台工研院MicroLED技术现已克服红光芯片良率等难题

台工研院携手 LED 驱动 IC 厂聚积 科技 、PCB 厂欣兴电子与半导体厂錼创 科技 ，四方合力研发的次世代显示技术微发光二极管（Micro LED）又有新进展。继去年展出全球第一个直接转移至 PCB 基板的 Micro LED 显示模块后，时隔一年再公开的合作结晶成功实现了「RGB」全彩，但小小一块板子背后所要解决的技术问题尽是挑战。

红光良率不比蓝绿，弱化结构更是难题

Micro LED 技术谈了好多年，众所周知这是一门需要颠覆传统制程、牵涉产业领域甚广的破坏式创新技术，各个技术环节对领域专家而言都有不易突破的瓶颈。去年台工研院与三厂合作开发的被动矩阵式驱动超小间距 Micro LED 显示模块，成功将 Micro LED 阵列芯片直接转移到 PCB 基板，只是RGB 全彩独缺红光。经过一番努力，今年总算是让红光「亮」了相。

有别于先前 6 cm x 6 cm 的 Micro LED 显示模块，间距（Pitch）小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel，新版模块尺寸为 6 cm x 10 cm，间距约在 700 μm 以下、分辨率 96 x 160 pixel，LED 芯片尺寸则同样在 100 μm内。从前端制程到后端转移，台工研院电光所智能应用微系统组副组长方彦翔博士提到两大技术难题，一是红光芯片利用率与良率不足，二是「弱化结构」。

2018 年所展出的超小间距 Micro LED 显示模块独缺红光，间距小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel

2019 年新版 Micro LED 显示模块成功达成 RGB，间距约 700 μm以下、分辨率 96 x 160 pixel

「以芯片利用率和良率来看，红光还是问题，」方彦翔以 4 英寸 LED 晶圆为例指出，晶圆扣除 2 mm 外径后，可用区域的良率在单一标准值下或许可达 99％，也就是单看波长（Dominant Wavelength，Wd）、驱动电压（Forward Voltage，Vf）或反向漏电（流）（Reverse Leakage (Current)，Ir）；但若三项数值标准都要兼备，整体良率很可能不到 60％，尤其红光受限于材料与特性，或许连 50％ 良率都未必能达到。

光看可用区域的良率并不够，方彦翔表示，Micro LED 制程下需要针对转移的面积去定义良率。简单来说，假设巨量转移模块的转移面积是 6 cm x 3 cm，就表示在该矩形区域（block）里的 Micro LED 阵列芯片都必须符合前述三项良率标准，不能有坏点才能进行转移，也就是说整片晶圆里可能只有某个特定区块符合所有标准，良率不够稳定导致能转移的区域少、整片利用率也大幅下降。以目前产业最顶尖的技术来说，晶圆芯片要做到超高均匀度都还有很大努力空间。

红光受限于材料与特性，良率比蓝光、绿光相对更低

不仅 Micro LED 红光良率有待改善，具有弱化结构的 Micro LED 更是难求。

弱化结构是巨量转移成功与否的一大关键。方彦翔说明，Micro LED 芯片在制程阶段得先跟硅或玻璃等材质的暂时基板接合，再透过雷射剥离（laser lift-off）去除蓝宝石基板，接着以覆晶形式将原本的 LED 结构翻转、正面朝下，并使 P 型与 N 型电极制作于同一侧，对于微缩到微米等级的 Micro LED 来说又更具难度。

为了让 Micro LED 在巨量转移的吸取过程中，能够顺利脱离暂时基板又不至破片，因此得在 LED 下方制作中空型的弱化结构，也就是以小于 1 μm 的微米级柱子支撑。当转移模块向上吸取 LED 时，只要断开柱子便能将 Micro LED 脱离暂时基板，再转移下压至 TFT 或 PCB 板上，但这一步骤也考验 LED 本身够不够强固、承受压力时是否仍能保持完好，而红光比起蓝光和绿光相对更脆弱易破，加上 PCB 板粗糙度（roughness）较大、上下高低差大于 200 μm，稍微施压不当就可能降低红光转移成功率。

至于玻璃基板则因为粗糙度没有 PCB 板来得大，Micro LED 转移难度也相对较低。去年台工研院便展出过一款 6 cm x 6 cm、间距约 750 μm、分辨率 80 x 80 pixel 的 Micro LED 透明显示模块，所采用的就是超薄玻璃基板，技术上成功实现了 RGB 三色；而今年所制作的新版 Micro LED 透明显示模块，尺寸为 4.8 cm x 4.8 cm，间距约 375 μm、分辨率 120 x 120 pixel，明显比前一款的显示效果更为细致。

2018 年版 Micro LED 透明显示模块，间距约 750 μm、分辨率 80 x 80 pixel

2019 年版 Micro LED 透明显示模块，间距约 375 μm、分辨率 120 x 120 pixel

聚焦三大应用：电竞屏幕、AR、透明显示器

Micro LED 具备高亮度、高效率低功耗、超高分辨率与色彩饱和度、使用寿命较长等特性，在电竞屏幕（Gaming Monitor）、扩增实境（AR）、透明显示器等应用领域，要比 OLED、LCD 更能发挥优势，而这三大应用也是台工研院最为看好也正积极发展的方向。

以电竞屏幕应用来看，方彦翔提到目前市场上虽然已有次毫米发光二极管（Mini LED）技术切入，但始终是做为显示器背光，Micro LED 则可直接做为 pixel 显示不需背光源。相较于 Mini LED 或同样为自发光显示技术的 OLED，Micro LED 对比度更高更纯净、显色表现也更佳，在最关键的刷新率表现上也优于 OLED，而且无烙印或衰退问题，未来在高端消费市场的发展潜力相当可期。

台工研院 Mini LED 显示模块采用 PCB 基板，模块尺寸 6 cm x 6 cm、间距小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel

提到 Micro LED 应用于 AR 的发展机会，方彦翔已不只一次表达过正面看法。他认为 Micro LED 有机会在 AR 领域发展为显示光源主流技术，但就技术而言还有很多难题有待克服，除了 Micro LED RGB 三色良率和效率问题需要重新调整外，若以单色 Micro LED 结合量子点（QD）色转换材料的方式，也还有其他问题存在。

而且，AR 成像目前遇到的问题为系统光波导（Optical Waveguide）吸收率极高，因此若要在系统要求的低功耗前提下，Micro LED 所需要的亮度将高达 100 万 nits，别说 Micro LED 现在还很难做到，连技术成熟的 OLED 和 LCD 都无法达到，更何况 AR 画素密度约 2,000 ppi 以上，间距在 12.8 μm 左右，单一子画素（Sub-pixel）必须微缩到 4 μm 以下，Micro LED 若以传统制程进行制作，效率将大幅下降，在一定功耗要求下，光要达到 10 万 nits 就已经非常困难。

「所以 LED 小于 10 μm 以后，亮度就是另一个世界，」方彦翔说，「要提升 LED 在 AR 上的效率，就必须从半导体的结构和制程去改变，要有突破才有办法达到」。尽管 AR 应用可能还需要五年才有机会实现，但他认为这确实是台湾地区可以发展的 Micro LED 利基市场。

至于台工研院所开发的透明显示器采被动式无 TFT，主要以 3 到 4 英寸模块拼接形式，聚焦车载和被动式应用。提到透明显示器车载应用，方彦翔指出，OLED 透明度虽然可达 60％ 到 70％，但分辨率难做高；Micro LED 透明度可达 70％ 以上，显示也相对更清晰。目前台工研院正与厂商进行产品试做，也会持续发展有关应用。

方彦翔直言，Micro LED 就技术开发来说还需要一段时间，若朝 OLED 和 LCD 现有市场发展替代应用已经太晚，也不一定会有竞争优势，加上良率有限、成本难降，要跟技术成熟的 LCD 和 OLED 竞争并不容易。但他相信，OLED 或 LCD 达不到的技术就是 Micro LED 的机会，尤其电竞屏幕、AR 和透明显示器等高技术门槛的利基应用，或许可为台湾地区发展 Micro LED 的路上亮起希望。

光刻胶是一大类具有光敏化学作用(或对电子能量敏感)的高分子聚合物材料，是转移紫外曝光或电子束曝照图案的媒介。光刻胶的英文名为resist，又翻译为抗蚀剂、光阻等。光刻胶的作用就是作为抗刻蚀层保护衬底表面。光刻胶只是一种形象的说法，因为光刻胶从外观上呈现为胶状液体。

光刻胶通常是以薄膜形式均匀覆盖于基材表面。当紫外光或电子束的照射时，光刻胶材料本身的特性会发生改变，经过显影液显影后，曝光的负性光刻胶或未曝光的正性光刻胶将会留在衬底表面，这样就将设计的微纳结构转移到了光刻胶上，而后续的刻蚀、沉积等工艺，就可进一步将此图案转移到光刻胶下面的衬底上，最后再使用除胶剂将光刻胶除去就可以了。

2. 光刻胶应用范围

光刻胶广泛应用于集成电路(IC)，封装(Packaging)，微机电系统(MEMS)，光电子器件光子器件(Optoelectronics/Photonics)，平板显示器(LED,LCD,OLED)，太阳能光伏(Solar PV)等领域。

3.光刻胶分类及类型

光刻胶按其形成图形的极性可以分为：正性光刻胶和负性光刻胶。

正胶指的是聚合物的长链分子因光照而截断成短链分子；负胶指的是聚合物的短链分子因光照而交链长链分子。 短链分子聚合物可以被显影液溶解掉，因此正胶的曝光部分被去掉，而负胶的曝光部分被保留。

①．紫外光刻胶（Photoresist）：

各种工艺：喷涂专用胶，化学放大胶，lift-off胶，图形反转胶，高分辨率胶，LIGA用胶等。

各种波长: 深紫外(Deep UV)、I线(i-line)、G线(g-line)、长波(longwave)曝光用光刻胶。

各种厚度: 光刻胶厚度可从几十纳米到上百微米。

②. 电子束光刻胶（电子束抗蚀剂）（E-beam resist）

电子束正胶：PMMA胶，PMMA/MA聚合物， LIGA用胶等。

电子束负胶：高分辨率电子束负胶，化学放大胶（高灵敏度电子束胶）等。

③. 特殊工艺用光刻胶（Special manufacture/experimental sample）

电子束曝光导电胶，耐酸碱保护胶，全息光刻用胶，聚酰亚胺胶（耐高温保护胶）等特殊工艺用胶。

④．配套试剂（Process chemicals）

显影液、去胶液、稀释剂、增附剂（粘附剂）、定影液等。

4.光刻胶成分

光刻胶一般由4部分组成：树脂型聚合物（resin/polymer），溶剂（solvent），光活性物质（photoactive compound，PAC），添加剂（Additive）。 其中，树脂型聚合物是光刻胶的主体，它使光刻胶具有耐刻蚀性能；溶剂使光刻胶处于液体状态，便于涂覆；光活性物质是控制光刻胶对某一特定波长光/电子束/离子束/X射线等感光，并发生相应的化学反应；添加剂是用以改变光刻胶的某些特性，如控制胶的光吸收率/溶解度等。

5.光刻胶的主要技术参数

5.1．灵敏度（Sensitivity）

灵敏度是衡量光刻胶曝光速度的指标。光刻胶的灵敏度越高，所需的曝光剂量越小。单位：毫焦/平方厘米或mJ/cm2。

5.2．分辨率（resolution）

区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸（CD，Critical Dimension）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好。

光刻胶的分辨率是一个综合指标，影响该指标的因素通常有如下3个方面：

(1) 曝光系统的分辨率。

(2) 光刻胶的对比度、胶厚、相对分子质量等。一般薄胶容易得到高分辨率图形。

(3) 前烘、曝光、显影、后烘等工艺都会影响光刻胶的分辨率。

5.3．对比度（Contrast）

对比度指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。 对比度越好，越容易形成侧壁陡直的图形和较高的宽高比。

5.4．粘滞性/黏度 （Viscosity）

衡量光刻胶流动特性的参数。黏度通常可以使用光刻胶中聚合物的固体含量来控制。同一种光刻胶根据浓度不同可以有不同的黏度，而不同的黏度决定了该胶的不同的涂胶厚度。

5.5．抗蚀性（Anti-etching）

光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。

5.6．工艺宽容度（Process latitude）

光刻胶的的前后烘温度、曝光工艺、显影液浓度、显影时间等都会对最后的光刻胶图形产生影响。每一套工艺都有相应的最佳的工艺条件，当实际工艺条件偏离最佳值时要求光刻胶的性能变化尽量小，即有较大的工艺宽容度。 这样的光刻胶对工艺条件的控制就有一定的宽容性。

6.特殊光刻胶介绍

6.1. 化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）

化学放大胶中含有一种叫做"光酸酵母"（PAG, Photo Acid Generator）的物质。在光刻胶曝光过程中，PAG分解，首先产生少量的光酸。在曝光后与显影前经过适当温度的烘烤，即后烘（PEB, Post Exposure Baking）这些光酸分子又发连锁反应，产生更多的光酸分子。大量的光酸使光刻胶的曝光部分变成可溶（正胶）或不可溶（负胶）。 主要的化学反应是在后烘过程中发生的，只需要较低的曝光能量来产生初始的光酸，因此化学放大胶通常有很高的灵敏度。

6.2.灰度曝光（Grey Scale Lithography）

灰度曝光可以产生曲面的光刻胶剖面，是制作三维浮雕结构的光学曝光技术之一。灰度曝光的关键在于灰度掩膜板的制作、灰度光刻胶工艺与光刻胶浮雕图形向衬底材料的转移。传统掩膜板只有透光区和不透光区，而灰度掩膜板的透光率则是以灰度等级来表示的。实现灰度掩膜板的方法是改变掩膜的透光点密度。

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