近年來，Micro LED因其功耗低、響應快、壽命長、光效率高等特點，被視為繼LCD、OLED之后的新一代顯示面板技術。Micro LED的英文全名是Micro Light Emitting Diode，中文稱作微發光二極體，也可以寫作μLED，是將傳統LED薄膜化、微小化和矩陣化，使像素點距離從毫米級降低至微米級別，并在一個晶片上高度集成的固體自發光顯示技術 其與常規LED最大的不同在于尺寸，大小相當于人頭發絲的1/10，體積達到了主流LED大小的1%，然而像素尺寸當前還未形成統一的定義。

    Micro LED微米級別的像素間距可以使其覆蓋從中小尺寸顯示到中大尺寸顯示等多個應用場景。相比傳統小間距LED，由于尺寸微縮，顯著提高了顯示解析度和畫質，光學設計上可以使得可視角度更開闊，對比度更高，畫質更好，適合虛擬現實、小型投影儀，微顯示器，可見光通訊，醫學研究等多種多樣的顯示場景。相比OLED，均采用自發光技術顯示，允許集成感測器和電路，從而實現嵌入式感測功能，也可結合柔性襯底實現柔性顯示，從而用于可穿戴/可植入器件、車載顯示等柔性顯示領域 此外，Micro LED清晰度高、亮度高、對比度好，高反應速度等特點非常適合VR、AR等對反應速度有較高要求的可穿戴設備（高亮度和節電適用于戶外穿戴場合）應用。

    Micro LED顯示的概念自2000年 直到2012年，在索尼展示了第一臺Crystal-LED的microLED電視后，Micro LED顯示器才出現在商界視野中，不同研究機構和公司開始主攻微縮制程、全彩化、晶片轉移等瓶頸技術 根據不同應用的顯示面板尺寸的不同，顯示器的制備可分為單片制造技術和巨量轉移技術 單片制造技術是指Micro LED直接在Si、GaN或者Sapphire等基底上制作高解析度顯示器，將LED鍵結于終端顯示基板上，最后用物理或化學機制剝離基板。這種方式避免了復雜的巨量轉移過程，但也只限于構建較小的顯示器，如近眼顯示器、智慧手表等微顯示器，限制了Micro LED的應用場景；另外，每種制程只能在基板上生長一種顏色的燈珠晶片，故這種單片制造技術無法解決RGB全彩顯示。近年研究提出的量子點全彩顯示，采用單個紫外Micro LED發出的光激發其上層覆蓋的紅綠藍三色發光介質，從而實現全彩化，這種彩色化替代技術在未來發展中可能會填補單片制造在全彩化方面的局限性。另一種制造技術是巨量轉移，在源基板上生長LED晶片，然后將LED從源基板上分離并通過某種作用力將晶片快速、準確且可靠地轉移到顯示電子器件上。對于手機、平板和電視等更廣泛的顯示應用場合，在襯底上制作完成后從基板上進行分離，不可避免地需要通過巨量轉移的方式將Micro LED晶片在更大尺寸且帶有邏輯電路的基板上進行組裝，從而滿足應用需求。此外，柔性和可拉伸的光電器件用于可穿戴和生物電子應用近來獲得了廣泛的研究普及，這些應用需要將LED轉移到柔性基板上,亦需要巨量轉移得以實現。然而由于每次轉移的晶片尺寸極小、數量巨大，對轉移制程的精確性和速率要求非常高，成為當前制約Micro LED量產的關鍵技術。

    本文將簡要概述Micro LED巨量轉移技術，分析該技術存在的難點與挑戰。根據在研技術流派的制程過程，可將巨量轉移技術步驟分為基板分離和晶片轉移兩個關鍵制程，將分別闡述每一制程的原理、研究進展及關鍵研究問題，最后展望巨量轉移技術的發展前景。

    1.巨量轉移

圖1 Micro LED制備流程

    由于待轉移的LED晶片尺寸更小，大約為頭發絲的1/10，需要精度很高的精細化操作；一次轉移需要移動幾萬乃至幾十萬顆以上的LED，數量十分巨大，要求有極高的轉移速率，傳統LED晶片在封裝環節，主要采用真空吸取的方式，而真空管的物理極限下只能做到大約80μm，而Micro LED尺寸基本在50μm以下；而當前的轉移設備（Pick ＆ Place）的精密度是±34μm (Multi－chipper Transfer），覆晶固晶機（Flip Chip Bonder）的精密度是±1.5μm （每次移轉為單一晶片）。可見傳統晶片轉移技術無法以經濟且高精度的方式轉移數量達百萬個、尺寸為微米級的晶片

    表1 傳統晶片轉移制程與巨量轉移制程對比

    針對這些問題，許多公司和科研機構基于不同原理已開展大量研究，形成了精準拾取。

圖2 巨量轉移主流技術發展

    精準拾取流派技術主要區別于轉移頭吸附LED作用力的不同。Luxvue公司采用具有雙電極結構的轉移頭，通過靜電力拾取放置晶片，完成從源基板到目標基板的轉移 X-Celeprint采用彈性印章作為轉移頭，利用范德華力拾取晶片，然后放置到目標基板上 隨著技術的發展，巨量轉移不再局限于傳統的拾取制程，雷射驅動轉移技術在轉移中得到應用，以非接觸式的加工技術，實現晶片的批量并行轉移 Uniqarta、Coherent、QMAT公司采用雷射誘導前向轉移（LIFT）制程，通過雷射與材料發生光-物質相互作用而實現晶片的分離，同時產生的局部沖擊力推動晶片向基板轉移。Optovate公司提出p-LLO制程，通過雷射作用GaN分解為氮氣和液態Ga，實現剝離與轉移。此外，elux和Self array公司采用自組裝技術，分別以流體自組裝和磁力自組裝為原理完成LED的自組裝過程。韓國機械與材料研究所( KIMM)提出了自對準滾印轉移技術，通過輥印的方式實現巨量轉移 當前技術基于不同的作用原理取得了一定的研究進展，但仍然存在良率、精度、轉移速率等問題，如何控制成本和良率成為當前商業化的關鍵。

    巨量轉移技術流程分為基板分離和晶片取放兩個關鍵制程：

    （1）基板分離：以某種作用力將晶片與源基板批量整體式分離；

    （2）晶片取放：通過轉移裝置將分離后的Micro LED晶片高精度選擇性地從源基板上拾取并轉移放置在目標顯示基板的特定位置上。

圖3巨量轉移技術流程

    然而由于待轉移的Micro LED尺寸相比主流晶片尺寸更小、集成數量更多，使得傳統的LED基板剝離、轉移技術如機械頂針、真空吸附拾取等制程窗口大大縮小，對技術和成本的要求更高，仍然存在良率、精度等問題，如何控制成本和良率成為了商業化的關鍵。表2 列出了巨量轉移技術不同流派的基板分離技術和拾取作用力。

    表2巨量轉移技術原理

    2.

    Micro LED通常在Si、藍寶石等襯底上生長GaN外延層來制備 為減少生長晶圓尺寸的限制，拓寬到中大尺寸顯示、柔性顯示領域，需要采用襯底去除技術將源基板剝離，當前襯底去除技術主要有機械剝離、化學蝕刻、雷射剝離，如圖4.

圖4 基板分離制程（a）機械剝離技術；（b）化學剝離技術；（c）雷射剝離技術

    機械剝離技術是通過在藍寶石襯底或犧牲層上用溫度較高蝕刻液刻蝕出金字塔 X-Celeprint、KIMM、LuxVue等公司巨量轉移技術中基板分離方式類似這種原理，也通過蝕刻的方式使LED與生長襯底之間以橋式等弱接觸方式連接生長，但剝離外力不同，分別采用范德華力、靜電力或粘附力等作用力下吸附LED，通過調控吸附力使弱接觸結構斷裂，從而實現基板的分離。機械剝離技術原理簡單，剝離后GaN薄膜位錯密度小，但蝕刻操作比較復雜，實現完整剝離較為困難。

    化學剝離技術通常指在襯底上先生長一層沉積層，這層沉積層由CrN 最近報道了Trindade Kim等人 化學玻璃技術對GaN薄膜的損傷最小，但是由于化學反應存在周期，使得玻璃速率較慢，且后續需增加殘留化學溶液的清除制程，無法滿足巨量轉移要求的超高轉移速率，故這方面的應用較少。

    雷射剝離技術誕生于1997年，KELLY等人 交介面處發生的分解反應可表示為：

    許多研究人員針對雷射能量密度 巨量轉移技術的基板雷射分離采用同樣的原理，2016 年Kim J. 等 以雷射驅動技術為代表的公司如Uniqarta、Optovate等在基板分離制程中均采用雷射剝離的方式實現源基板的去除。雷射剝離技術具有作用時間短、剝離速率快的優點，但要求襯底對所作用波長的雷射透明，且成本設備較高，對GaN薄膜仍會有一定的損傷。

    從巨量轉移的角度來看，機械剝離雖原理簡單，但蝕刻操作復雜，分離吸附力需根據單次時刻結構的斷裂特性進行調整，重復性較差；化學剝離雖對GaN薄膜損傷小，但分離速率受限；雷射剝離技術可實現高效率剝離，如何將GaN薄膜的熱損傷降低是當前需要研究的問題。

    3.

    隨著柔性和可拉伸的光電器件的發展，顯示技術逐漸應用于可穿戴和生物電子領域，這要求將源基板上生長的Micro LED轉移至柔性基底上。另一方面，受限于晶圓尺寸的大小，在面對手機、電視等中大尺寸顯示應用時，也需要將從基板分離的Micro LED從源基板或中間載體基板上轉移至顯示面板上。晶片取放是指將源基板上的Micro LED通過晶片取放設備，以高精度、高速率的方式放置在目標位置，是實現巨量轉移的關鍵步驟。根據實現方式的不同可分為精準拾取、雷射誘導轉移、自組裝技術。

    3.1

    精準拾取技術一般通過轉移頭將源基板(Donor Substrate)上的器件以某種作用力吸附，移動至相應的位置后精確地釋放在接收基體上(Receive substrate)，從而完成轉移過程，這一過程如圖5，該技術可看做介面競爭斷裂的過程，當轉移頭與晶片的作用力大于晶片與源基板介面粘附力時實現拾取，當接收基板與晶片的介面粘附大于轉移頭與晶片的作用力時實現釋放，而選擇性則由轉移裝置的拾取頭來實現，整個取放過程的關鍵在于介面粘附的調控，而這一機制在柔性電子領域中的轉印技術方面有著較為深入的研究。

圖5 拾取技術步驟

    在轉印技術中根據不同的力學原理已發展出不同轉印技術控制原理及拾取放置方法：調控印章速度的動態可控轉印技術 在巨量轉移μLED技術領域，X-Celeprint 同轉印技術特點類似，這種速度調控方式雖然操作簡單，單為滿足巨量轉移的高精度高速率要求，印章剝離速度受到極大的限制從而降低了制程窗口。

    其他類似轉印的靜電力、輥印方式亦可實現晶片的高精度取放要求。LuxVue 該過程包括從帶有一排靜電轉移頭的載體基板上拾取一排微型LED，并從工作電路中施加同向電壓以產生吸引力，從而與微型LED接觸粘附。待轉移至目標基板特定位置。轉移頭直接接觸該位置，并在電場作用下加熱液化接收基板鍵合層，將LED陣列鍵合到接收基板上，最后施加反向電壓釋放LED，從而完成轉移過程。韓國機械和材料制造 整個過程包括三個輥轉移步驟，首先通過涂有一次性轉移膜的輥壓印模將控制TFT陣列拾取并放置到臨時基板上；然后將微型LED從其支撐基板上取下，放置在臨時基板上，并通過焊料鍵合與TFT連接；最后，將互連的微型LED + TFT的陣列滾動轉移到目標基板上，以形成有源矩陣微型LED顯示器，這種轉移方式可用于轉移晶片尺寸和晶片厚度分別低于100 µm和10 µm的MIicro LED。

圖6 精準拾取技術實現轉移制程過程

    精準拾取技術分別采用靜電力、范德華力、磁力作為吸附力實現介面調控，實現高精度下晶片的大面積轉移，如圖6。該方法克服了傳統機械拾取方式難以拾取、容易損壞晶片的不足，但受轉移頭尺寸的大小，使得轉移效率受到一定的制約，同時作用力調控需在特定范圍內實現，從而大大縮小了制程窗口，增加了工業成本。

    3.2

    隨著高性價比雷射設備的可用性不斷提高，基于雷射的微加工技術已發展成為高精度制造技術不可或缺的工業工具。雷射驅動（laser propulsion）的概念最早是由Kontrowitz Saeidpourazar等人 雷射驅動的主要原理是利用雷射器產生的雷射與物質的相互作用，其中紫外（UV）波長的光子在被物質吸收時會引起電子激發，產生燒蝕分解，從而產生沖擊力；紅外（IR）波長的光子被物質吸收后導致電子振動和旋轉激發，然后發生熱分解，從而產生驅動力。此后，許多研究人員對雷射驅動轉移方面進行了充分的研究。

    雷射驅動轉移技術的通常步驟為：由石英、藍寶石等透明基底通過某種中間材料承載器件，再通過雷射照射透明基材作用在物質上發生反應，采用光學掩膜的方式以實現器件的選擇性轉移，如圖7。在轉移過程中，由于雷射波長和材料性質的不同，根據作用機理可將雷射驅動轉移分為雷射直接釋放和雷射燒蝕釋放。

圖7 雷射驅動轉移技術步驟

    雷射直接釋放是指中間材料在雷射作用下發生熱分解，直至晶片脫離，從而實現轉移。熱分解作用可以是雷射與器件的熱作用間接作用于中建材路，如Karlitskaya 等人 熱分解作用還可以是雷射與中間材料的直接作用。Karlitskaya等人 這一機理在巨量轉移技術中得到了很好的應用，QMAT公司開發的束定址釋放技術（BAR）采用熱釋放機理，將雷射透過透明基板作用在雷射釋放層上，通過光熱作用使晶片從源基板轉移至目標基板，能夠在100KHz-1MHz的速度脈沖下可達到10億個/h 的轉移量。該技術在轉移前進行壞點檢測，并由用戶電腦將前一步所檢測得到的晶片好壞文件進行處理記憶，而進行轉移時遇到壞點雷射則繞過，可以避免將壞點轉移到基板上，從而提高了良率。

    雷射燒蝕釋放原理是指雷射照射犧牲層材料，在光束作用下材料受限燒蝕，產生的氣體產物對其上的晶片造成沖擊力，從而實現釋放轉移，這種方法得益于對雷射燒蝕聚合物機理的研究。Zweig AD等人 Holmes等人 這些研究為雷射動態燒蝕釋放提供了很好的原理解釋。2002年雷射誘導前向轉移（laser induction front transfer, LIFT）技術問世 Alberto Piqué等人 Karlitskaya等人 Marinov V 等人基于LIFT技術發展出LEAP制程以轉移和組裝微器件，將晶片剝離、轉移、組裝全部使用雷射技術完成，并已成功用于無源RFID晶片轉移。隨后，美國北達科他州立大學納米科學與工程中心基于LIFT技術發展了另一項新的前向轉移制程——熱機械選擇性雷射輔助模轉移 圖8給出了雷射驅動轉移制程，其對比見表2

圖8雷射驅動轉移制程

    表3 雷射輔助轉移制程

    巨量轉移領域使用雷射燒蝕原理轉移技術的是Uniqarta報道的LEAP制程，使用355nm的Nd:YVO 該過程可以單束或多束模式運行，這提供了處理晶片上的不良晶粒的能力。在單光束模式下，使用掃描儀將雷射順序聚焦在不同的晶片位置上，從晶圓上去除不需要的晶片；然后使用多光束模式快速轉移良好的晶片陣列；最后，再次使用單光束模式將單個晶片填補到由于先前移除不良管芯而導致的未填充的空余位置上。這種有選擇地移除和替換不需要的晶片的能力使LEAP制程相比其他并行轉移技術在良率上具有極大的優勢。

    目前應用于轉移晶片的雷射驅動制程，與傳統的微器件取放制程相比，該過程是非接觸式的，當晶片比較小且薄時，將大大降低傳統拾取制程造成的機械損壞，此外單次照射下能夠并行轉移多個晶片，轉移速度更高。然而無論是直接釋放還是熱釋放，由于存在間距，其晶片下落都會出現容易偏移和偏轉等不穩定問題，且下落速度都與雷射入射能量密度有關。相比較而言，熱釋放較燒蝕釋放下落速度雖然要低很多，便于晶片下落的控制；但熱釋放對光束均勻性較敏感，光束強度分布不均勻導致釋放熱釋放膠層不均勻膨脹，從而導致組件釋放不均勻；同時，晶片尺寸縮小后范德華力、靜電力等會與重力的大小接近，以至于熱釋放過程不得不考慮這些力對其轉移的影響，因此燒蝕釋放機理的適用性更強，關于研究改善光束的均勻性對釋放角度的影響，機理包括光吸收、溫度隨時間變化分布、能量如何轉換為下落晶片的動能等問題尚待進一步研究。

    3.3

    自組裝技術通常指基本結構單元(分子，納米材料，微米或更大尺度的物質）自發形成有序結構的一種技術，該構想誕生于上世紀末，具有多組分同時并行組裝、避免了人為誤差的干擾、適用組裝的材料種類多、組份尺寸范圍廣，已應用于光電材料、生物材料、醫藥材料等多種領域。自組裝的產物的缺陷程度是最低的，因為自組裝的過程是自發的，也就是說在組裝的過程中各個組份之間就是按照最佳的結構和組合方式組裝的。另外,自組裝技術所需的儀器設備比較廉價,自組裝過程比較迅速,因為自組裝過程本身就是各組份自發組裝成產物的。

    目前自組裝技術主要分為分子自組裝(Molecular Self組件) 和定向自組裝(Directed self組件) 。分子自組裝 定向自組裝如圖8所示，是采用流體,電磁場 定向自組裝是在傳統技術不能完全滿足需要而分子自組裝技術又不成熟的情況下應運而生的，其方法主要有基于表面張力作用利用導向引導的定向自組裝,利用毛細作用力驅動的定向自組裝及基于尺寸匹配,表面張力作用，次序自組裝于一體的混合三維定向自組裝等。

    自組裝技術作為一種并行制造技術，已經提出了流體力。

    目前業界最為代表性的兩大自組裝技術分別是磁力自組裝和流體自組裝技術。磁力自組裝是Self Array公司開發的利用磁體、振動和懸浮力將LED自組裝成陣列的技術，首先將LED外表包覆一層熱解石墨薄膜，放置在磁性平臺，在磁場引導下LED將快速排列到定位。采用這種方式，需要先處理磁性平臺，讓磁性平臺能有設計好的陣列分布，而分割好的LED器件，在磁場的作用下能快速實現定位，然后還是會通過像PDMS一類的中間介質，轉移到目標基底上去。流體自組裝技術是eLux公司利用流體的作用，讓LED落入做好的特殊結構中，達到自組裝的效果。2017年eLux公司申請了此項技術專利。

    任何依賴于自組裝的新的系統,要么能忍受它的缺陷,要么就得修復缺陷 自組裝技術的缺陷問題一直是自組裝技術的關鍵問題，如何實現自組裝過程可逆、自我調控或在線監控才能減少或避免組裝體的缺陷；其他如自組裝前驅體的精確合成、尺寸效應、動力學和機制以及表征和控制，這些都是自組裝技術未來發展的關鍵。

    4.

    本文基于近代顯示技術的發展背景，分析了Micro LED 技術的發展潛力，總結出Micro LED 所具有的顯示技術優勢。簡述了Micro LED 顯示器的制備制程，但由于μLED微縮化和全彩RGB μLED數量巨大，難以使用現有的轉移技術在成本效益可觀的條件下實現具有高精度、高良率的轉移，使得巨量轉移成為制約其商業化的最關鍵的瓶頸技術。

    目前，巨量轉移已發展出多種技術流派，盡管基于不同的原理，但都需要將晶片從源生長基板分離，然后通過某種作用方式選擇性地將LED晶片放置到目標基板上。其中，基板分離是通過機械應力、化學腐蝕或雷射作用等方式，對源基板進行整體式批量處理，以便于后續的取放制程。相對而言，由于機械剝離蝕刻操作復雜，且蝕刻程度的不均勻性使得后續的選擇性拾取作用力需根據單次蝕刻結構的斷裂特性進行調整，可選擇性差；化學剝離受化學反應速率影響，且后期需增加化學溶液干燥步驟，制程時間較長；雷射剝離技術可實現高效率地剝離，相對前兩者而言更方便后續選擇性取放制程，但存在對GaN薄膜的熱損傷問題，仍需進一步解決。

    晶片取放制程是巨量轉移技術中最重要的環節，從制程角度來講，如何實現高精度且選擇性地批量拾取、放置是各技術流派的核心內容。對于精準拾取技術而言，基于范德華力、靜電力、電磁力等力學原理產生對晶片的拾取放置的作用力，通過轉移頭來滿足選擇性操作，而轉移數量則取決于轉移頭的尺寸，但該技術大多對晶片有特殊要求，如電磁力轉移需要在晶片中摻入鐵、鎳等磁性材料，微印章轉移技術需要晶片與基板為弱連接結構，這對晶片的發光特性會有一定的影響。雷射驅動轉移技術則基于雷射與物質的作用機理，通過燒蝕或直接釋放原理產生轉移晶片的作用力，通過掩膜、光斑聚焦陣列化等方式實現選擇性，且雷射相對其他技術而言在修復方面具有優勢，可以將壞點融掉，對于提高良率具有很大的作用，但雷射轉移雖然能夠滿足高速、選擇性轉移，但轉移精度影響因素較多，需要研究雷射參數（如雷射能量密度、脈沖頻率、光斑大小等）、轉移裝置的幾何參數（如極板間距、晶片間距）等多種參數問題，且雷射設備昂貴，相對而言成本會較高。自組裝技術可以在流體流動過程總實現精確的位置和組裝，但選擇性差，后續缺陷修復會很困難。

    另外，除選擇性和精度外，為了提高經濟和時間效益，轉移率也是確定不同轉移技術實用性的關鍵參數。在雷射驅動，自組裝技術，精準拾取技術中的彈性體印章和卷對卷沖壓等主流技術中，流體組裝表現出最快的轉移速度——每小時5,000萬個晶片，而卷對卷輥印轉移率達每小時3600萬個晶片，彈性體印章轉移率達每小時100萬個晶片，從轉移速度看，流體組裝技術可以提供最好的轉移性能，但該技術的開發仍在進行中。相對而言，流體組裝技術轉移速率最高，但由于流體力控制技術難度大，相對其他技術而言成功概率低，且實現較為困難；滾輪轉印技術和微印章轉移技術容易且轉移速率較高，但是選擇性差，后期檢修環節不容易實現，導致良率保障低；與此相似的靜電、磁力轉移由于轉移頭的尺寸限制，傳遞速度大大降低，但選擇性相對好且產率高。而雷射輔助技術由于其轉移速度快、可靠性高且選擇性好，可應用于任何尺寸面板的轉移，在未來的巨量轉移技術中占有極高的技術優勢。

    總體而言，Micro LED顯示技術仍屬于起步階段，巨量轉移等制約瓶頸使得其尚未能夠大規模商業化發展。其未來的應用有兩個方向，一個是小尺寸、超高解析度的方向；另一個是大尺寸巨型電視的方向。對于晶片轉移而言，小尺寸應用為了保證超高解析度的顯示則更注重轉移精度，對組裝速率的要求相比大尺寸應用要低一些；而尺寸較大的應用則相反，顯示面積增大意味著需要更多數量的晶片參與轉移過程，相對而言更關注組裝速率和成本。總體而言，小尺寸顯示應用如穿戴式手表等領域由于轉移數量少，難度相對較低，是當前最容易實現的應用Micro LED顯示的領域；而中大尺寸應用如電視等領域的決定因素在于成本，即低成本前提下滿足大批量、高速率轉移，這一技術當前還需突破，目前商業化的可能性還比較低。

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