巨量转移方式汇总

1.静电力转移技术

　　静电力转移技术是由LuxVue^[1]于2013年提出，通过对转移头通电产生的静电引力或斥力作为拾取和放置微器件的方法。转移装置如图1a所示，单个转移头由带有可独立通电的单电极或双电极凸台构成，并在基板上形成与μLED节距成整数倍相匹配的阵列，μLED阵列从源基板上通过剥离方式释放并固定在带有粘合层的基板上，其实现转移的过程如图1b所示，首先将转移头阵列移动至μLED阵列上方，对准后与μLED上表面接触；然后选择性地施加电压在转移头地电极上，对相应位置的μLED产生抓取力，同时转移头在电压作用下自身加热至高于粘合层液相线的温度，μLED与基板间的粘附力被减弱，转移头拾取μLED及粘附层的一部分移动至接收基板的目标位置上方，对准后断开电压，粘结层与接收基板冷却固结后移走转移头实现放置。

　　基于静电力的转移技术在操作过程中，拾取力受芯片大小、拾取速度、通电电压、介电层厚度等多种因素的影响，影响关系分别如图1c所示，拾取力与电介质厚度的平方成反比，与通电电压成正比，与拾取速度成正比，与芯片尺寸成反比。当LED芯片很小的时候，LED与基板的粘结层的作用力受表面张力和粘性作用的共同作用，拾取力在克服粘性力的同时还需要克服表面张力，通过调整拾取间隙可用于降低表面张力的影响，如图1d所示。但是在转移头和要拾取的微型器件完全接触时，可以利用较低的电压。然而，当存在气隙时，这呈现出串联电容，其中，空气电容可与介电层电容竞争。为了补偿在要拾取的相应微型设备阵列上的微型设备传输头阵列中的任何一个之间的空气电容的可能性，需要更高的工作电压，由于静电力转移技术属于接触式转移，在某些未接触的表面，经建模仿真，如图1e所示，在约1nm（0.001μm）的气隙尺寸下，在某些条件下达10nm（0.01μm）的气隙尺寸下，没有观察到对握持压力的明显影响。

 

图1静电力转移技术原理图

　　基于静电力的转移技术通过调节静电力实现了LED芯片的拾取放置工作，但是对平整度提出了特殊要求。 另外，过多的静电可能会损坏LED管芯，从而导致发光像素失效。

2 范德华力转移技术

　　范德华力拾取转移技术，又称微转移印刷（μTP）技术，最早由Rogers提出^[2]，其技术的关键是采用高聚物印章的力学特性来完成巨量转移中界面的粘性力调控挑战，如图2，其流程可分为拾取放置两个过程：拾取过程主要依靠弹性图章与待转移器件之间的范德华力从施主基体上剥离； 放置过程是利用印章将Micro-LED功能器件(或无机薄膜)印制到受主基体上。在这两个过程中，解决界面粘附主要涉及印章/Micro LED和Micro LED/基体两个界面之间的断裂形成“竞争断裂”机制。在拾取过程中，印章/Micro-LED界面的黏附作用应该大于元件/赠体基底界面的黏附作用，从而实现将元件薄膜从赠底基底上剥离，放置过程中，Micro-LED元件/印章界面的黏附应该小于Micro-LED/柔性受体界面的黏附，实现将Micro-LED器件转移到柔性受体。然而，从源基板上依靠范德华力直接拾取Micro LED很难突破生长层的束缚的，通常需要对源基板做处理^[3]，用氢氧化钾（KOH）或氢氧化四甲铵的湿法化学蚀刻去除Si（110）与Si（111）的平面，将每个器件连接到这些区域中的硅从而在不腐蚀硅晶片深度的情况下对器件进行了底切，硅的浮雕结构保留在器件之间的正交方向上，此时Micro LED结构中的GaN形成了小支撑结构（即锚），整个μLED通过两个锚结构悬浮连接在基板上，此时可以使用图章转印方式以非破坏性，高速和并行操作将其移离源基板。

 

图2 范德华力转移技术原理图

　　为实现界面粘附力的调控，使用剥离速率来控制界面附着力，临界能量释放率与速度的关系式^[4]为：，在高剥离速率下，因为印模芯片的能量释放速率较低，所以芯片-供体基板界面先达到断裂并将芯片从供体/临时基板上移走（即拾取），在放置过程中，将印模缓慢剥离，以使芯片-基板界面处的临界能量释放率很高，从而实现放置。为了进一步解决极端界面粘附状态和选择性，由原先最早的运动控制转印图章^[5]原理逐渐发展为主动式金字塔微结构控制印章^[6]。图X带有金字塔形微尖端的微结构化弹性体表面的彩色SEM图像，其状态为“粘附力打开”（上图）和“粘附力关闭”（下图），接触面积的极大差异在OFF和ON状态之间提供了高水平的粘合力切换，剥离力随速率变化曲线如图X所示，当完全接触时，高速拾取微器件，由于图章的粘弹性，图章具有很强的速率依赖性，微器件被拾取；当释放时，微器件仅在尖端接触，粘合力会降至最低，从而脱离印章实现转移。

　　基于范德华力的微图章转移技术界面粘合力调控的可重复性是主要问题，尽管可以通过调控速度来提高印章的附着力，但通过改变牵引速度来精确地调节粘附力是困难的；其次，由于外部压力或高温引起的弹性印模的膨胀和变形也会导致微型LED位置在转印后发生较大位移,这些缺点会导致随后的Micro LED与驱动器背板配准和键合产生不良影响。

3 磁场力转移技术

　　磁场力转移技术^[7]是在微转移印刷（μTP）工艺的基础上，基于生物材料工程技术制造印章使用微结构控制材料表面的特征，使用磁流变弹性体，根据磁场控制机械性能实现转移工作。具体转移流程如图3所示，为了将Micro LED与生长基板分离，Micro LED与弹性印章之间的接触界面处的粘合力（SDF）必须大于在基板与Micro LED之间的接触界面处的粘合力（MDF）；要将从源基板上拾取的Micro LED转移到目标基板，粘合力（SDF）必须大于在Micro LED和印章之间的接触界面处产生的粘合力（TDF），这一流程与前述微转移印刷技术一致，但不同点在于这项研究提出了一种磁流变弹性体（MRE），是用光刻工艺制备表面仿生微结构并添加羰基铁（CI）粉末的一种弹性印章，弹性印章引入柱形微结构以调节界面粘性力，而脱附力则随着外加磁场和CI颗粒含量的不同而变化，施加的磁场强度越大，CI粒子之间的间隙越小，由于当CI颗粒分散在硅基质中时两种材料之间的界面结合强度降低，因此机械性能降低。此外CI粒径越小，MR效应越小，这是因为颗粒之间的拉力弱。当CI颗粒的含量降低时，相互吸引的颗粒数量减少，这导致MR效应降低和硬度降低。通过调节CI粒子的比列和外加磁场的大小，粘附力变化如图3c所示。

图3 磁场力转移技术原理图

　　磁场力转移技术可以有效转移的Micro-LED，并通过调整CI结构材料的比例便可以实现界面的黏附力的调控工作，有望成为一种可规模化和高效的制造方式。但磁流变弹性体制备复杂，需要通过外加磁场调控CI粒子含量，且转移过程粘附力还受印章的刚度、摩擦力等的影响，这增加了转印的技术复杂度。

4 自对准滚轮转印技术

　　韩国机械与材料研究所( KIMM)提出了自对准滚印转移技术^[8]，该技术使用弯曲的PDMS压模实现转移，并通过计算机界面控制的卷转移系统进行系统带有PDMS印章的滚轮与待转移器件接触，并提供实时反馈，Micro LED可以通过两个安装的显微镜与接收器基板精确对准，然后转移到接收器基板。具体转移过程如图4所示，带有PDMS压模的辊在供体基板上的Micro LED上移动。通过优化施主基板和辊之间的夹紧力，可以将微型LED准确地转移到PDMS压模上。之后，滚轴系统将微型LED转移到接收器基板上TFT的相应位置，通过使用安装在卷对卷转移机上的两个显微镜，可以将TFT和微型LED精确对准。因此，微型LED中放入接收器衬底上。在滚轮转印过程中，压模与切屑之间的界面粘附力不仅取决于压模的速度，还取决于压模的半径。为了进一步扩大滚轮转印附着力控制，引入了成角度的立柱以通过缩回方向控制转移，但是必须严格控制模具与水平输送板之间的压力以防止损坏μLED。此外，由于这种技术的大规模转移，通常有必要设计一种具有微柱结构的阵列压模^[9]，以适应不同的接收基板。由于范德华力，相邻的微柱会彼此自接触，这有一定的局限性。

 

图4自对准滚轮转印技术

　　滚轮转印技术的关键点在于保证卷的辊隙压力均匀和同步卷的角运动和样品安装平台的平移运动，总体来说滚轮转印技术实现容易且转移速率较高，但是选择性差，后期检修环节不容易实现，导致良率保障低。

5 自组装转移技术

　　精准拾取技术虽然选择性相对好且产率高，但由于转移头的尺寸限制，传递速度大大降低。相比而言，自组装技术可以提供很高的转移速率，该技术是以elux公司提出的流体自组装为代表，其转移原理是将大量微LED元件放置于转移系统中，以流体力^[10]或磁力^[11]转移作用力使得芯片以一定的速度快速移动，以动态注入速率穿过接收器基板，然后悬浮液将微LED捕获在孔中，自行完成与基板相应组装位置的对位组装方式，然后在退火后将其电连接到相应孔的电接口^[12]。

图5 自组装转移技术

　　流体组装技术两个挑战分别是如何实现最大的micro-LED捕获速度以及如何实现最小的高速阵列组件分配速度。该技术被认为是微型LED组装的经济高效且快速的解决方案。然而，该技术选择性差，后续缺陷修复会很困难。

6 激光转移技术

　　激光无接触转移技术是以激光为驱动实现无接触选择性加工，并以图案化方式实现Micro Led阵列化和批量化的转移。Uniqarta的激光使能高级放置（LEAP）^[13]是一种非接触式方法，通过这种方法，激光可以将芯片从载体转移到基板上，并具有高精度和高产量。多个模具通过单个扫描激光同时传送，从而最大限度地减少了对机械运动的需求。这使每小时的贴装速度超过1亿个单位，比任何其他裸片贴装技术都要高几个数量级。

　　QMAT开发的巨量转移技术是束寻址释放（BAR）^[14]，利用激光束将大量Micro LED从源基板快速转移到目标基板。原理图如图6b所示,激光透过透明基板作用在激光释放层，通过光热作用使的芯片与原基板分离达到转移的目的，在进行转移前，由用户电脑将前一步所检测得到的芯片好坏文件进行处理并记忆，在进行转移时遇到坏点激光则绕过，可以避免将坏点转移到基板上，提高了良率。

　　Optovate公司的选择性激光剥离（p-LLO）工艺^[15]使用准分子激光器在蓝宝石晶片的生长界面处照亮稀疏分离的裸片大小的氮化镓区域。紫外线照射会产生镓金属和氮气，这些气体可控制地将微型LED烧蚀到接收器工具或基板上。这种选择性阵列转移工艺使micro-LED制造商能够应对GaN晶圆上的变化，包括生长缺陷，颜色和正向电压。此外，p-LLO的选择性光学寻址功能使晶圆上的预转移特性数据能够编码为micro-LED提取图案，并用于播种和回填micro-LED背板，从而优化了总产量。

 

图6 激光转移技术