Micro-LED顯示中的巨量轉移技術

紀 騁

一、概述

隨著計算機、互聯網技術的進步，給用戶帶來沉浸式人機交互體驗的AR/VR（增強現實/虛擬現實）技術已經成為新的發展方向。特別是，去年10 月扎克伯格宣布將Facebook 改名為Meta，迅速引燃了人們對于“元宇宙”相關技術的關注，VR/AR 技術作為“元宇宙”底層硬件技術，更加成為了產業的重點關注對象。為了帶來更有真實感的視覺體驗，VR/AR技術對顯示技術提出了更高的要求。

Micro-LED 顯示相對于現有的主流顯示技術，具有功耗低、亮度高、解析度與色彩飽和度超高、響應速度快、壽命長、效率高等優勢，是當前最有望滿足VR/AR 技術應用的顯示技術。2012 年索尼公司推出了世界上第一個Micro-LED 顯示屏，2014 年蘋果公司收購了一家專注于Micro-LED 顯示的公司LuxVue，并著力發展Micro-LED 顯示在其產品中的應用，這引起了業界極大的關注。此后，三星、LG、京東方等顯示面板企業也陸續進入賽道，開始推出自己的Micro-LED 顯示屏，松下公司旗下的Shiftall 公司也將于今年推出全球首款采用Micro-LED 的VR 眼鏡。

如圖1 所示，從技術上看，盡管Micro-LED 顯示產業可以直接轉用傳統顯示產業和LED 產業中已經發展較成熟的TFT 技術和LED 技術，不少廠家也很早就推出了樣品，但至今很難走上大規模商業化應用的道路，其瓶頸就在于巨量轉移技術（也稱微轉移技術），即如何使得預制的小尺寸LED 結構按照需求規則地排列在TFT 背板上。巨量轉移技術看似只是傳統轉移技術小型化的演進，然而，在當前高度集成化的半導體制造領域，將小尺寸的單體精確地轉移是非常困難的，主要的問題在于轉移的效率和良率這兩個方面。例如在Micro-LED 顯示的應用場景下，一塊面板所需要轉移的單體個數常常在千萬量級，如何把這么大數量的單體快速進行轉移，這對于生產來說是一個重要問題；此外，對于如此大量的單體轉移工藝，如果轉移的良率不高，則會直接給顯示面板帶來過多的壞點。這兩個問題直接導致Micro-LED 顯示的成本居高不下。

圖1 Micro-LED顯示產業結構圖

從業界動態也能看出巨量轉移技術的重要程度。諸如蘋果、索尼這樣的巨頭在這項技術上緊鑼密鼓的布局已足以引起行業普遍重視。2013 年伊利諾伊大學的Roger 教授團隊基于微米轉印（Micro-Transfer-Printing，μTP）的科研成果成立了在業界頗具影響力的X-celeprint 公司。2016 年臺灣工業技術研究院（以下簡稱“臺灣工研院”）推動成立了巨量微組裝產業聯盟（Consortium for Intelligent Micro-assembly System，CIMS），臺灣地區20 多個涉及LED、材料、IC 設計、封裝、面板、系統等領域的廠商可以基于此平臺積極合作，共同推動臺灣地區的巨量轉移技術，目前已經涌現出了多家在Micro-LED 顯示領域非常活躍的公司，如錼創（Play Nitride）、友達光電、美科米尚（Mikro Mesa）等。近幾年，許多傳統顯示大廠也紛紛與具有巨量轉移技術的公司展開合作，開始發力Micro-LED 顯示，如2017 年中電熊貓開始與臺灣Mikro Mesa 公司合作開發產品，2022 年華星光電與三安光電合作成立了聯合實驗室。此外，還有一些企業以自研巨量轉移技術的方式快速進入賽道，如2019 年康佳集團設立重慶康佳光電技術研究院，截至2021 年已建成生產線并完成小批量試產；2020 年維信諾設立成都辰顯光電，次年即發布產品。

另一方面，隨著科技的發展，電子產品走向高整合、多功能、微型化的趨勢日益明顯，巨量轉移技術除了首先在Micro-LED 顯示中的發力之外，必將在下一代的新興技術中占有重要地位。這從X-celeprint公司、臺灣CIMS 等相關專利申請的表述方式中可見端倪，相信這些單位在成立時對巨量轉移技術的這種廣闊應用前景是有一定預期的。

二、專利文獻分析

本文針對與巨量轉移技術相關的專利文獻進行了檢索，檢索的截止日期為2022 年6 月23 日。檢索采用的數據庫是中國專利全文數據庫（CNTXT）、外國專利全文中文翻譯數據庫（ENTXTC）和德溫特世界專利索引（DWPI），我們以IPC、CPC 分類號和關鍵詞作為入口在不同庫中分別檢索，最后將得到的文獻統一轉庫到DWPI 庫，共得到4641 項專利文獻。考慮到基于同一優先權的專利申請可以在不同地區形成多件專利文獻，在統計分析時，將不同地區基于同一優先權的專利文獻族稱為一“項”，而將各個地區的專利文獻稱為一“件”。

（一）申請趨勢分析

我們利用DWPI 庫的數據統計了各項專利的最早優先權日，以期了解發明活動的整體進行情況。

在技術發展的早期，芯片封裝行業中的轉移技術是巨量轉移技術的技術原型，基于半導體行業微縮化的趨勢，海外對微小尺寸芯片的轉移技術一直有零星的前瞻性研究。如圖2 所示，巨量轉移技術相關的發明專利申請可以追溯到上世紀90 年代，甚至更早，但是直到2009 年全球申請量一直徘徊在二三十項左右。此時期的申請主要是海外申請，中國大陸的申請幾乎沒有。加利福尼亞州立大學于1993 年的專利申請（CN1147153A，下文將詳細介紹）是此時期較有代表性的專利申請。

圖2 申請量趨勢圖

到了2009 年，Rogers 教授及其合作者在Science雜志上發表論文“Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays”，公布了其應用巨量轉移技術制造Micro-LED 顯示器的相關工作，引起了國際上廣泛的關注。從圖2 的申請量趨勢圖也可以看出，2009 年以后的申請量開始逐步增長，包括索尼、夏普在內的諸多公司在這一年提出了相關的專利申請，而且值得注意的是，后來被蘋果公司收購的LuxVue公司恰恰就是在這一年成立的。

從圖2 中可以看出，從2016 年開始國內外申請量呈爆發式增長，并于2019 年達到巔峰，這與Micro-LED 顯示作為下一代顯示技術的發展方向開始被業界普遍重視有關。特別是中國大陸的申請量增長迅猛，很快超過海外申請量，可見“集中猛攻”是我國技術研發的一大特色。值得注意的是，盡管2020年仍然有小部分專利文獻尚未公開而導致當年數據不完整，但已經可以看出，相比于海外申請量很可能跌落的趨勢，中國大陸的申請量已經有小幅提升。2021年和2022 年申請的專利大部分因還未公開而數據不全，故總量不具有參考價值。

（二）申請的來源和目標區域分析

首先，我們利用DWPI 庫的數據統計了每一件專利文獻分布的區域。如圖3 所示，中國大陸和美國是專利文獻分布的主要區域，兩者之和超過了總量的一半，可見中國大陸和美國是全球巨量轉移技術最主要的市場。其次是日本、韓國、中國臺灣、歐洲和德國①本文中“歐洲”對應歐洲專利局的相應數據。“德國”對應德國專利局的相應數據。，都有數百的文獻量，也是巨量轉移技術較重要的市場。最后加拿大也有少量的文獻分布，該市場也值得關注。

圖3 專利文獻主要區域分布圖

然后，我們利用DWPI 庫的數據對每一件專利的來源地和目標地進行更細化的統計。如圖4 所示，無論從專利來源還是市場布局來看，中國大陸和美國的文獻量都是最大的。可見兩個區域在技術研發和市場兩方面都是全球最重要的區域。

圖4 專利文獻主要目標地-來源地區域分布圖

從專利布局來看，來自中國大陸的專利申請主要進入中國大陸和美國兩個區域，進入其他區域的量比較少；然而，來自美國的專利申請除了進入中國大陸和美國兩個區域之外，在日本、韓國、中國臺灣、歐洲等區域都有一定的布局。可見，中國大陸的專利技術主要關注中國大陸和美國市場布局，而美國的專利技術則更加側重全球的整體布局。

從專利來源地看，日本和韓國具有較大文獻量，但是從專利目標地來看，這兩個地區的專利文獻量又相對較少。由此可見，日本和韓國產生了大量的專利技術，但這些專利技術更傾向于向海外布局，即這兩個地區屬于技術輸出型地區。與此相反，歐洲是個非常有特色的區域，其作為來源地的專利申請并不多，但是相對而言以歐洲為目標地的專利文獻量較大，可見歐洲沒有產生很多專利技術但該地區是很多專利技術選擇布局的地區，即該地區屬于技術輸入型地區。中國臺灣、德國和加拿大的專利來源地-目標地的布局結構都比較均衡，和美國的類似，都屬于技術平衡型地區。

（三）主要申請人分析

我們根據DWPI 庫的數據對申請人進行了統計，并對相同或相關的申請人進行了人工合并，以了解重要申請人的情況。

圖5 申請量前二十的申請人情況

圖6 顯示了全球前20 位申請人的申請量，同時還區分了2016 年之前和之后的申請量。可以看出，在2016 年之前的主要申請人是蘋果，索尼、三星、X-celeprint 次之，可見，這些海外企業早年就在這一領域有一定的積累。而國內企業的申請全部都是在2016 年以后的，巧合的是臺灣CIMS 恰好就是在2016 年成立的，可以認為臺灣CIMS 的成立直接引起了國內相關顯示企業對Micro-LED 顯示技術的重點關注，同時標志著Micro-LED 顯示作為下一代主流顯示技術成為了市場共識。

從圖6 可以看出，領域內最主要的申請人仍然是傳統的顯示企業，如三星、京東方、華星光電、LG等。三星在不同產業都有較均衡的專利布局，故較早進入該產業，其他企業都進入較晚，2016 年以前的申請量較少或沒有，但是2016 年之后專利量增長迅猛、后來居上。特別是康佳，其所有的專利都是在2019 年成立康佳光電技術研究院之后申請的。這與這些公司的經營模式有關。它們一般比較保守，在市場趨勢尚未明朗之前，研發力量仍在較主流的LCD、OLED 顯示技術，到2016 年Micro-LED 顯示被普遍認為是下一代的主流顯示技術之后，才開始進行集中研發，并很快出現專利申請的井噴。

圖6 專利申請CN1513204A中的轉移方法

另一方面，一些知名的下游企業開始涉足顯示行業，如蘋果、Facebook。這些企業往往是顯示企業的客戶，對顯示行業的發展趨勢有很強的話語權，因此，2014 年蘋果收購LuxVue 公司、2020 年Facebook 與Plessey 公司的合作，對于業界都是一劑強大的興奮劑。

一些基于巨量轉移技術研發的新公司開始出現在舞臺上，如X-celeprint、錼創、Point、ELUX、亮銳、成都辰顯。要知道半導體行業往往是資本密集型、技術密集型的，長期的技術積累對于一個公司而言是非常重要的，因而很少有初創公司能夠在這一行業占據相當的地位。但是Micro-LED 產業的結構不同，如前文圖1 所示，只需要基于巨量轉移這一項技術，就可以將現有較為成熟的技術進行整合，形成完整的結構。這種“以點帶面”的結構非常利于初創公司的形成。

另外，一些具有深厚封裝技術功底的公司，在巨量轉移技術上也有一定的布局，如英特爾、松下。

三、主要技術路線

從技術路線的角度，巨量轉移技術當前仍然處于一種百花齊放的狀態，眾多公司紛紛推出各具特色的巨量轉移方案，但是沒有一種能夠占據主流地位，相互之間也沒有類似技術演進的關聯。在此，僅通過羅列的方式介紹常見的巨量轉移技術。

當前主流的巨量轉移技術主要包括三類：拾取轉移、整體轉移和自組裝。其中拾取轉移為最常見的方案，而通過拾取方式的不同，又包括了多種技術路線。下面對較為主流的巨量轉移方案進行介紹。

（一）真空拾取

法國原子能委員會的專利申請CN1513204A 公開了一種從初始載體向最終載體轉移半導體芯片的方法。

如圖7 所示，在作為初始載體的基片10 上制造一些半導體芯片11（例如：光電子元件或者微電子元件），這些芯片11 通過至少一個阻止層12 與其余的基片10 分隔；在基片10 和芯片11 上鋪設粘膠層13，并粘連在傳遞載體14 上；然后通過拋光或相近的方法去除基片10；之后，進行垂直預切割，通過溝槽17 將芯片分隔；此后，選擇性地拾取待轉移的薄片16，即在壓力作用/抽吸作用/一連串的壓力和抽吸作用/一連串的壓力和釋放壓力的作用/一連串的抽吸和釋放抽吸的作用下，或者通過拾取工具18 施加突然的壓力，實現薄片16 的相應的位置斷裂，將待轉移的薄片16 分離開來；最后將該抽取的薄片16 固定在最終載體19 上，去除粘膠層13 以最終留下半導體芯片11。

圖7 專利申請CN104115266A中的轉移方法

這種方法的好處是可以和現有的微電子設備兼容，可以任意選取轉移的單體。缺點是預切割過程會限制所轉移的單體尺寸、耐熱度。而且由于真空吸頭的限制，該方法只能轉移尺寸在80um 以上的芯片，轉移速度也較慢，三星、索尼等公司在該技術上都有一定的布局。

（二）靜電拾取、磁拾取

蘋果/LuxVue 公司的專利申請CN104115266A 公開了一種利用靜電轉移頭組件將承載襯底上的微型器件轉移到接收襯底上的方法。

如圖8，本方法中特別設計了相應的轉移工具，包括靜電轉移頭組件206 以及與對應的微型LED 器件陣列的節距的整數倍相匹配的靜電轉移頭陣列204。這種轉移工具可用于拾取該微型LED 器件并將其轉移并鍵合到接收襯底。這樣，可以高轉移速率將微型LED 器件集成并裝配到不同類的集成的系統中，包括從微型顯示到大面積顯示范圍內任何尺寸的襯底。其工作方式是將吸合電壓施加于靜電轉移頭，根據靜電夾使用異性電荷相吸的原理來拾取微型 器件。

圖8 專利申請CN107004615A中的轉移方法

同時，為了保證拾取之后在接收襯底300 上放置微型LED 器件的成功率，在放置時采用加熱的方式使得微型LED 器件下方的鍵合層連接在接收襯底300相應的位置。這樣也可以保障微型LED 器件與接收襯底300（常常是TFT 基板）良好的電接觸。

這種方法的好處是可以在1/10 秒到幾秒之內將微型器件陣列從承載襯底轉移到接收襯底，并且在1/4 的轉移時間中將該微型器件陣列鍵合到接收襯底。此外，由于靜電轉移頭陣列可具有1—100μm 的節距（P）以及1—100μm 的最大寬度（W），這樣可以根據需要將密集排列在承載襯底（常常是微型器件最初的生長襯底）上的微型器件以最高效的方式轉移到一個或多個接收襯底上，并相應地稀疏排列。這種方案轉移效率高、良率好，非常適用于工業生產。蘋果、友達、VueReal 公司、Cooledge 公司在該技術上都有一定的技術布局。

另有一種與靜電拾取類似的磁拾取方案，其利用MEMS 磁鐵制成的磁性轉移頭進行拾取。但由于磁力的靈敏度和相應速度較靜電力較差，因而當前只能轉移尺寸在10um 以上的芯片，轉移速度較其他方案也較差，錼創、臺灣工研院、Cooledge 公司仍然在該技術上不斷努力。

（三）轉模印刷

X-celeprint 公司的專利申請CN107004615A 公開了一種利用彈性印模與半導體元件之間的范德瓦爾斯力轉移半導體元件的方法。

如圖9 所示，在母襯底105 上制造多個可印刷半導體元件100 形成的第一圖案110。然后，使具有含有多個離散連結區125 的接觸表面120 的保形轉移裝置115（常用彈性印模）與母襯底105 上的可印刷半導體元件100 的一部分保形接觸，該接觸表面120 上的連結區125 的特征為對于可印刷半導體元件100 的親和性且可為化學改性區（此類區具有從PDMS 層的表面延伸的羥基）或涂覆有一或多個粘合層的區。此后，轉移接觸在連結區125 上的可印刷半導體元件100 至襯底135 的接收表面130 接觸。隨后半導體元件100 與接觸表面120 的分離，導致半導體元件100組裝于襯底135 的接收表面130 上，借此產生可印刷半導體元件100 的第二圖案140，該第二圖案140 在位置及空間定向上不同于之前的第一圖案110。其中，分離的方法為：在印模210 精確對準到接收襯底230之后，通過施加均勻氣壓235 使印模210 與接收襯底230 保形接觸；接著通過固持印模210 的移動或接收襯底230 的移動以達一定位移偏移265，從而將X-Y平面內剪切力250 施加到印模，此剪切力傳輸到印模底表面，從而導致印模印刷柱270 的一些彈性機械變形；最后通過在相對于接收表面230 的垂直（Z）方向280 上移動印模210 且同時減小施加于印模背襯上的氣壓235 而使印模210 脫離接收襯底230。

圖9 專利申請CN101859728A中的轉移方法

這種轉移方法的自由度非常大，如其名字那樣，可以像印刷一樣根據需要自由地將器件印刷到需要的表面上。它可以全室溫處理，非常適用于如柔性顯示面板等溫度不耐的轉移場景。更重要的是，這種方法無需如轉移頭之類的精密器件，成本低廉。當前主要是X-celeprint 公司采用該技術，其轉移的芯片尺寸可達納米級別，而且由于是整面一次全部轉印，因而轉移時間可以忽略 不計。

（四）激光脫附

索尼公司的專利申請CN10 1859728A 公開了一種將器件從第一基板轉移到第二基板上的方法。

如圖10 所示，將帶有器件5 的第一基板1 移動到第二基板7 上方，然后激光照射所需要轉移的器件5，使得相應器件5 上的剝離層3 的固定能力下降，從而使得相應的器件5 從第一基板1 上脫離并留在第二基板7 上。其中，剝離層3 由通過吸收該轉移方法中所使用的激光束而被爆發性地蒸發和去除（所謂的剝離）的材料制成，例如可使用聚酰亞胺作為該材料，但本發明并不局限于此。

圖10 專利申請CN104396030A中的轉移方法

考慮到激光的平行性完全可以保障微米級的高精度轉移操作，而且光學操作較靜電力、范德瓦爾斯力等力學操作更為簡單可靠，技術難度低，包括索尼、夏普、美科米尚、歌爾、QMAT、Uniqarta 等諸多公司在這一技術路線上進行研發。

（五）整片轉移

法國原子能委員會的專利申請CN104396030A 公開了一種將支承基板（原始生長基板）上的器件整體轉移到轉印基板（目標基板）上的方法。

如圖11 所示，在支承基板100 上生長LED，并通過刻蝕溝槽結構160 以分割出多個基本LED 結構125，沉積絕緣材料130 以覆蓋基本LED 結構125 的暴露的表面和溝槽160；然后，通過刻蝕去除基本LED 結構125 上方的絕緣層材料130，并制造接觸墊134；之后，在整個表面上方沉積金屬層142 并拋光，在上方結合轉印基板150；最后，翻轉過來去除原始的支承基板100。

圖11 專利申請CN1147153A中的轉移方法

這種整體轉移的方法在半導體領域中有較廣泛的應用，其優點在于方法簡單、轉移的良率高。然而，其不能改變基板上各個器件之間的位置和取向關系，即只能1:1 地按照原樣轉移，這對于其在Micro-LED顯示技術中的應用來說有很大的限制。因此，這種方案只是在較早的文獻中出現，現在較少使用。

（六）自組裝

加利福尼亞大學（以下簡稱“加州大學”）的專利申請CN1147153A 公開了一種通過自組裝的方法向基片轉移單體器件的方案。

如圖12 所示，在目標基片的上表面形成至少一個凹槽區，該凹槽與定形塊19 的形狀相對應；然后，在流體內提供多個定形塊19 以形成相應的漿體，使該包含多個定形塊19 的漿體在目標基片上均勻地流動，此時，定形塊19 將以自對準的方式留在凹槽中；最后將相應的定形塊19 制作成相應的器件。

加州大學在1993 年申請了這項專利之后，就沒有更新的進展了。然而，這種自組裝的方案非常簡單，成本最低，轉移速度非常快，如果良率能夠達到足夠高的水平，將非常有競爭力。目前三星、夏普、eLux、Nth Degree 以及我國臺灣地區的一些公司仍然在這個技術方向上不斷地努力，他們通過使用不同的自對準方式、不同的定形塊設計，以期形成更成熟穩定的工藝。目前的技術能夠轉移尺寸在10um 以上的芯片，每小時轉移芯片量可達56M 以上。

四、小結

本文對Micro-LED 顯示中的巨量轉移技術進行了概述，并以巨量轉移技術相關的專利數據為基礎對全球的專利申請趨勢、專利申請的來源-目標區域和主要申請人進行了分析，最后對實現巨量轉移的主要技術路線進行了梳理。

巨量轉移技術是實現VR/AR 技術中Micro-LED顯示的關鍵技術，盡管已經出現了多個技術路線，但仍處于技術發展初期，良率和效率的問題仍然沒有得到很好的解決。不論是初創企業還是老牌企業，巨量轉移技術對其而言都是非常值得關注的機遇所在。此外，該技術也是整合區域產業鏈的關鍵一環，是區域統籌規劃的絕佳著力點。

巨量轉移技術是當前研究的熱點技術，全球申請人都在加緊專利技術布局，相關的專利申請量仍將大量出現。國內創新主體在發展自己技術路線的同時，可以借助專利預警和專利導航等方式，跟進了解蘋果、Facbook 等在應用領域有話語權企業的專利技術布局，并重點關注相關初創公司的專利技術動態，同時規避侵權風險。

專家點評

Micro-LED 顯示是當前顯示領域最有競爭力的技術之一，其中巨量轉移技術作為Micro-LED 顯示中的關鍵技術，已經成為國際和國內市場關注的熱點。本文以巨量轉移技術領域的全球專利文獻作為切入點，分析了該領域的專利申請發展趨勢、區域布局以及國內外主要申請人，并對實現巨量轉移的主要技術路線進行了梳理，以期對我國巨量轉移技術領域的技術發展和專利布局提供參考。

審核人：王興妍

國家知識產權局專利局電學發明審查部半導體一處處長