MicroLED量产之从磊晶到屏的全制程管理与监控

MicroDisplay
2022年8月29日11时

MicroLED显示器适用多种场域，应用从穿戴装置、车用面板到大型广告看板，场景从室内延伸到户外各种应用，是显示技术未来之星。MicroLED拥有高阶显示器不可或缺的关键性能与优势，如高亮度、高对比、广色域、低耗能，以及更长使用寿命，相比其他显示技术都可以胜任未来显示应用所面临的挑战。

而microLED显示器未来能否受到市场广泛采用，主要的挑战取决于技术成熟和成本降低；提高产能正是为这挑战提供了学习途径，这两者也都是量产(HVM)过渡期所需衡量的关键指数。由于整体良率是每一段制程良率的综效结果，这包括磊晶和microLED图形化生产良率、背板与驱动器IC生产良率、巨量转移与晶粒键合良率，因此需要每个生产阶段皆达成高良率目标，以降低维修时间与晶粒成本。

MicroLED显示器整体良率即是每一段制程良率的综效结果

MicroLED显示器集合上游的晶圆磊晶与晶粒生产，中游的驱动IC设计、生产与封装，再到下游面板背板生产、晶粒巨量转移与系统组装，这样的供应链虽然也有miniLED类似生产经验，但microLED的生产制程和传统LED/miniLED不大一样，它更接近半导体技术，量产中所面临的新挑战，不论是如何提升小晶粒的发光效率(EQE)、主动式玻璃基背板的设计复杂、背板黄光制程次数增加、支援大玻璃基板与<10μm晶粒的巨量转移，以及生产4K电视所需的转移速度，都是显示器业界的全新挑战，唯有生产与检测技术创新与相互配合，才能提早解决所有microLED显示器生产过程中所面临的瓶颈，并顺利迈向量产(HVM)的里程碑。

针对microLED显示器专属的制程控制设备不若LCD/OLED供应链完备，其中检测与修补更是如何提升制程良率的关键步骤，不论制程解决方案供应商、半导体设备商与电子供应链，应充分合作扮演关键的推手，产业界共同期望国际大厂能对上、中、下游进行优势整合，并同时提出端对端的解决方案。

KLA公司因应这样的需求，针对MicroLED提出全方位LED生产与制程监控的解决方案，其中涉及多个制程阶段，包括磊晶制程、microLED图形化、驱动IC生产、显示背板及巨量转移，并以数据分析串联检测资料流，贡献整个microLED制造的良率提升— 从磊晶到最终microLED显示器，我们经过市场验证的制程与制程监控设备，旨在满足独特又严苛的microLED生产流程所面临的各种新挑战，并能加速提升广泛应用市场所需的产能，协助客户达成高良率目标。

LED晶圆成膜与蚀刻

我们来探讨microLED晶粒制程的挑战，其中有三个制程影响良率至深，KLA致力于这三个关键制程解决方案，首先，LED mesa制程需要干净且蚀刻一致性高的设备，尤其是当晶圆尺寸放大、晶粒密度变高，且增加高品质侧壁保护层以满足发光效率，如此一来蚀刻均匀度的挑战就不容小觑，KLA透过稳定的低损伤mesa电浆蚀刻，维持microLED小晶粒的高良率，并同时达到降低成本的目标。

LED晶圆成膜与蚀刻

其次，为microLED晶粒转移前做准备，选择性蚀刻牺牲层是一大挑战，KLA在这关键制成投入十余年气相HF 研发，透过定向性气相HF 制程对氧化物进行干蚀刻，不但可以维持蚀刻品质的稳定度，并使各式microLED从蓝宝石晶圆转移到下一站制程，例如暂存基板COC(Chip on Carrier)或显示背板，变得更加容易、可行。

最后，为实现microLED发光波长与亮度水平的均匀性，抗反射涂层和其他介电层需要具有非常高的晶圆内与晶圆间厚度和成分均匀性。因此，KLA在该领域对负责介电薄膜的典型PECVD沉积制程做了很多开发，以达到最终microLED均匀度的要求。

LED晶圆制程监控

从MicroLED制造过程控制的角度来看，再次强调KLA所研究的关键挑战领域，当晶粒逐渐变小到<10μm时，无尘室与机台洁净度设计、检测灵敏度便成为驱动良率的重要因素。首先，为了制造出高品质的microLED，microLED元件在高品质的基板与磊晶制程中生产。这导致需要大量发展MOCVD制程检测，包括对裸晶圆的高灵敏度、高检测速度，以及使用人工智慧对想要避免的特定磊晶缺陷进行分类。

LED晶圆制程监控

这允许回馈到磊晶制程本身，以改进该制程品质，并向前回馈筛选出磊晶缺陷所导致的缺陷晶粒。其次，我们必须说制造microLED晶粒制程与传统LED制程相比，需要使用相当高的灵敏度水平上进行缺陷检测，然后将这些检测结果再次回馈到巨量转移制程，以允许面板制造商仅使用已知的KGD(Known Good Die)组装显示器。

最后，正如我们谈到的microLED需要具备非常高的发光波长与亮度均匀度，我们需要对每颗LED的薄膜厚度、关键尺寸(Critical Dimension)与对位精度(Overlay)进行晶圆级的量测，以监控制程的变异性，在我们的下一段巨量转移制程中，仅对那些非常非常均匀的MicroLED晶粒进行转移。

显示背板制程监控与良率提升

现在切换到背板生产需求，需要提供高品质的背板来进行巨量转移microLED晶粒。首先，我们发现microLED用的背板往往具有相当长的比对间距，且像素图案不具重复性，这给背板的检查带来了极大的冲击，从过去我们习惯使用的像素到像素比对(pixel to pixel)的演算法，升级到晶片到晶片比对(die to die)的演算法，这样极需高速计算能力(HPC)来进行完整的影像处理，以满足更复杂背板设计所需要的缺陷检出灵敏度。

显示背板制程监控与良率提升

其次，与过去的背板设计相比，KLA发现microLED背板需要更多的电晶体与电容元件来做为补偿电路，如此才能呈现高品质画面。为了达到microLED显示器的动态切换和像素均匀性要求，这意味着背板电测需要完整测试电路的功能性，判定显示像素亮度的均匀性，并检出任何没有作动的像素。

巨量转移制程监控

最后，我们拥有测试过的高品质microLED晶粒，以及高品质的背板。当然，在microLED晶粒和IC转移后，我们也需要确认最终显示器的功能。首先是巨量转移量测，KLA发现为了实现并回馈巨量转移制程，以及监控与改善制程所需要的数据，必需测量每一颗LED晶粒和IC晶片的X/Y偏移，以及旋转角度。这种在背板上进行大规模测量，与前端逻辑和记忆体晶片的动态测量非常相似，也就是回馈前端步进曝光机做校正计算，这与使用大量测量来进行巨量转移的动态监控非常相似。

巨量转移制程监控