Micro-LED显示中的巨量转移技术

纪 骋

一、概述

随着计算机、互联网技术的进步，给用户带来沉浸式人机交互体验的AR/VR（增强现实/虚拟现实）技术已经成为新的发展方向。特别是，去年10 月扎克伯格宣布将Facebook 改名为Meta，迅速引燃了人们对于“元宇宙”相关技术的关注，VR/AR 技术作为“元宇宙”底层硬件技术，更加成为了产业的重点关注对象。为了带来更有真实感的视觉体验，VR/AR技术对显示技术提出了更高的要求。

Micro-LED 显示相对于现有的主流显示技术，具有功耗低、亮度高、解析度与色彩饱和度超高、响应速度快、寿命长、效率高等优势，是当前最有望满足VR/AR 技术应用的显示技术。2012 年索尼公司推出了世界上第一个Micro-LED 显示屏，2014 年苹果公司收购了一家专注于Micro-LED 显示的公司LuxVue，并着力发展Micro-LED 显示在其产品中的应用，这引起了业界极大的关注。此后，三星、LG、京东方等显示面板企业也陆续进入赛道，开始推出自己的Micro-LED 显示屏，松下公司旗下的Shiftall 公司也将于今年推出全球首款采用Micro-LED 的VR 眼镜。

如图1 所示，从技术上看，尽管Micro-LED 显示产业可以直接转用传统显示产业和LED 产业中已经发展较成熟的TFT 技术和LED 技术，不少厂家也很早就推出了样品，但至今很难走上大规模商业化应用的道路，其瓶颈就在于巨量转移技术（也称微转移技术），即如何使得预制的小尺寸LED 结构按照需求规则地排列在TFT 背板上。巨量转移技术看似只是传统转移技术小型化的演进，然而，在当前高度集成化的半导体制造领域，将小尺寸的单体精确地转移是非常困难的，主要的问题在于转移的效率和良率这两个方面。例如在Micro-LED 显示的应用场景下，一块面板所需要转移的单体个数常常在千万量级，如何把这么大数量的单体快速进行转移，这对于生产来说是一个重要问题；此外，对于如此大量的单体转移工艺，如果转移的良率不高，则会直接给显示面板带来过多的坏点。这两个问题直接导致Micro-LED 显示的成本居高不下。

图1 Micro-LED显示产业结构图

从业界动态也能看出巨量转移技术的重要程度。诸如苹果、索尼这样的巨头在这项技术上紧锣密鼓的布局已足以引起行业普遍重视。2013 年伊利诺伊大学的Roger 教授团队基于微米转印（Micro-Transfer-Printing，μTP）的科研成果成立了在业界颇具影响力的X-celeprint 公司。2016 年台湾工业技术研究院（以下简称“台湾工研院”）推动成立了巨量微组装产业联盟（Consortium for Intelligent Micro-assembly System，CIMS），台湾地区20 多个涉及LED、材料、IC 设计、封装、面板、系统等领域的厂商可以基于此平台积极合作，共同推动台湾地区的巨量转移技术，目前已经涌现出了多家在Micro-LED 显示领域非常活跃的公司，如錼创（Play Nitride）、友达光电、美科米尚（Mikro Mesa）等。近几年，许多传统显示大厂也纷纷与具有巨量转移技术的公司展开合作，开始发力Micro-LED 显示，如2017 年中电熊猫开始与台湾Mikro Mesa 公司合作开发产品，2022 年华星光电与三安光电合作成立了联合实验室。此外，还有一些企业以自研巨量转移技术的方式快速进入赛道，如2019 年康佳集团设立重庆康佳光电技术研究院，截至2021 年已建成生产线并完成小批量试产；2020 年维信诺设立成都辰显光电，次年即发布产品。

另一方面，随着科技的发展，电子产品走向高整合、多功能、微型化的趋势日益明显，巨量转移技术除了首先在Micro-LED 显示中的发力之外，必将在下一代的新兴技术中占有重要地位。这从X-celeprint公司、台湾CIMS 等相关专利申请的表述方式中可见端倪，相信这些单位在成立时对巨量转移技术的这种广阔应用前景是有一定预期的。

二、专利文献分析

本文针对与巨量转移技术相关的专利文献进行了检索，检索的截止日期为2022 年6 月23 日。检索采用的数据库是中国专利全文数据库（CNTXT）、外国专利全文中文翻译数据库（ENTXTC）和德温特世界专利索引（DWPI），我们以IPC、CPC 分类号和关键词作为入口在不同库中分别检索，最后将得到的文献统一转库到DWPI 库，共得到4641 项专利文献。考虑到基于同一优先权的专利申请可以在不同地区形成多件专利文献，在统计分析时，将不同地区基于同一优先权的专利文献族称为一“项”，而将各个地区的专利文献称为一“件”。

（一）申请趋势分析

我们利用DWPI 库的数据统计了各项专利的最早优先权日，以期了解发明活动的整体进行情况。

在技术发展的早期，芯片封装行业中的转移技术是巨量转移技术的技术原型，基于半导体行业微缩化的趋势，海外对微小尺寸芯片的转移技术一直有零星的前瞻性研究。如图2 所示，巨量转移技术相关的发明专利申请可以追溯到上世纪90 年代，甚至更早，但是直到2009 年全球申请量一直徘徊在二三十项左右。此时期的申请主要是海外申请，中国大陆的申请几乎没有。加利福尼亚州立大学于1993 年的专利申请（CN1147153A，下文将详细介绍）是此时期较有代表性的专利申请。

图2 申请量趋势图

到了2009 年，Rogers 教授及其合作者在Science杂志上发表论文“Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays”，公布了其应用巨量转移技术制造Micro-LED 显示器的相关工作，引起了国际上广泛的关注。从图2 的申请量趋势图也可以看出，2009 年以后的申请量开始逐步增长，包括索尼、夏普在内的诸多公司在这一年提出了相关的专利申请，而且值得注意的是，后来被苹果公司收购的LuxVue公司恰恰就是在这一年成立的。

从图2 中可以看出，从2016 年开始国内外申请量呈爆发式增长，并于2019 年达到巅峰，这与Micro-LED 显示作为下一代显示技术的发展方向开始被业界普遍重视有关。特别是中国大陆的申请量增长迅猛，很快超过海外申请量，可见“集中猛攻”是我国技术研发的一大特色。值得注意的是，尽管2020年仍然有小部分专利文献尚未公开而导致当年数据不完整，但已经可以看出，相比于海外申请量很可能跌落的趋势，中国大陆的申请量已经有小幅提升。2021年和2022 年申请的专利大部分因还未公开而数据不全，故总量不具有参考价值。

（二）申请的来源和目标区域分析

首先，我们利用DWPI 库的数据统计了每一件专利文献分布的区域。如图3 所示，中国大陆和美国是专利文献分布的主要区域，两者之和超过了总量的一半，可见中国大陆和美国是全球巨量转移技术最主要的市场。其次是日本、韩国、中国台湾、欧洲和德国①本文中“欧洲”对应欧洲专利局的相应数据。“德国”对应德国专利局的相应数据。，都有数百的文献量，也是巨量转移技术较重要的市场。最后加拿大也有少量的文献分布，该市场也值得关注。

图3 专利文献主要区域分布图

然后，我们利用DWPI 库的数据对每一件专利的来源地和目标地进行更细化的统计。如图4 所示，无论从专利来源还是市场布局来看，中国大陆和美国的文献量都是最大的。可见两个区域在技术研发和市场两方面都是全球最重要的区域。

图4 专利文献主要目标地-来源地区域分布图

从专利布局来看，来自中国大陆的专利申请主要进入中国大陆和美国两个区域，进入其他区域的量比较少；然而，来自美国的专利申请除了进入中国大陆和美国两个区域之外，在日本、韩国、中国台湾、欧洲等区域都有一定的布局。可见，中国大陆的专利技术主要关注中国大陆和美国市场布局，而美国的专利技术则更加侧重全球的整体布局。

从专利来源地看，日本和韩国具有较大文献量，但是从专利目标地来看，这两个地区的专利文献量又相对较少。由此可见，日本和韩国产生了大量的专利技术，但这些专利技术更倾向于向海外布局，即这两个地区属于技术输出型地区。与此相反，欧洲是个非常有特色的区域，其作为来源地的专利申请并不多，但是相对而言以欧洲为目标地的专利文献量较大，可见欧洲没有产生很多专利技术但该地区是很多专利技术选择布局的地区，即该地区属于技术输入型地区。中国台湾、德国和加拿大的专利来源地-目标地的布局结构都比较均衡，和美国的类似，都属于技术平衡型地区。

（三）主要申请人分析

我们根据DWPI 库的数据对申请人进行了统计，并对相同或相关的申请人进行了人工合并，以了解重要申请人的情况。

图5 申请量前二十的申请人情况

图6 显示了全球前20 位申请人的申请量，同时还区分了2016 年之前和之后的申请量。可以看出，在2016 年之前的主要申请人是苹果，索尼、三星、X-celeprint 次之，可见，这些海外企业早年就在这一领域有一定的积累。而国内企业的申请全部都是在2016 年以后的，巧合的是台湾CIMS 恰好就是在2016 年成立的，可以认为台湾CIMS 的成立直接引起了国内相关显示企业对Micro-LED 显示技术的重点关注，同时标志着Micro-LED 显示作为下一代主流显示技术成为了市场共识。

从图6 可以看出，领域内最主要的申请人仍然是传统的显示企业，如三星、京东方、华星光电、LG等。三星在不同产业都有较均衡的专利布局，故较早进入该产业，其他企业都进入较晚，2016 年以前的申请量较少或没有，但是2016 年之后专利量增长迅猛、后来居上。特别是康佳，其所有的专利都是在2019 年成立康佳光电技术研究院之后申请的。这与这些公司的经营模式有关。它们一般比较保守，在市场趋势尚未明朗之前，研发力量仍在较主流的LCD、OLED 显示技术，到2016 年Micro-LED 显示被普遍认为是下一代的主流显示技术之后，才开始进行集中研发，并很快出现专利申请的井喷。

图6 专利申请CN1513204A中的转移方法

另一方面，一些知名的下游企业开始涉足显示行业，如苹果、Facebook。这些企业往往是显示企业的客户，对显示行业的发展趋势有很强的话语权，因此，2014 年苹果收购LuxVue 公司、2020 年Facebook 与Plessey 公司的合作，对于业界都是一剂强大的兴奋剂。

一些基于巨量转移技术研发的新公司开始出现在舞台上，如X-celeprint、錼创、Point、ELUX、亮锐、成都辰显。要知道半导体行业往往是资本密集型、技术密集型的，长期的技术积累对于一个公司而言是非常重要的，因而很少有初创公司能够在这一行业占据相当的地位。但是Micro-LED 产业的结构不同，如前文图1 所示，只需要基于巨量转移这一项技术，就可以将现有较为成熟的技术进行整合，形成完整的结构。这种“以点带面”的结构非常利于初创公司的形成。

另外，一些具有深厚封装技术功底的公司，在巨量转移技术上也有一定的布局，如英特尔、松下。

三、主要技术路线

从技术路线的角度，巨量转移技术当前仍然处于一种百花齐放的状态，众多公司纷纷推出各具特色的巨量转移方案，但是没有一种能够占据主流地位，相互之间也没有类似技术演进的关联。在此，仅通过罗列的方式介绍常见的巨量转移技术。

当前主流的巨量转移技术主要包括三类：拾取转移、整体转移和自组装。其中拾取转移为最常见的方案，而通过拾取方式的不同，又包括了多种技术路线。下面对较为主流的巨量转移方案进行介绍。

（一）真空拾取

法国原子能委员会的专利申请CN1513204A 公开了一种从初始载体向最终载体转移半导体芯片的方法。

如图7 所示，在作为初始载体的基片10 上制造一些半导体芯片11（例如：光电子元件或者微电子元件），这些芯片11 通过至少一个阻止层12 与其余的基片10 分隔；在基片10 和芯片11 上铺设粘胶层13，并粘连在传递载体14 上；然后通过抛光或相近的方法去除基片10；之后，进行垂直预切割，通过沟槽17 将芯片分隔；此后，选择性地拾取待转移的薄片16，即在压力作用/抽吸作用/一连串的压力和抽吸作用/一连串的压力和释放压力的作用/一连串的抽吸和释放抽吸的作用下，或者通过拾取工具18 施加突然的压力，实现薄片16 的相应的位置断裂，将待转移的薄片16 分离开来；最后将该抽取的薄片16 固定在最终载体19 上，去除粘胶层13 以最终留下半导体芯片11。

图7 专利申请CN104115266A中的转移方法

这种方法的好处是可以和现有的微电子设备兼容，可以任意选取转移的单体。缺点是预切割过程会限制所转移的单体尺寸、耐热度。而且由于真空吸头的限制，该方法只能转移尺寸在80um 以上的芯片，转移速度也较慢，三星、索尼等公司在该技术上都有一定的布局。

（二）静电拾取、磁拾取

苹果/LuxVue 公司的专利申请CN104115266A 公开了一种利用静电转移头组件将承载衬底上的微型器件转移到接收衬底上的方法。

如图8，本方法中特别设计了相应的转移工具，包括静电转移头组件206 以及与对应的微型LED 器件阵列的节距的整数倍相匹配的静电转移头阵列204。这种转移工具可用于拾取该微型LED 器件并将其转移并键合到接收衬底。这样，可以高转移速率将微型LED 器件集成并装配到不同类的集成的系统中，包括从微型显示到大面积显示范围内任何尺寸的衬底。其工作方式是将吸合电压施加于静电转移头，根据静电夹使用异性电荷相吸的原理来拾取微型 器件。

图8 专利申请CN107004615A中的转移方法

同时，为了保证拾取之后在接收衬底300 上放置微型LED 器件的成功率，在放置时采用加热的方式使得微型LED 器件下方的键合层连接在接收衬底300相应的位置。这样也可以保障微型LED 器件与接收衬底300（常常是TFT 基板）良好的电接触。

这种方法的好处是可以在1/10 秒到几秒之内将微型器件阵列从承载衬底转移到接收衬底，并且在1/4 的转移时间中将该微型器件阵列键合到接收衬底。此外，由于静电转移头阵列可具有1—100μm 的节距（P）以及1—100μm 的最大宽度（W），这样可以根据需要将密集排列在承载衬底（常常是微型器件最初的生长衬底）上的微型器件以最高效的方式转移到一个或多个接收衬底上，并相应地稀疏排列。这种方案转移效率高、良率好，非常适用于工业生产。苹果、友达、VueReal 公司、Cooledge 公司在该技术上都有一定的技术布局。

另有一种与静电拾取类似的磁拾取方案，其利用MEMS 磁铁制成的磁性转移头进行拾取。但由于磁力的灵敏度和相应速度较静电力较差，因而当前只能转移尺寸在10um 以上的芯片，转移速度较其他方案也较差，錼创、台湾工研院、Cooledge 公司仍然在该技术上不断努力。

（三）转模印刷

X-celeprint 公司的专利申请CN107004615A 公开了一种利用弹性印模与半导体元件之间的范德瓦尔斯力转移半导体元件的方法。

如图9 所示，在母衬底105 上制造多个可印刷半导体元件100 形成的第一图案110。然后，使具有含有多个离散连结区125 的接触表面120 的保形转移装置115（常用弹性印模）与母衬底105 上的可印刷半导体元件100 的一部分保形接触，该接触表面120 上的连结区125 的特征为对于可印刷半导体元件100 的亲和性且可为化学改性区（此类区具有从PDMS 层的表面延伸的羟基）或涂覆有一或多个粘合层的区。此后，转移接触在连结区125 上的可印刷半导体元件100 至衬底135 的接收表面130 接触。随后半导体元件100 与接触表面120 的分离，导致半导体元件100组装于衬底135 的接收表面130 上，借此产生可印刷半导体元件100 的第二图案140，该第二图案140 在位置及空间定向上不同于之前的第一图案110。其中，分离的方法为：在印模210 精确对准到接收衬底230之后，通过施加均匀气压235 使印模210 与接收衬底230 保形接触；接着通过固持印模210 的移动或接收衬底230 的移动以达一定位移偏移265，从而将X-Y平面内剪切力250 施加到印模，此剪切力传输到印模底表面，从而导致印模印刷柱270 的一些弹性机械变形；最后通过在相对于接收表面230 的垂直（Z）方向280 上移动印模210 且同时减小施加于印模背衬上的气压235 而使印模210 脱离接收衬底230。

图9 专利申请CN101859728A中的转移方法

这种转移方法的自由度非常大，如其名字那样，可以像印刷一样根据需要自由地将器件印刷到需要的表面上。它可以全室温处理，非常适用于如柔性显示面板等温度不耐的转移场景。更重要的是，这种方法无需如转移头之类的精密器件，成本低廉。当前主要是X-celeprint 公司采用该技术，其转移的芯片尺寸可达纳米级别，而且由于是整面一次全部转印，因而转移时间可以忽略 不计。

（四）激光脱附

索尼公司的专利申请CN10 1859728A 公开了一种将器件从第一基板转移到第二基板上的方法。

如图10 所示，将带有器件5 的第一基板1 移动到第二基板7 上方，然后激光照射所需要转移的器件5，使得相应器件5 上的剥离层3 的固定能力下降，从而使得相应的器件5 从第一基板1 上脱离并留在第二基板7 上。其中，剥离层3 由通过吸收该转移方法中所使用的激光束而被爆发性地蒸发和去除（所谓的剥离）的材料制成，例如可使用聚酰亚胺作为该材料，但本发明并不局限于此。

图10 专利申请CN104396030A中的转移方法

考虑到激光的平行性完全可以保障微米级的高精度转移操作，而且光学操作较静电力、范德瓦尔斯力等力学操作更为简单可靠，技术难度低，包括索尼、夏普、美科米尚、歌尔、QMAT、Uniqarta 等诸多公司在这一技术路线上进行研发。

（五）整片转移

法国原子能委员会的专利申请CN104396030A 公开了一种将支承基板（原始生长基板）上的器件整体转移到转印基板（目标基板）上的方法。

如图11 所示，在支承基板100 上生长LED，并通过刻蚀沟槽结构160 以分割出多个基本LED 结构125，沉积绝缘材料130 以覆盖基本LED 结构125 的暴露的表面和沟槽160；然后，通过刻蚀去除基本LED 结构125 上方的绝缘层材料130，并制造接触垫134；之后，在整个表面上方沉积金属层142 并抛光，在上方结合转印基板150；最后，翻转过来去除原始的支承基板100。

图11 专利申请CN1147153A中的转移方法

这种整体转移的方法在半导体领域中有较广泛的应用，其优点在于方法简单、转移的良率高。然而，其不能改变基板上各个器件之间的位置和取向关系，即只能1:1 地按照原样转移，这对于其在Micro-LED显示技术中的应用来说有很大的限制。因此，这种方案只是在较早的文献中出现，现在较少使用。

（六）自组装

加利福尼亚大学（以下简称“加州大学”）的专利申请CN1147153A 公开了一种通过自组装的方法向基片转移单体器件的方案。

如图12 所示，在目标基片的上表面形成至少一个凹槽区，该凹槽与定形块19 的形状相对应；然后，在流体内提供多个定形块19 以形成相应的浆体，使该包含多个定形块19 的浆体在目标基片上均匀地流动，此时，定形块19 将以自对准的方式留在凹槽中；最后将相应的定形块19 制作成相应的器件。

加州大学在1993 年申请了这项专利之后，就没有更新的进展了。然而，这种自组装的方案非常简单，成本最低，转移速度非常快，如果良率能够达到足够高的水平，将非常有竞争力。目前三星、夏普、eLux、Nth Degree 以及我国台湾地区的一些公司仍然在这个技术方向上不断地努力，他们通过使用不同的自对准方式、不同的定形块设计，以期形成更成熟稳定的工艺。目前的技术能够转移尺寸在10um 以上的芯片，每小时转移芯片量可达56M 以上。

四、小结

本文对Micro-LED 显示中的巨量转移技术进行了概述，并以巨量转移技术相关的专利数据为基础对全球的专利申请趋势、专利申请的来源-目标区域和主要申请人进行了分析，最后对实现巨量转移的主要技术路线进行了梳理。

巨量转移技术是实现VR/AR 技术中Micro-LED显示的关键技术，尽管已经出现了多个技术路线，但仍处于技术发展初期，良率和效率的问题仍然没有得到很好的解决。不论是初创企业还是老牌企业，巨量转移技术对其而言都是非常值得关注的机遇所在。此外，该技术也是整合区域产业链的关键一环，是区域统筹规划的绝佳着力点。

巨量转移技术是当前研究的热点技术，全球申请人都在加紧专利技术布局，相关的专利申请量仍将大量出现。国内创新主体在发展自己技术路线的同时，可以借助专利预警和专利导航等方式，跟进了解苹果、Facbook 等在应用领域有话语权企业的专利技术布局，并重点关注相关初创公司的专利技术动态，同时规避侵权风险。

专家点评

Micro-LED 显示是当前显示领域最有竞争力的技术之一，其中巨量转移技术作为Micro-LED 显示中的关键技术，已经成为国际和国内市场关注的热点。本文以巨量转移技术领域的全球专利文献作为切入点，分析了该领域的专利申请发展趋势、区域布局以及国内外主要申请人，并对实现巨量转移的主要技术路线进行了梳理，以期对我国巨量转移技术领域的技术发展和专利布局提供参考。

审核人：王兴妍

国家知识产权局专利局电学发明审查部半导体一处处长