巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)發(fā)展至今取得的令人矚目的進(jìn)展是已被證明能夠克服組裝MicroLED 芯片極端要求的有前途的解決方案，包括激光剝離技術(shù)、接觸式 μTP 技術(shù)、激光非接觸式 μTP 技術(shù)和自流體組裝技術(shù)。

這些先進(jìn)的轉(zhuǎn)移技術(shù)的發(fā)展也為超大顯示器、柔性電子和可見(jiàn)光通信應(yīng)用的 microLED 顯示技術(shù)提供了評(píng)估。

最近，在國(guó)際極限制造雜志上發(fā)表的一篇新論文中，由中國(guó)華中科技大學(xué)柔性電子研究中心數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃永安博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，全面總結(jié)了轉(zhuǎn)移技術(shù)的極端過(guò)程和應(yīng)用。

今天這里先主要講MicroLED轉(zhuǎn)移技術(shù)基礎(chǔ)與發(fā)展史。

轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)知識(shí)

microLED 芯片的組裝通常包括幾個(gè)關(guān)鍵工藝步驟，包括從供體/生長(zhǎng)基板釋放大塊 microLED 芯片（即外延剝離工藝）、調(diào)整間距尺寸，最后將它們對(duì)準(zhǔn)并移動(dòng)到背板/接收基板（即取放過(guò)程）。為了實(shí)現(xiàn)全彩色microLED顯示器，轉(zhuǎn)移技術(shù)可分為兩類(lèi)：第一種策略分別是 RGB microLED 芯片的選擇性批量轉(zhuǎn)移。在外延剝離工藝中，不同顏色的 microLED 芯片與其生長(zhǎng)基板分離。接下來(lái)，在拾放過(guò)程中，使用轉(zhuǎn)移介質(zhì)從不同的生長(zhǎng)基板拾取 RGB microLED 芯片，然后是放置 RGB microLED 的傳送步驟芯片到目標(biāo)接收器基板。第二種策略是單色 Blue/UV microLED 芯片的選擇性批量轉(zhuǎn)移，然后集成顏色轉(zhuǎn)換，例如噴墨打印量子點(diǎn) (QD ) 或發(fā)光聚合物. 值得注意的是，僅對(duì)于某些具有極高分辨率的特殊顯示器（例如 AR ） ，整個(gè)藍(lán)光microLED芯片可以在外延剝離過(guò)程后立即直接轉(zhuǎn)移（稱為“單片轉(zhuǎn)移”)，無(wú)需改變相鄰 microLED 芯片之間的原始距離。然而，顏色轉(zhuǎn)換技術(shù)仍然存在一些技術(shù)問(wèn)題，如散熱困難、顏色轉(zhuǎn)換效率低和熱穩(wěn)定性等。因此，直到現(xiàn)在，轉(zhuǎn)移過(guò)程仍然是必不可少的步驟。

注：a圖為RGB microLED選擇性批量轉(zhuǎn)移 b圖為單色 Blue/UV microLED 的選擇性批量轉(zhuǎn)移

從本質(zhì)上講，轉(zhuǎn)移技術(shù)從根本上依賴于對(duì)某些關(guān)鍵界面（即 microLED/生長(zhǎng)基板、傳輸介質(zhì)/microLED 和 microLED/接收器）處界面粘附的高效、可靠和并行控制。首先，外延剝離工藝決定了microLED/生長(zhǎng)襯底的界面粘附狀態(tài)。對(duì)于 microLED 的制造，必須在生長(zhǎng)基板（藍(lán)寶石）上引入緩沖/犧牲層，以減少晶格/熱失配的影響。GaN 緩沖層通過(guò)強(qiáng) sp3 型共價(jià)鍵（即化學(xué)相互作用，~1000 kJ mol -1). 這種強(qiáng)粘附力使得僅通過(guò)物理刺激來(lái)調(diào)節(jié)界面粘附力變得非常困難。因此，需要高能工藝（例如激光或化學(xué)蝕刻。由于物理（例如激光誘導(dǎo)的加熱和熔化，以及沖擊和化學(xué)（犧牲層的分解過(guò)程之間的復(fù)雜耦合，轉(zhuǎn)移技術(shù)首先面臨一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，即如何選擇性和精確地控制外延剝離過(guò)程。多種因素，例如切屑厚度、結(jié)構(gòu)、尺寸、剝離界面注入能量（激光或刻蝕劑）的方式，影響最終的界面粘附狀態(tài)，以及剝離芯片的質(zhì)量。通常，外延剝離工藝只能直接制備有限范圍的 microLED 顯示器，而對(duì)于具有可變像素排列的大面積顯示器，則需要額外的取放工藝。

相比之下，物理粘附力（例如范德華力、流體張力、靜電力）在拾放過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。傳輸介質(zhì)以高度并行、高效和準(zhǔn)確的方式將粘附力從強(qiáng)狀態(tài)切換到弱狀態(tài)的能力是決定轉(zhuǎn)移技術(shù)能力的主要因素。在拾取步驟中，傳輸介質(zhì)/microLED 界面的粘附強(qiáng)度必須強(qiáng)于 microLED/供體的粘附強(qiáng)度，從而使 microLED 芯片能夠從供體基板上成功剝離。在放置/吸附步驟中，低界面粘附強(qiáng)度有利于將 microLED 轉(zhuǎn)移到接收基板。與化學(xué)粘附相比，一些物理粘附可以提供低得多且可變的粘附強(qiáng)度. 對(duì)于典型的可逆粘合劑系統(tǒng)，界面分離的臨界力Fc被發(fā)現(xiàn)為：

其中Gcrit （臨界能量釋放率）是由構(gòu)成界面的材料設(shè)定的屬性，A是粘合的表面積, C是系統(tǒng)合規(guī)性。這種關(guān)系表明界面的物理粘附力受三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的控制，這三個(gè)參數(shù)取決于界面的幾何形狀和材料特性. 因此，如何通過(guò)外部刺激調(diào)節(jié)上述三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)可逆粘合，以及如何快速、準(zhǔn)確、選擇性、大量地施加外部刺激，是傳質(zhì)技術(shù)的重點(diǎn)和核心難點(diǎn)。

轉(zhuǎn)移技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史

基于實(shí)現(xiàn)界面粘附批量控制的不同策略，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列轉(zhuǎn)移技術(shù)。下圖顯示了時(shí)間表，概述了傳質(zhì)發(fā)展的主要里程碑。作為轉(zhuǎn)移的先決條件，外延剝離技術(shù)于 1978 年首次發(fā)展，通過(guò)高頻選擇性蝕刻具有 AlAs 犧牲層的 LED，即化學(xué)剝離（CLO）技術(shù)。不久之后，1997年開(kāi)發(fā)了范德華力外延剝離 ( VWDE ) 技術(shù)和激光剝離 (LLO) 技術(shù). 與 CLO 技術(shù)不同，VWDE 技術(shù)使用二維材料的緩沖層，通過(guò)用范德華力代替化學(xué)粘附力來(lái)顯著降低界面粘附力。為了提高剝離效率和質(zhì)量，引入了激光以實(shí)現(xiàn)犧牲 GaN 層的分解。后來(lái)，LLO成為主流。同時(shí)，選擇性剝離microLED芯片的技術(shù)提供了一種更簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)適應(yīng)特定的像素排列密度。因此，最近開(kāi)發(fā)了選擇性剝離技術(shù)。

MicroLED顯示器和轉(zhuǎn)移技術(shù)發(fā)展的簡(jiǎn)要年表

一般來(lái)說(shuō)，取放技術(shù)可以根據(jù)轉(zhuǎn)移介質(zhì)和接收基板的相對(duì)位置分為三種類(lèi)型。(a) 接觸式μTP 技術(shù)需要microLED芯片在特殊印章的幫助下直接與接收基板接觸，該技術(shù)首先由羅杰斯等人引入。2013年，LuxVue提出了一種新的靜電力接觸μTP設(shè)計(jì)理念。典型的接觸式 μTP 技術(shù)可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)移率 (>99.99%)。然而，低傳輸速率是一個(gè)瓶頸。(b) 激光非接觸式μTP 技術(shù)，它引入激光，通過(guò) 2012年引入的界面熱失配或氣泡噴射將所選芯片與印模分離。具體來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)需要印模和接收基板之間有一定的距離。激光非接觸式μTP 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高傳輸率，然而，成功率卻令人無(wú)法接受（90%）。(3) 自組裝技術(shù)利用流體（例如 2008 年的流體自組裝) 作為傳輸介質(zhì)，并產(chǎn)生引力、疏水或親水力，以識(shí)別和定位具有特定尺寸的 microLED 芯片。自組裝技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)高傳輸率（99.9%?），然而，對(duì) microLED 芯片和接收器面板有特殊要求。

轉(zhuǎn)移技術(shù)的不斷進(jìn)步顯著提升了microLED顯示器的顯示質(zhì)量和集成規(guī)模，如下圖所示。microLED顯示器的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：?jiǎn)紊⑿惋@示器的集成、低PPI的大面積顯示器的高成本集成、任意尺寸的高成本顯示器的集成PPI（未來(lái)）。microLED顯示器最早由Jiang課題組于2000年發(fā)明，此時(shí)的轉(zhuǎn)移技術(shù)只能集成少量的microLED陣列，形成無(wú)源矩陣（PM）微型顯示器。第一個(gè) 10 × 10 分辨率的 PM microLED 顯示器于 2001 年問(wèn)世, 2002 年 32 × 32 , 2003 年 64 × 64, 2004 年 128 × 96 的陣列，隨后報(bào)道了更多的元素。2008年，Rogers課題組首先利用μTP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16 × 16的microLED顯示器，為制備大面積顯示器奠定了基礎(chǔ)。2012 年，第一款配備 600 萬(wàn)個(gè) microLED 的大面積顯示器（55 英寸 LCD）上市，采用拾放技術(shù)制造。2014 年，通過(guò)接觸μTP 制造了具有 1700 PPI 分辨率的全彩色 microLED 顯示器. 為了獲得更好的分辨率和亮度，引入了有源矩陣 ( AM ) 驅(qū)動(dòng)技術(shù)。2019 年，通過(guò)接觸式μTP 結(jié)合 CLO 展示了 3.3 英寸全彩 AM microLED 顯示器（324 μ m × 324 μ m 像素尺寸） 。索尼于 2019 年推出了尺寸為 21 m × 5.5 m的最新大型 microLED 顯示器 (～16 K) 。近年來(lái)，新型 microLED 顯示器產(chǎn)品的不斷增加依賴于轉(zhuǎn)移技術(shù)的進(jìn)步。然而，到目前為止，制造成本的高昂價(jià)格阻礙了microLED顯示器的普及。

人們不斷追求更具成本效益（依靠極高的效率、良率和準(zhǔn)確性）的轉(zhuǎn)移技術(shù)成為microLED顯示器普及的關(guān)鍵點(diǎn)。為了便于更好地理解不同的轉(zhuǎn)移技術(shù)，下表總結(jié)了所有涵蓋技術(shù)的特性、傳輸產(chǎn)量、可用效率、可調(diào)節(jié)界面粘附的機(jī)制以及局限性。

編輯：黃飛