MicroLED实现量产对制造设备提出的挑战和期望

BOE知识酷 2022-02-15 11:30 1832浏览 0评论 8点赞

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第1203篇推文

uLED显示技术类似于OLED，RGB子像素均可实现独立控制，在显示效果上都具有优秀的对比度、响应时间、可视角范围。另外也具有更大的色域范围，更高数量级的亮度值、更低的功耗和可靠的环境稳定性。uLED让传感器（指纹识别、屏下摄像、动作控制等）与电路集成到一起更加容易，可实现超薄显示。

目前，有很多企业已经展示了多种尺寸特性各异的uLED样机，并且在众多领域开始引入，例如：汽车AR、可穿戴、电视、公共信息显示等。在过去的2021年，uLED首次面向消费者的应用产品实现了头戴式AR和大尺寸TV上市，TV更是uLED技术普及过程中至关重要的第一步。uLED电视的价格大约是15万美元/110寸。

标准设备工具和工艺使得LCD商品化，不久的将来柔性RGB OLED也将商品化。但对于uLED来说，从实验室到FAB量产的过程中还有许多的技术障碍。目前的uLED产品大多是在内部实验室中完成，无法转入量产环节。

uLED的工艺流程比较复杂，根据实际应用和不同的生产商其工艺路径也会有不同。这里展现high-level的制程。如下图。分析每一个关键步骤工艺开发(理念、概念、原型、能力)的现状与大批量制造设备的预期需求之间的差距。

设备挑战：

在uLED的巨量转移、非接触检测、修复、计量检测等过程中，引入了全新的制程和概念。

许多企业和研究机构为了应对这些挑战，纷纷研发了自家特有的工艺制程。技术、架构和流程的选择在不同的公司和不同的应用程序之间可能有很大的不同。通常不可能单独优化每个选择:选择给定的巨量转移过程会限制晶粒结构的选择。使用垂直晶粒而不是水平晶粒对像素和背板设计、发射极和显示测试、修复和良率管理策略方面都会有影响。

工艺过程和显示结构的选择必须统筹考虑，以获得最佳的成本、性能和可制造性。根据每个公司所选择的应用和技术，预计将来多条工艺路径仍将共存。

这导致了流程和技术可选项的激增，使供应链的建立变得混乱而缓慢。对于一家设备制造商来说，押注于一项技术是有风险的:开发适合给定流程或显示结构的设备需要大量的投资，但这些设备可能在上市之前就被不兼容的新制程，或者因为客户做出了不同的技术选择而淘汰。

uLED Chip 制造：

MicroLED制程和技术在本质上与传统LED技术相似。LED芯片是决定产品成本的最重要的一个因素。且成本与模组面积成比例。为了满足大体量的电视市场以及平板电脑、笔记本电脑和智能手机的需求，晶粒尺寸通常≤5-10µm。

生产这种尺寸的LED并满足良率、成本、性能的需求，亟需专门的晶圆厂和制程观念的范式转变。

追求低缺陷、光刻高分辨率、钝化改进以及特殊晶粒和功能需求，从另一方面促进了传统LED晶圆厂的技术更迭速度：10-100级洁净室、光刻步进器、原子层沉积(ALD)钝化、激光剥离(LLO)工具、晶圆键合、计量测试等。MicroLED晶圆厂需要向半导体制造厂的思维方式发展，包括端到端、晶圆厂范围内的缺陷和良率管理，增加在线计量，密切监控工具和工艺。

这种融合促使厂商采用更大直径衬底。从6英寸到8英寸的尺寸受到较高关注，因为这种尺寸是生产设备在二手市场上可以买到，这些设备都是经过实际生产测试、改造的半导体设备。这自然增加了GaN-On-Si平台的吸引力。Aledia、Plessey、Stratacache等多家微型化LED制造商已经开始采用这种方法。使用大直径硅晶圆平台对微显示器尤其有意义，其中uLED外接晶圆直接连接到CMOS Si背板上:高性能背板需要先进的半导体制造站点(例如22nm或以下)，而这些节点只能在300mm的晶圆上使用。为了制造效率，uLED和背板晶圆最好具有相同的直径。

另外，硅并不是大尺寸的唯一选择。尽管在基板制造和外延晶圆处理方面难度较大，但一些主要厂商为了追求稳定的可靠性，依然偏向选择使用蓝宝石和GaAs平台。

转移和绑定：

消费型的uLED一定是基于成熟的高产量、低成本的转移和绑定工艺。在注重知识产权的时代，开发者们一直为实现能力提升、成本下降、生产操作自由而不断创新。即便是目前都集中在某一个制程，但大多数公司也在对冲风险，探索可替代方案。

不同的制程路径，都要从最初的设计和构建定制设备开始，不利于成本的下降。但对于转移技术，在某些方面还是有一些共性，比如：芯片的pick、hold、release上所需的力；转移速度和精度（1-2um）；晶粒连接到背板上所需的压力或者温度等。并且这些内容在其他半导体和光电子行业中的倒转芯片工艺内容比较类似。如下图。

许多公司可以提供具有亚微米放置精度的设备，可组装成10cm左右大小。一些支持多类型绑定工艺，如热压、超声波、粘合剂等工艺。应用方面包括VCELS或边缘发射激光器(EEL)，大型红外成像仪，集成光子封装，硅光子器件等。SET、Finetech、Besi、ASMPT、东丽工程、TDK等公司已经或正在将现有工具用于uLED应用,V-Technology、XDisplay等公司正在开发专用工具。

uLED的转移过程比其他集成工艺更加复杂。许多的FC绑定设备商对于在uLED转移市场中比较常用的激光集成过程不太熟悉，并且传统的设备只满足较小尺寸的产品，uLED趋于更大面积的尺寸。因此，在后续的集成互连节点会出现较大的不确定性：uLED晶粒和基板通过pad进行连接，pad面积大约10um2,并且p-n gap低至5um，对于制造商来说是极大的挑战。高温、高压、热焊接技术效率较低，会大大增加制造成本。为了解决这个问题，绑定可以在所有晶粒定位后进行非原位粘接。另一种方法是，转移和原位绑定并行进行，或者在多个转移步骤完成后同时进行(gang bonding)。因此，许多公司都在针对表面力开发工艺流程，确保晶粒保持在原位，直到最后绑定完成。

工艺已经开发出来几十种。由于有限的市场，设备制造商不愿押注于单一工艺，倾向构建更多功能的工具，定制不同的设备。这么做使得设备过度定制化，费用也必然昂贵。高温、高压键合能力的成本比较高，但并不是所有工艺都必须要有的。另外，知识产权也可能会限制某些工艺的可用性。

因此，设备制造商、工艺开发人员和uLED显示器制造商必须紧密合作，精确地定义工艺设备需求，优化成本，在不过度定制和增加成本的情况下提供足够的功能。

检验和测试：

一台8K电视需要接近1亿个uLED芯片。即使是99.99%的转移和组装率，也意味着面板上仍有10,000个缺陷像素。这里需要对缺陷的地方精准定位并替换单个uLED来修复。修复的成本会超过最初的面板组装成本。每个亚像素使用多个晶粒是降低修复成本一种选择。

由此可见，上游工艺的质量控制和有效的缺陷管理机制对成本控制具有重要的意义。大多数上游工艺检测和测试可以通过升级改造传统LED制造中使用设备来满足，如：AOI、光致发光mapping等。对于薄膜厚度、overlay、CMP监测等，可以使用老一代、改装的半导体设备。

功能性测试，也就是测量每个uLED芯片在电流驱动下的表现，同样也具有很大的问题。一个uLED外延晶片几个微米范围内含有上亿个金属pad，传统的探针测试在实验室是可以接受，单个晶片的测试时间可能要需要几周的时间。在这个过程中，探针需要多次更换。目前，还没有实现大规模并行、高吞吐量、非接触式晶圆测试工艺和设备。2020年被苹果公司收购的Tesoro Scientific等公司一直在研究。最近，有关组织机构建议使用阴极发光或拉曼光谱。另外，一些公司也在探索在转移头上进行测试，或者在中间绑定步骤之后，在背板上添加测试功能。