侧壁出光率，其中重点要突破原子层沉积(ALD)等先进工艺技术。
原子层沉积(ALD)是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在衬底表面的方法，当需要精确控制沉积厚度、台阶覆盖和保形性时选用的新技术，是超越化学气相沉积（CVD）的技术[3]。ALD是通过化学反应得到生成物，但在沉积反应原理、沉积反应条件的要求和沉积层的质量上都与传统的CVD不同，在传统CVD工艺过程中，化学蒸汽不断通入真空室内，因此该沉积过程是连续的，沉积薄膜的厚度与温度、压力、气体流量以及流动的均匀性、时间等多种因素有关；在ALD
良好的导热、导电性能，硅衬底LED 具有高性能和长寿命；
硅衬底可以实现无损剥离，能消除衬底和GaN层的应力
透光性能好、耐高温、抗腐蚀；与GaN 材料之间的晶格和热应力适配度低；50mm(2英寸)～150mm(6英寸)成熟度较高
工艺过程中，则是将不同的反应前驱物以气体脉冲的形式交替送入反应室中，因此并非一个连续的工艺过程。相对于传统的沉积工艺而言，ALD 在膜层的均匀性、阶梯覆盖率以及厚度控制等方面都具有明显的优势。
原子层沉积工艺对具有高深宽比(HAR)结构形貌有着良好的保形性[4]。为了充分利用这一特征优势，ALD 设备需要有一个良好的真空反应腔，能使用户具有所需的灵活性以使样品在反应气体中具有适度的暴露时间。脉冲式通入少量的前驱反应气体并在反应腔中停留较长的时间，可增加样品在生长化学气氛中的暴露时间，这是在具有复杂几何形状和高深宽比结构的样品上沉积具有良好保形性薄膜的关键。Micro-LED 芯片薄膜沉积采用ALD 工艺主要有以下优点：
●可以通过控制反应周期数精确地控制沉积薄膜的厚度，形成达到原子层厚度精度的薄膜；
●不需要控制反应物流量的均一性；●前驱体是饱和化学吸附，保证生成大面积均匀性的薄膜；
手机怎么连接电视●可生成极好的三维保形性化学计量薄膜，作为台阶覆盖的涂层；
●可以沉积多组份纳米薄层和混合氧化物；●薄膜生长可在低温(室温到400℃)下进行；●可广泛适用于多种形状的衬底。
4Micro-LED 芯片巨量转移技术
外延芯片结束后，需要把数百万甚至数千万颗微米级LED 晶粒正确且高效地
移动到驱动电路
基板上，这种技术叫做巨量转移。现有的设备和工艺无法满足Micro-LED 量产化的需求，不仅制作成本高，同时生产效率也很低。因此，Micro-LED 量产化应用的实现，巨量转移是其得以有效发展的第一步。不同的Micro-LED 巨量转移技术具有不同的技术特性，未来针对不同的显示产品，可能会有相对适合的解决方案。现有的巨量转移技术主要分为芯片转移和晶圆级键合两大类。4.1芯片转移技术
芯片转移主要是通过剥离LED 衬底，以临时衬底承载LED 外延薄膜层，再利用感应耦合等离子蚀刻，形成微米等级的Micro-LED 外延薄膜结构；或者先利用感应耦合等离子蚀刻，形成微米等级的Micro-LED 外延薄膜结构，通过剥离LED 衬底，再通过临时衬底承载LED 外延薄膜结构。芯片转移技术分为物理方式和化学方式，如图3所示，物理方式主要为电磁力转移、静电吸附和流体装配技术，化学方式主要为范德华力/粘力、激光转移以及滚轴转印等。
4.2晶圆级键合技术
键合(Bonding)可以将两种或多种材料（或结
构）结合成为一体，是半导体制造过程中不可缺少的重要环节。硅晶圆直接键合技术是把两片镜面
图3Micro-LED 芯片巨量转移方式
转
移方式
芯片转移
外延级键合
物理方式
化学方式
电磁力转移
静电吸附流体装配
范德华力/粘力
激光转移滚轴转印
ITRI LuxVue （苹果）、
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X-celeprint Sony 、Optovate 、QMAT 、Uniqarta
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