Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀?

湯 暉，廖智燊，魏玉章，林志杭，董志強(qiáng)，張曉輝

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣州，510006） （2.廣州納動(dòng)半導(dǎo)體設(shè)備有限公司 廣州，510006）（3.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣州，510006） （4.季華實(shí)驗(yàn)室 佛山，528255）

引言

5G+8K 大數(shù)據(jù)時(shí)代下，Mini/Micro LED 等新型顯示技術(shù)因具備亮度、對(duì)比度、色彩范圍、功耗及壽命等方面顯著優(yōu)勢(shì)，被視為次世代顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［1-3］。隨著Mini/Micro LED 芯片不斷微縮（芯片尺寸<50 μm，像素Pitch<2.5 μm），對(duì)轉(zhuǎn)移裝備要求不斷提高（精度<±0.25 μm，芯片數(shù)≥1 億顆/屏，效率≥1 000 萬(wàn)顆/h，良率≥99.999 9%），傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方式難以滿(mǎn)足Mini/Micro LED 封裝制造的苛刻需求，因此芯片規(guī)模化轉(zhuǎn)移與集群封裝技術(shù)（巨量轉(zhuǎn)移）被列入了中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)2021—2022 年度“前沿科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)難題”之一，已成為該領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。我國(guó)雖是顯示制造大國(guó)（產(chǎn)值超過(guò)萬(wàn)億，產(chǎn)能占全球70%以上），但距“顯示強(qiáng)國(guó)”仍有較大差距，關(guān)鍵材料和核心裝備仍依賴(lài)進(jìn)口，我國(guó)新型顯示制造產(chǎn)業(yè)面臨卡脖子局面，對(duì)材料和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化需求迫在眉睫［4-5］。

Mini/Micro LED 顯示設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程主要分為以下部分：①制作微型LED 芯片；②巨量轉(zhuǎn)移封裝與檢測(cè)修復(fù)；③組裝顯示設(shè)備。目前的微型LED 芯片制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在6 英寸（15.24 cm）晶圓上生長(zhǎng)出約1.5 億顆微米級(jí)LED 芯片，芯片間距小于10 μm。隨著芯片制造工藝與裝備的不斷發(fā)展，芯片間距縮小至5 μm，數(shù)量突破6 億顆［6-7］。因此，巨量轉(zhuǎn)移封裝需要高效地將大量的芯片精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到電路基板上，然而目前封裝技術(shù)效率較低。例如，韓國(guó)三星制作75 英寸（190.5 cm）的Micro LED顯示面板時(shí)，運(yùn)用單頭轉(zhuǎn)移技術(shù)將2 400 萬(wàn)余顆微型LED 芯片從晶圓上轉(zhuǎn)移到基板上封裝，需要耗時(shí)高達(dá)57 天［8］。巨量轉(zhuǎn)移封裝的效率良率保障機(jī)制是Mini/Micro LED 顯示技術(shù)走向批量化生產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸。

Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移封裝主要涉及到以下核心技術(shù)：巨量轉(zhuǎn)移工藝、微納平臺(tái)對(duì)位技術(shù)以及視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)。巨量轉(zhuǎn)移是將芯片從源基板轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上，不同的工藝方法不僅在工作原理上有區(qū)別，轉(zhuǎn)移速率也有很大不同。微納平臺(tái)對(duì)位技術(shù)是將源基板和目標(biāo)基板進(jìn)行精確對(duì)位，從而實(shí)現(xiàn)芯片精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到指定微型凹槽中。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是利用機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)芯片對(duì)位和芯片缺陷，并利用視覺(jué)伺服驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和轉(zhuǎn)移裝置實(shí)現(xiàn)芯片精準(zhǔn)對(duì)位和修復(fù)缺陷芯片。微納平臺(tái)對(duì)位技術(shù)和視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)需要協(xié)同配合，從而提高巨量轉(zhuǎn)移的速度和精度。在不同的巨量轉(zhuǎn)移工藝中，絕大部分都需要利用微納平臺(tái)對(duì)位技術(shù)與視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)［9-11］。因此，筆者將微納平臺(tái)對(duì)位技術(shù)與視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)歸納為Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移的通用關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1 巨量轉(zhuǎn)移工藝及裝備概述

根據(jù)不同的工作原理，主要有3 種Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移工藝方法：接觸式微轉(zhuǎn)印技術(shù)（micro transfer printing，簡(jiǎn)稱(chēng)μTP）、非接觸式激光轉(zhuǎn)移技術(shù)（laser mass transfer，簡(jiǎn)稱(chēng)LMT）和自組裝轉(zhuǎn)移技術(shù)（self-assembly transfer，簡(jiǎn)稱(chēng) SAT）。

1.1 接觸式微轉(zhuǎn)印技術(shù)

接觸式微轉(zhuǎn)印技術(shù)是通過(guò)物理接觸的方式，將微型LED 芯片從源基板轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上，其工作原理如圖1 所示。根據(jù)與芯片接觸原理的不同，接觸微轉(zhuǎn)印技術(shù)可分為4 種：靜電力吸附轉(zhuǎn)移、范德華力粘附轉(zhuǎn)移、電磁力吸附轉(zhuǎn)移和機(jī)械式轉(zhuǎn)移。

圖1 接觸式微轉(zhuǎn)印工作原理Fig.1 Principle of μTP

1.1.1 靜電力吸附轉(zhuǎn)移

靜電力吸附轉(zhuǎn)移基于異種電荷互吸原理，分別對(duì)轉(zhuǎn)移頭陣列與芯片陣列選擇性地施加異性電荷，通過(guò)改變電荷大小實(shí)現(xiàn)抓取與釋放［12-13］。靜電轉(zhuǎn)移工藝最先是由LuxVue 公司于2012 年提出并一直主導(dǎo)研究，該公司研發(fā)了一整套靜電力吸附轉(zhuǎn)移系統(tǒng)［14］，如圖2 所示。靜電轉(zhuǎn)移工藝是一種可選擇性的陣列化芯片轉(zhuǎn)移工藝，轉(zhuǎn)移效率達(dá)到了12 kk/h。但是，該工藝存在以下關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：①為保證靜電吸附力的均勻性和避免無(wú)效抓取，該工藝對(duì)LED 芯片襯底的平整度要求較高；②在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，靜電轉(zhuǎn)移頭陣列-LED 芯片陣列、LED 芯片陣列-目標(biāo)基板陣列需要保證空間內(nèi)的多維高精對(duì)位；③電極轉(zhuǎn)移頭電壓需要精準(zhǔn)控制，過(guò)大會(huì)損壞芯片，過(guò)小則無(wú)法提供足夠的靜電力。

圖2 LuxVue 公司靜電力吸附轉(zhuǎn)移系統(tǒng)Fig.2 Electrostatic transfer system of LuxVue

1.1.2 范德華力粘附轉(zhuǎn)移

范德華力粘附轉(zhuǎn)移工藝是基于分子間作用力的工藝，通常是利用聚二甲基硅氧烷（Poly dimethylsiloxane，簡(jiǎn)稱(chēng)PDMS）與微型LED 芯片材料的粘附關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片的拾取與釋放，實(shí)現(xiàn)方式主要有印章式轉(zhuǎn)移與滾軸式轉(zhuǎn)印。

印章式巨量轉(zhuǎn)移方案與裝備如圖3 所示，其中PDMS 印章頭的結(jié)構(gòu)是獨(dú)特的核心關(guān)鍵技術(shù)。圖3（a）為美國(guó)X-Celeprint 公司設(shè)計(jì)的模制柱型印章頭［15］，增加了拾取芯片的數(shù)量，提高了芯片的轉(zhuǎn)移效率；圖3（b）為美國(guó)貝克曼研究所設(shè)計(jì)的帶有金字塔狀微尖的印章頭［16］，能更好地控制印章/芯片界面的粘附力，轉(zhuǎn)移率達(dá)1 kk/h；圖3（c）為美國(guó)X Display 公司的印章式轉(zhuǎn)移設(shè)備［17］。印章式轉(zhuǎn)移技術(shù)是一種無(wú)選擇性的陣列轉(zhuǎn)移方法，該工藝的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)有：①PDMS 材料的制作與印章頭的優(yōu)化；②印章頭、芯片陣列與目標(biāo)基板的空間精準(zhǔn)對(duì)位。

圖3 印章式巨量轉(zhuǎn)移方案與裝備Fig.3 Stamp transfer scheme and equipment

滾軸式轉(zhuǎn)印方案與設(shè)備如圖4 所示［18］，該技術(shù)是把印章集成在滾輪上，利用印章頭把LED 芯片從源基板中拾取，并滾動(dòng)壓印到目標(biāo)基板。圖4（a）為韓國(guó)機(jī)械與材料研究所（KIMM）基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)的滾軸式轉(zhuǎn)印系統(tǒng)［19-20］；圖4（b）為美國(guó)密歇根大學(xué)與德國(guó)Temicon 公司設(shè)計(jì)的基于雙滾軸、傳送帶、UV 光源和機(jī)電系統(tǒng)協(xié)同配合的大面積納米壓印光刻轉(zhuǎn)移系統(tǒng)［21-22］，可實(shí)現(xiàn)柔性基底的大尺寸屏幕生產(chǎn)，轉(zhuǎn)移速率可達(dá)3.6～36 kk/h。

圖4 滾軸式轉(zhuǎn)印方案與設(shè)備Fig.4 Roller transfer schemes and equipment

該工藝的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是多系統(tǒng)的協(xié)同控制，以及其制備的柔性顯示器允許的最大機(jī)械拉伸變形只能達(dá)到40%。

1.1.3 電磁力吸附轉(zhuǎn)移

電磁力吸附轉(zhuǎn)移是一種通過(guò)控制磁性微機(jī)電系統(tǒng)陣列選擇性地吸取和放置LED 芯片的工藝。這種工藝中電壓電流沒(méi)有直接作用在LED 芯片上，避免了對(duì)LED 的電學(xué)損壞［23］，其中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是：①較高的磁性材料的均勻性要求；②電磁編程模塊的設(shè)計(jì)。

1.1.4 機(jī)械式轉(zhuǎn)移

機(jī)械式轉(zhuǎn)移工藝也稱(chēng)為機(jī)械刺晶，是一種新型板上芯片（chip on board，簡(jiǎn)稱(chēng)COB）倒裝轉(zhuǎn)移工藝，其原理如圖5 所示，將LED 芯片-頂針-基板精準(zhǔn)對(duì)齊，頂針直接從藍(lán)膜背面將芯片刺向基板完成轉(zhuǎn)移。機(jī)械式轉(zhuǎn)移設(shè)備如圖6 所示，其中：圖6（a）為美國(guó)Rohinni 結(jié)合刺晶轉(zhuǎn)移工藝與陣列轉(zhuǎn)移技術(shù)開(kāi)發(fā)的一套Mini LED 芯片轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)移效率為0.36 kk/h［24］；圖6（b）為普萊信開(kāi)發(fā)的Mini LED 刺晶轉(zhuǎn)移設(shè)備，其轉(zhuǎn)移效率為0.18 kk/h［25］。

圖5 刺晶倒裝COB 轉(zhuǎn)移技術(shù)Fig.5 Pin-ejector transfer technique of COB

圖6 機(jī)械式轉(zhuǎn)移設(shè)備Fig.6 Mechanical transfer equipment

機(jī)械刺晶轉(zhuǎn)移有效地簡(jiǎn)化了真空吸附轉(zhuǎn)移工藝的流程，大幅度提升了轉(zhuǎn)移效率。該工藝存在3 項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)：①轉(zhuǎn)移過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與刺晶頭的高頻運(yùn)動(dòng)容易引起非線(xiàn)性振動(dòng)，限制轉(zhuǎn)移的效率與良率；②該工藝的芯片載體是藍(lán)膜，降低膜的延展性與可塑性對(duì)轉(zhuǎn)移芯片的影響是提升機(jī)械刺晶轉(zhuǎn)移速率與良率的關(guān)鍵。

1.2 非接觸式激光轉(zhuǎn)移技術(shù)

激光巨量轉(zhuǎn)移工藝如圖7 所示，是一種利用高能激光照射透明基板和芯片間的響應(yīng)層材料，使之發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)并讓芯片剝離掉落的工藝［26-27］。根據(jù)剝落方式可以分為直接剝離式和間接剝離式。直接剝離式激光巨量轉(zhuǎn)移是指使用激光直接照射并燒蝕掉芯片上方的響應(yīng)層材料，讓芯片自由落體到目標(biāo)基板上。間接剝離式巨量轉(zhuǎn)移是指通過(guò)高能激光誘導(dǎo)響應(yīng)層產(chǎn)生凸起，在機(jī)械力作用下剝離并掉落到基板上。激光式的巨量轉(zhuǎn)移工藝不受機(jī)械轉(zhuǎn)移頭的物理性質(zhì)影響，有更高的轉(zhuǎn)移效率、良率以及可選擇性。

圖7 激光巨量轉(zhuǎn)移工藝Fig.7 Laser mass transfer technology

激光巨量轉(zhuǎn)移裝備如圖8 所示，其中德國(guó)3D-Micromac 推出了直接激光剝離巨量轉(zhuǎn)移設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移效率達(dá)到130 kk/h［28］。日本川崎公司（K&S）、東麗工程株式會(huì)社（TORAY）以及我國(guó)大族半導(dǎo)體公司推出了響應(yīng)層光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡的間接式激光巨量轉(zhuǎn)移裝備，轉(zhuǎn)移精度<1.5 μm，轉(zhuǎn)移效率為25～100 kk/h［29-31］；美國(guó)Coherent 公司推出了光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生局部凸起的應(yīng)力輔助間接式激光巨量轉(zhuǎn)移裝備，轉(zhuǎn)移效率<100 kk/h［32］。

圖8 激光巨量轉(zhuǎn)移裝備Fig.8 Laser mass transfer equipment

該工藝存在以下技術(shù)難點(diǎn)：①LED 芯片載體的粘附層材料性能需要提升，粘附層的成本以及發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的效果都將直接決定轉(zhuǎn)移的效率與良率；②透明基板平面與目標(biāo)基板平面的對(duì)位精度需要嚴(yán)格保障，當(dāng)透明基板與目標(biāo)基板間的對(duì)位和平行度存在誤差時(shí)，LED 芯片掉落后難以與目標(biāo)基板的電極精準(zhǔn)對(duì)位，從而降低轉(zhuǎn)移良率；③激光器的功率、頻率需要嚴(yán)格控制，功率過(guò)大會(huì)燒蝕LED 芯片，功率不足會(huì)影響剝離效果。

1.3 自組裝轉(zhuǎn)移工藝

自組裝轉(zhuǎn)移是通過(guò)流體（fluid self-assembly，簡(jiǎn)稱(chēng)FSA）或磁場(chǎng)（magnetic self-assembly，簡(jiǎn)稱(chēng)MSA）推動(dòng)具有特殊微結(jié)構(gòu)LED 芯片，使得芯片在流動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)，并掉落到目標(biāo)電極上，其工藝原理如圖9 所示。流體自主裝工作原理見(jiàn)圖9（a）［33］，自組裝技術(shù)操作簡(jiǎn)單，互連寄生效應(yīng)小，具有低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)。2021 年，美國(guó)eLux 公布了該公司的流體自組裝裝備，見(jiàn)圖9（b），并生產(chǎn)出 12.3 英寸（31.24 cm）Micro LED 顯示器，轉(zhuǎn)移效率為3.1 kk/h［34］。美國(guó)麻省理工學(xué)院提出一種利用磁力替代流體推動(dòng)LED 器件的轉(zhuǎn)移工藝，增強(qiáng)了流動(dòng)的速率及固定力［35］，如圖14（c）所示。

圖9 自組裝轉(zhuǎn)移工藝原理Fig.9 Principle of self-assembly transfer

該工藝存在以下技術(shù)難點(diǎn)：①流體溶液和基板的材料；②LED 芯片與目標(biāo)基板的微結(jié)構(gòu)的制造；③流體或者磁力的精準(zhǔn)控制。

2 巨量轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)概述

除自組裝轉(zhuǎn)移外，當(dāng)前的巨量轉(zhuǎn)移工藝按芯片轉(zhuǎn)移次數(shù)可以分為2 種：轉(zhuǎn)移2 次（包括靜電力吸附轉(zhuǎn)移、范德華力粘附轉(zhuǎn)移和電磁力吸附轉(zhuǎn)移）；轉(zhuǎn)移1 次（包括機(jī)械式轉(zhuǎn)移與激光巨量轉(zhuǎn)移）。巨量轉(zhuǎn)移裝備構(gòu)型如圖10 所示。

圖10 巨量轉(zhuǎn)移裝備構(gòu)型Fig.10 Mass transfer equipment configuration

Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移工藝中的共性流程如下：①通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)完成目標(biāo)基板與芯片載體的對(duì)位，確定目標(biāo)芯片及目標(biāo)基板的位置；②運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載芯片轉(zhuǎn)移載體（或源基板）以及目標(biāo)基板精準(zhǔn)地定位到指定位置；③轉(zhuǎn)移頭動(dòng)作實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移；④通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)評(píng)估轉(zhuǎn)移質(zhì)量。由此可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位技術(shù)與視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵共性技術(shù)。

2.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位技術(shù)

在Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移過(guò)程中，芯片載體與目標(biāo)基板之間除了xy平面位置的精準(zhǔn)對(duì)位外，還需要確保兩者之間的空間相對(duì)平行。因此，巨量轉(zhuǎn)移使用的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一般由兩部分組成，即大行程的xy平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與空間調(diào)平糾偏裝置。

2.1.1xy平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

在Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移中，xy平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)決定了顯示設(shè)備制作的最大尺寸，其精度也會(huì)影響轉(zhuǎn)移質(zhì)量，因此xy平面平臺(tái)需要滿(mǎn)足大行程、高精度及高速度的要求。當(dāng)前，使用最廣泛的3 種xy運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為氣浮式、磁浮式和機(jī)械式［36］。

氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)相似，主要區(qū)別在于前者使用壓縮空氣產(chǎn)生浮力，后者利用磁阻力或洛倫茲力。以動(dòng)力的工作形式（支撐/驅(qū)動(dòng)）劃分，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可分為氣浮/磁浮導(dǎo)軌支撐平臺(tái)和氣浮/磁浮驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。氣浮導(dǎo)軌支撐的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，以靜壓氣浮導(dǎo)軌做支撐，通過(guò)各類(lèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)。靜壓氣浮導(dǎo)軌利用壓縮空氣在導(dǎo)軌間隙形成靜壓空氣薄膜，為負(fù)載提供無(wú)摩擦的支撐［37］。氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如圖11 所示，其中：加拿大滑鐵盧大學(xué)（UW）研制的T 型氣體靜壓軸承支撐的定位平臺(tái)［38］行程可達(dá)300 mm×300 mm，運(yùn)動(dòng)定位精度達(dá)2.4 μm，如圖11（a）所示；上海交通大學(xué)（SJTU）采用的雙H型氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)平臺(tái)［39］，運(yùn)動(dòng)行程為300 mm×300 mm，定位精度達(dá)到了±2 μm，如圖11（b）所示。氣浮驅(qū)動(dòng)平臺(tái)是通過(guò)動(dòng)子端的氣壓差實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，具有無(wú)摩擦、高精度的優(yōu)勢(shì)，且結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。氣浮/磁浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)精度可達(dá)納米級(jí)，但流體力和磁力控制難，工作環(huán)境苛刻，造價(jià)高昂，目前主要應(yīng)用于高端半導(dǎo)體光刻等對(duì)精度要求極高的領(lǐng)域。

圖11 氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)Fig.11 Air bearing motion platform

機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通常以滾珠滑臺(tái)等機(jī)械導(dǎo)軌支撐，以直線(xiàn)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載力大等優(yōu)勢(shì)。受限于物理結(jié)構(gòu)與摩擦力，機(jī)械平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中極易產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，導(dǎo)致精度限制在微米級(jí)，無(wú)法滿(mǎn)足Micro LED 的應(yīng)用需求。宏微復(fù)合平臺(tái)如圖12 所示，是一種利用高精度微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行精度補(bǔ)償以及振動(dòng)抑制的大行程宏動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)策略。美國(guó)加州大學(xué)（UC）將超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的宏平臺(tái)與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微平臺(tái)進(jìn)行復(fù)合，使平臺(tái)的位移分辨率從5 μm 提升到5 nm［40］，如圖12（a）所示；韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)（PUST）復(fù)合了行程為100 mm×200 mm 的宏平臺(tái)與100 μm×100 μm 的微平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的定位精度［41］，如圖12（b）所示。針對(duì)Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移需求，xy平面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的主要技術(shù)難點(diǎn)如下：①成本控制下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度與響應(yīng)速度平衡；②宏微復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式中微動(dòng)平臺(tái)中行程、精度與負(fù)載的多目標(biāo)優(yōu)化。

圖12 宏微復(fù)合平臺(tái)Fig.12 Macro-micro composite motion stage

2.1.2 空間調(diào)平糾偏對(duì)位裝置

在巨量轉(zhuǎn)移過(guò)程中，調(diào)平糾偏裝置通過(guò)調(diào)整目標(biāo)基板的旋轉(zhuǎn)角度（繞z軸旋轉(zhuǎn)角）、俯仰角度（繞x軸旋轉(zhuǎn)角）及偏擺角度（繞y軸旋轉(zhuǎn)角）以實(shí)現(xiàn)空間調(diào)平對(duì)位的功能。圖13 所示為3 種常見(jiàn)的需要調(diào)平糾偏的場(chǎng)合。

圖13 調(diào)平糾偏示意圖Fig.13 Schematic diagram of leveling and correction

當(dāng)芯片釋放平面與目標(biāo)基板面不是相對(duì)平行時(shí)，芯片陣列從轉(zhuǎn)移載體上掉落時(shí)極易出現(xiàn)芯片與電極錯(cuò)位的現(xiàn)象，如圖13（a）所示；在巨量轉(zhuǎn)移過(guò)程中，為了避免氣流對(duì)芯片自由落地的影響，芯片載體與目標(biāo)基板之間需要保持50 μm 以?xún)?nèi)的間隙，在調(diào)整兩板間隙的過(guò)程中，傳感器通常只能測(cè)量一側(cè)的距離，假如兩板不平行，可能會(huì)導(dǎo)致芯片載體與目標(biāo)基板間產(chǎn)生碰撞，如圖13（b）所示；在機(jī)械刺晶巨量轉(zhuǎn)移工藝中，受限于頂針的工作距離，當(dāng)目標(biāo)基板與源基板之間的間隙變大時(shí)，極易造成空刺現(xiàn)象，如圖13（c）所示。

綜上所述，現(xiàn)有的巨量轉(zhuǎn)移工藝中，不僅需要xy運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行平面對(duì)位，還需要調(diào)平糾偏裝置進(jìn)行空間對(duì)位，該裝置也是區(qū)別于毫米級(jí)LED 芯片轉(zhuǎn)移的重要核心零部件。空間調(diào)平糾偏裝置如圖14所示。

圖14 空間調(diào)平糾偏裝置Fig.14 Tip-tilt stage

圖14（a）為奧地利維也納理工大學(xué)（VUT）設(shè)計(jì)的一種混合磁阻驅(qū)動(dòng)的二自由度俯仰偏擺裝置，可以實(shí)現(xiàn)θx與θy方向±52 mrad 的運(yùn)動(dòng)，角分辨率為2.23 nrad［42］；圖14（b）為北京空間機(jī)電研究所（BSEI）研制的一種高分辨率6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的平移分辨率達(dá)到0.2 μm、角度分辨率達(dá)到4.8 μrad［43］。Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移中空間調(diào)平糾偏對(duì)位系統(tǒng)主要技術(shù)瓶頸可概括如下：

1）在巨量轉(zhuǎn)移中，Mini/Micro LED 調(diào)平糾偏系統(tǒng)需要承載20～25 kg 的負(fù)載，然而現(xiàn)有的調(diào)平糾偏裝置負(fù)載基本都在10 kg 以下；

2）在巨量轉(zhuǎn)移工藝中，Mini/Micro LED 調(diào)平糾偏系統(tǒng)需要盡可能小的平臺(tái)高徑比（高度和直徑的比值），以提高復(fù)雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

3）空間調(diào)平糾偏裝置、xy運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以及轉(zhuǎn)移執(zhí)行裝置等多系統(tǒng)間的協(xié)同控制也是一大難點(diǎn)。

2.2 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)

巨量轉(zhuǎn)移中的視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)如圖15 所示，在Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移過(guò)程中，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在位置偏差檢測(cè)、缺陷檢測(cè)中發(fā)揮了重要作用。首先，需要檢測(cè)芯片載體與目標(biāo)基板的姿態(tài)信息并校正角度偏差和空間平行度偏差；其次，完成校正后，檢索目標(biāo)芯片與對(duì)應(yīng)電極的位置信息，并通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)位；最后，轉(zhuǎn)移、固晶之后，對(duì)完成轉(zhuǎn)移的目標(biāo)基板進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)出的缺陷位置將會(huì)反饋給修復(fù)設(shè)備以完成修復(fù)。在整個(gè)過(guò)程中，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)與視覺(jué)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。

圖15 巨量轉(zhuǎn)移中的視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)Fig.15 Visual detection technology in mass transfer

LED 芯片視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是指對(duì)LED 芯片進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別與精確定位，主要應(yīng)用于巨量轉(zhuǎn)移前對(duì)目標(biāo)LED 芯片進(jìn)行選取定位，以及對(duì)轉(zhuǎn)移后的目標(biāo)基板進(jìn)行缺陷檢測(cè)［44］。目前，較為常見(jiàn)的定位檢測(cè)方法有模板匹配方法、輪廓提取與查找方法和深度學(xué)習(xí)方法等。鐘富強(qiáng)等［45］對(duì)LED 芯片設(shè)計(jì)了一種基于鄰近像素點(diǎn)灰度均值的智能可調(diào)閾值的模板匹配算法，其定位檢測(cè)精度小于5 μm。盧軍［46］等將類(lèi)矩形擬合運(yùn)算應(yīng)用到方正芯片檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的面積統(tǒng)計(jì)和邊界信息獲取，并對(duì)缺陷進(jìn)行擬合實(shí)現(xiàn)定位，其準(zhǔn)確率達(dá)到100%，定位檢測(cè)誤差小于0.25 mm。

對(duì)目標(biāo)LED 芯片選取完成后，利用視覺(jué)伺服驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，使目標(biāo)芯片與目標(biāo)電極進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)位。Zheng 等［47］提出了一種利用預(yù)測(cè)模型評(píng)估圖像特征信息變化趨勢(shì)的方法，在運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)信息并規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，以提高視覺(jué)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Xie 等［48］在傳統(tǒng)視覺(jué)伺服系統(tǒng)中引入位移傳感器，將圖像采集特征信息與傳感器信息融合，提升了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。

Mini/Micro-LED 巨量轉(zhuǎn)移中的視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)仍存在以下難點(diǎn)：①缺陷檢測(cè)的效率與準(zhǔn)確率需進(jìn)一步提升；②視覺(jué)伺服驅(qū)動(dòng)的精度與速度需同步提升；③視覺(jué)檢測(cè)算法在復(fù)雜環(huán)境下的精度、穩(wěn)定性與魯棒性綜合保障。

3 前期研究與工作

3.1 主/被動(dòng)抑振融合自穩(wěn)定納米云臺(tái)

面向Micro/OLED 大型高清顯示面板前端制造工藝，即納米尺度物性原子力顯微鏡在線(xiàn)測(cè)量的需求，為解決振動(dòng)、噪聲導(dǎo)致的測(cè)量性能難以提升的問(wèn)題，筆者提出了一種基于柔性連接的自穩(wěn)定納米云臺(tái)策略，自主研發(fā)了一種主/被動(dòng)抑振融合的自穩(wěn)定納米云臺(tái)［49］，如圖16 所示。該技術(shù)攻克了產(chǎn)線(xiàn)環(huán)境下大型高清顯示面板前端制造測(cè)量寬頻振動(dòng)抑制的難題，控制帶寬可達(dá)500 Hz，隔振率可達(dá)90%，穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)±0.1 μm。

圖16 自穩(wěn)定納米云臺(tái)Fig.16 Self-stabilizing nanostage

3.2 Mini/Micro LED 視覺(jué)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)算法

針對(duì)新型顯示面板巨量轉(zhuǎn)移及檢測(cè)修復(fù)過(guò)程中缺陷芯片位置檢測(cè)的需求，突破視覺(jué)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)識(shí)別的精度、效率及準(zhǔn)確率難以同時(shí)保證的瓶頸，筆者提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的載板-基板近零間隙測(cè)量方法，以及“像素-亞像素”自適應(yīng)切換視覺(jué)快速尋邊尋點(diǎn)方法［50-51］，如圖17 所示。開(kāi)發(fā)的設(shè)備定位精度可達(dá)0.15 μm，過(guò)殺率≤0.03%，漏檢率≤0.01%，檢測(cè)效率可達(dá)1 000 mm2/s。

圖17 “像素-亞像素”自適應(yīng)切換視覺(jué)算法Fig.17 Pixels and subpixels to visual adaptive and switching algorithm

3.3 多自由度微納調(diào)平糾偏對(duì)位系統(tǒng)

針對(duì)Mini/Micro LED 芯片巨量轉(zhuǎn)移空間高速、高精對(duì)位的需求，以及芯片載板-基板多自由度實(shí)時(shí)調(diào)平糾偏對(duì)位的難題，筆者提出了一種壓電陶瓷與音圈電機(jī)復(fù)合雙向精密驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償方法，自主研發(fā)大載荷的多自由度微納調(diào)平糾偏對(duì)位系統(tǒng)如圖18 所示。該系統(tǒng)z向行程為5 mm，定位精度優(yōu)于100 nm，調(diào)偏精度優(yōu)于±4 μrad，載荷能力>20 kg［52-54］。

圖18 多自由度微納調(diào)平糾偏對(duì)位系統(tǒng)Fig.18 Multreedom micro/nanopositioning system for inplane error compensation

3.4 高速多維柔順微納操作技術(shù)

面向大尺寸高清顯示面板Mini LED 芯片巨量轉(zhuǎn)移封裝，針對(duì)高密度細(xì)間距芯片刺晶速度、精度與質(zhì)量難以同時(shí)保證的問(wèn)題，筆者提出了一種基于柔性鉸鏈的多維柔順飛行刺晶系統(tǒng)如圖19 所示，自主研發(fā)了先進(jìn)的高速多維柔順微納操作技術(shù)與裝備［55-58］。提出的柔性飛行刺晶新方法，解決了陣列化芯片高速、高加速轉(zhuǎn)移過(guò)程軟著陸柔順精準(zhǔn)互連的難題，微納刺晶頻率>30 Hz。

圖19 多維柔順飛行刺晶系統(tǒng)Fig.19 Multi-DOF compliant flying eject pin equipment

3.5 大行程壓電電機(jī)及納米驅(qū)動(dòng)控制

面向晶圓制造和高端制造裝備超精密運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件，針對(duì)大行程、高精度與大載荷難以同時(shí)保證的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種新型無(wú)回退線(xiàn)性納米壓電電機(jī)如圖20 所示，并開(kāi)發(fā)了一種非對(duì)稱(chēng)的納米電機(jī)優(yōu)化控制算法。該納米電機(jī)具有納米級(jí)分辨率、厘米級(jí)運(yùn)動(dòng)行程以及無(wú)回退、線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)生成特性，極限分辨率可達(dá)1 nm［59-61］。

圖20 無(wú)回退線(xiàn)性納米壓電電機(jī)Fig.20 Flexure piezomotor with minimized backward and nonlinear motion effect

3.6 熱畸變自消除柔性連接技術(shù)

面向Mini/Micro LED 固晶、焊接等熱加工過(guò)程，為滿(mǎn)足加工器件在不同的環(huán)境熱場(chǎng)中穩(wěn)定運(yùn)行的需求，筆者基于無(wú)摩擦、運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和匹配的熱膨脹系數(shù)設(shè)計(jì)原理，提出了一種可減小熱誤差影響的柔性連接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)60%以上的熱誤差消除。柔性連接作為剛性連接的有效補(bǔ)充，為 MicroLED巨量轉(zhuǎn)移裝備精度和穩(wěn)定性的提升開(kāi)辟了一條新的路徑［62］。所開(kāi)發(fā)的熱畸變自消除柔性連接系統(tǒng)如圖21 所示。

圖21 熱畸變自消除柔性連接系統(tǒng)Fig.21 Flexible connection system with thermal distortion self-elimination function

3.7 全自動(dòng)接近式光刻機(jī)

光刻過(guò)程中，掩膜版與晶圓之間的間隙值和整面平行度是決定光刻精度和光刻精度均勻性的關(guān)鍵因素。為實(shí)現(xiàn)掩膜版與晶圓之間的精準(zhǔn)對(duì)位，保證掩膜版與晶圓之間的近零間隙快速在線(xiàn)運(yùn)動(dòng)設(shè)定、整面調(diào)平以及位置實(shí)時(shí)反饋，筆者針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的掩膜版-晶圓的近零間隙測(cè)量方法，突破掩膜版-晶圓空間多自由度實(shí)現(xiàn)調(diào)平糾偏對(duì)位的難題，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)對(duì)位、間隙快速在線(xiàn)運(yùn)動(dòng)設(shè)定以及整面調(diào)平。定位精度達(dá)100 nm，間隙0～100 μm可調(diào)，調(diào)平精度<±5.5 μrad，載荷能力>20 kg。全自動(dòng)接近式光刻系統(tǒng)如圖22 所示。

圖22 全自動(dòng)接近式光刻系統(tǒng)Fig.22 Automatic proximity lithography system

4 討論與展望

當(dāng)前，Mini LED 顯示設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)，多數(shù)為單種類(lèi)芯片的背光板產(chǎn)品，而Micro LED顯示屏目前只處于樣品制造階段。為實(shí)現(xiàn)Mini/Micro LED 顯示設(shè)備的批量化生產(chǎn)，未來(lái)相關(guān)工藝和技術(shù)的發(fā)展方向如下：

1）激光巨量轉(zhuǎn)移工藝的效率高且容易實(shí)現(xiàn)，是未來(lái)Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移的主流工藝。不同的巨量轉(zhuǎn)移工藝有不同的效率上限，擺臂單顆轉(zhuǎn)移、針刺式轉(zhuǎn)移主要用于實(shí)現(xiàn)Mini LED 的轉(zhuǎn)移封裝，速率分別為16 k/h 和50～100 k/h。激光巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)、自組裝技術(shù)以及微轉(zhuǎn)印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移，其中激光巨量轉(zhuǎn)移速率可達(dá)300 kk/h，微轉(zhuǎn)印技術(shù)可達(dá)12 kk/h，自組裝技術(shù)可達(dá)5 kk/h。但是，激光巨量轉(zhuǎn)移在高能高功率的激光器、低成本高性能的粘附層材料、芯片載體與目標(biāo)基板的精準(zhǔn)對(duì)位、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與激光系統(tǒng)的協(xié)同操作等領(lǐng)域需要深入研究。

2）微納對(duì)位平臺(tái)的對(duì)位精度、速度和穩(wěn)定性需要同步提升。微納對(duì)位平臺(tái)包括xy運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與空間調(diào)平糾偏裝置。由于氣浮平臺(tái)具有無(wú)摩擦、納米級(jí)精度以及抗電磁干擾等特性，比較適合Micro-LED 巨量轉(zhuǎn)移的xy運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。由于Mini/Micro-LED 芯片的巨量轉(zhuǎn)移對(duì)空間平行度的要求很高，目標(biāo)基板與芯片載體之間的平行度精度是確保巨量轉(zhuǎn)移精度的重要步驟，加快平行度的調(diào)整速率也能直接加快巨量轉(zhuǎn)移實(shí)際效率。除了提高各個(gè)平臺(tái)的對(duì)位精度，平臺(tái)間跨尺度協(xié)同控制也非常關(guān)鍵。

3）視覺(jué)檢測(cè)精度和速度需進(jìn)一步提高。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)包括缺陷識(shí)別檢測(cè)技術(shù)、視覺(jué)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及近零間隙的檢測(cè)技術(shù)。巨量轉(zhuǎn)移中，由于轉(zhuǎn)移工藝復(fù)雜，轉(zhuǎn)移過(guò)程精度要求嚴(yán)格，高速高精的非接觸視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)將迎來(lái)廣泛需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者調(diào)研了當(dāng)前主流Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移工藝和裝備，分析了各個(gè)工藝的優(yōu)點(diǎn)以及存在的技術(shù)難點(diǎn)。從主流工藝中總結(jié)了Mini/Micro LED巨量轉(zhuǎn)移的共性關(guān)鍵技術(shù)，即微納平臺(tái)對(duì)位技術(shù)與視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，圍繞Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移開(kāi)展了一系列工作，開(kāi)發(fā)了系列關(guān)鍵技術(shù)，研制了原型樣機(jī)，并討論與展望了未來(lái)Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)與裝備的發(fā)展方向。相關(guān)創(chuàng)新成果得到了轉(zhuǎn)化應(yīng)用，與Mini/Micro LED 巨量轉(zhuǎn)移行業(yè)龍頭企業(yè)合作，開(kāi)發(fā)了新一代產(chǎn)品設(shè)備。