Mini/Micro LED 巨量转移技术研究与发展现状

Mini/Micro LED 巨量转移技术研究与发展现状 Research and development status of Mini/Micro LED mass transfer technology 1 first-author 王 伟（1965-），女，吉林省白城市人，副教授，硕士生导师，1992年毕业于中国科学院长春光学精密机械研究所，获得硕士学位，主要从事测量与控制技术和磁悬浮支撑技术的研究。E-mail： shaowang66@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39629284&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39629289&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39629287&type= 22.01332855 32.00400543 王 伟 （1965-），女，吉林省白城市人，副教授，硕士生导师，1992年毕业于中国科学院长春光学精密机械研究所，获得硕士学位，主要从事测量与控制技术和磁悬浮支撑技术的研究。E-mail： shaowang66@163.com shaowang66@163.com 1 1 2 corresp E-mail： Liuqiangbuaa@163.com E-mail： Liuqiangbuaa@163.com 刘 强（1983-），男，江西九江人，教授，博士生导师，2013年于北京航空航天大学获得博士学位，主要从事Mini/Micro LED巨量转移和磁悬浮轴承技术研究。E-mail： liuqiangbuaa@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39629291&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39629294&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39629292&type= 22.01332855 32.00399780 刘 强 （1983-），男，江西九江人，教授，博士生导师，2013年于北京航空航天大学获得博士学位，主要从事Mini/Micro LED巨量转移和磁悬浮轴承技术研究。E-mail： liuqiangbuaa@163.com liuqiangbuaa@163.com 3 2 4 北京石油化工学院 精密电磁装备与先进测量技术研究所，北京 102617 北京石油化工学院 精密电磁装备与先进测量技术研究所，北京 102617 Institute of Precision Electromagnetic Equipment and Advanced Measurement Technology， Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China Institute of Precision Electromagnetic Equipment and Advanced Measurement Technology， Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China 天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387 天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387 School of Electronic and Information Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China School of Electronic and Information Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China 北京航空航天大学 惯性技术重点实验室，北京 100191 北京航空航天大学 惯性技术重点实验室，北京 100191 Key Laboratory of Inertial Technology， Beihang University， Beijing 100191， China Key Laboratory of Inertial Technology， Beihang University， Beijing 100191， China 广州市鸿利光电股份有限公司，广东 广州 510890 广州市鸿利光电股份有限公司，广东 广州 510890 Guangzhou Hongli Opto-Electronic Co.， Ltd.， Guangzhou 510890， China Guangzhou Hongli Opto-Electronic Co.， Ltd.， Guangzhou 510890， China 对巨量转移（Mass Transfer， MT）方案和运动定位平台（Motion Positioning Platform， MPP）的研究现状及其未来发展进行了详细阐述。根据芯片转移方式，将MT方案分为精准拾取-释放技术、自组装技术、滚轴转印技术、激光剥离技术，结合芯片转移效率和良率，论述了国内外MT方案的发展过程。在此基础上，从平台支撑方式，详细介绍了机械构型、气浮构型、磁浮构型和混合构型的MPP结构及工作原理，考虑运动行程、运动定位精度等因素，比较了MPP性能的优劣。展望了MT方案和MPP技术的未来发展方向，指出基于微孔液气双态介质的激光剥离MT和具备周向小角度修正以及轴向微高度调节能力的“机械+磁浮”混合构型MPP是Mini/Micro LED芯片转移技术的研究重点。 This paper expounds the current research and future development of Mass Transfer （MT） and Motion Positioning Platform （MPP） technology. On the basis of the chip transfer method， the MT scheme can be divided into precision pick-and-release， self-assembly， roller-transfer， and laser lift-off technology. The development process of the MT scheme is discussed based on the chip transfer efficiency and yield. On this basis， the structures and working principles of mechanical， air-supported， magnetic levitation， and hybrid configurations are introduced. Considering the aspects such as motion stroke and positioning accuracy， the advantages and disadvantages of MPPs are discussed. Finally， the development prospects of MT and MPP devices are predicted. Laser lift-off technology based on microporous liquid-gas bimodal media and hybrid-configuration MPP that combines mechanical and magnetic tracks with circumferential small-angle correction and axial micro-height-adjustment capabilities are expected to form the focus of the research on Mini/Micro LED chip-transfer technology. Mini/Micro LED 巨量转移 运动定位平台 显示技术 转移良率 Mini/Micro LED Mass Transfer（MT） Motion Positioning Platform（MPP） display technique transfer yield 1 引 言 1 视觉是人类获取信息的主要渠道，研究表明各种感觉器官获取的信息中，超过2/3的有效信息通过显示技术实现高效高质量传递 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。电子显示屏的诞生，改变了视觉信息的承载和传递方式，支撑了现代信息社会的发展。具备高亮度、高对比度、快响应速度、长寿命等优点的高质量显示屏更是未来智能化信息传递的关键枢纽，在国防军事、生活中发挥重要作用 ［ 4 4 - 8 8 4-8 ］ 。从目前主流显示屏LCD，OLED到Mini/Micro LED，因工作原理、材料的不同，各类显示屏的性能各不相同 ［ 9 9 ］ 。LCD因制作成本较低，是日常生活中广泛使用的显示屏，但其利用背光源发光，需通过改变电场中液晶分子的排列来调制背光的光强 ［ 10 10 ］ ，仅能实现毫秒级的响应速度，且发光效率和对比度相对较低 ［ 11 11 ］ 。OLED采用有机发光二极管实现自发光，折弯性能好，增加了显示屏视角和亮度调节范围，常用于柔性显示屏的制备，但受限于有机发光材料特性，其使用寿命相对较短 ［ 12 12 - 13 13 12-13 ］ 。Mini/Micro LED显示屏由多个微米级尺寸的LED通过独立封装形成单个像素点，在发光效率、功耗、对比度、响应速度、寿命等方面具有无可比拟的优势 ［ 14 14 - 15 15 14-15 ］ ，是下一代主流显示屏的重要选择对象 ［ 16 16 ］ 。 现阶段Mini/Micro LED显示屏量产化生产还有许多技术瓶颈有待突破，如芯片制备、巨量转移（Mass Transfer，MT）、检测与修复等 ［ 17 17 ］ ，其中巨量转移是将大量Mini/Micro LED从源基板上转移至目标基板的过程，影响着Mini/Micro LED显示屏批量化生产的进程 ［ 18 18 ］ 。以生产一台普通的4K显示屏为例，假设每像素点为3个R/G/B晶粒，则需要转移千万颗LED芯片，即使一次转移1万颗，也需要重复上千次，因此，如何快速且精准地将大量微米级芯片转移到目标位置成为巨量转移技术亟待解决的问题。MT方案、运动定位平台（Motion Positioning Platform，MPP）、视觉定位系统是Mini/Micro LED MT的三大核心技术 ［ 19 19 ］ ，其中MT方案负责将芯片从源基板上拾取并释放至目标基板上，决定了芯片拾取和释放的速度和精度；MPP利用执行机构将源基板和目标基板驱动到目标位置，决定了基板运动速度和运动定位精度 ［ 20 20 ］ ；视觉定位系统通过相机拍照记录芯片的精确位置，辅助MPP完成源基板芯片与目标基板焊点的对位，决定了芯片的测量精度，三者共同影响了显示屏高效率、高良率的制备。 根据拾取和释放芯片方式，可将MT方案分为精准拾取-释放转移技术（微转印技术 ［ 21 21 - 26 26 21-26 ］ 、电磁力转移技术 ［ 27 27 - 28 28 27-28 ］ 、摆臂式转移技术 ［ 29 29 - 31 31 29-31 ］ 、针刺式转移技术 ［ 32 32 - 34 34 32-34 ］ 、 静电力转移技术 ［ 35 35 - 36 36 35-36 ］ ）、自组装技术（流体自组装技术 ［ 37 37 - 42 42 37-42 ］ 、磁力自组装 ［ 43 43 - 46 46 43-46 ］ ）、滚轴转印技术 ［ 47 47 - 49 49 47-49 ］ 和激光剥离技术 ［ 50 50 - 59 59 50-59 ］ 。精准拾取-释放转移技术通过调控转移头的作用力，将芯片转移至目标基板上，但受转移头阵列限制，转移效率和精准度相对较低。自组装技术借助流体力或磁力驱动芯片完成自组装，该过程无需单独拾取或释放芯片，大大提高了芯片的转移效率，但组装过程中芯片易损毁，良率无法保证。滚轴转印技术通过中间介质弹性印章实现芯片的拾取，利用精密自动化装置完成芯片与目标基板的对准和压印，提高了芯片的转移精度，但其自动化装置精密工艺难度大，且不能选择性转移芯片。激光剥离技术通过高能量激光束穿过透明基板烧蚀响应层，并利用响应层产生的化学或光热反应，将芯片剥离至目标基板上，具有高精度选择性释放芯片的能力。通过将单束激光衍射成多束激光，可实现芯片的大规模剥离，其转移效率可达100 M/h。目前为止，Mini/Micro LED MT均具有以下特征： （1）芯片转移良率普遍低于99.999 9%，难以满足Mini/Micro LED显示屏良品率的要求 ［ 60 60 ］ ； （2）芯片的转移效率普遍低于100 M/h，难以实现Mini/Micro LED规模化量产 ［ 61 61 ］ ； （3）目前为止，国内企业仅实现了Mini LED的转移，未能实现Micro LED的转移。 考虑MPP的支撑方式，可将其分为机械构型 ［ 26 26 ， 31 31 ， 34 34 ， 41 41 ， 59 59 ， 62 62 ］ 、气浮构型 ［ 63 63 - 65 65 63-65 ］ 、磁浮构型 ［ 66 66 - 76 76 66-76 ］ 和混合构型 ［ 77 77 - 79 79 77-79 ］ 。机械构型MPP运动行程大、机动能力强、结构简单，但其存在的摩擦力和振动，制约平台定位精度的进一步提升。气浮构型MPP采用气浮轴承支撑，减小了平台振动，提高了平台定位精度，但其刚度难调节，机动性差。磁浮构型MPP利用磁力实现平台大承载力悬浮支撑，具备主动振动控制和振动抑制能力，其定位精度可达纳米级，但悬浮功耗大，且定位精度受平台行程制约，仅适合小行程运动。上述单支撑构型的MPP难以满足Mini/Micro LED MT大行程、微米级的定位精度以及快速运动的需求，不利于Mini/Micro LED显示屏的批量化生产。混合构型MPP充分利用以上三种构型的优点，实现MPP大行程、微米级定位的快速运动。目前为止，MPP均具有以下特征： （1）早期绝大多数MPP为机械构型； （2）大部分MPP均通过两条垂直导轨实现平台平面运动； （3）混合构型MPP均采用机械导轨或气浮导轨实现宏运动； （4）目前为止，所有MPP均不具备小角度修正和微高度调节能力，需借助额外运动机构实现。 混合构型MPP避免了机械MPP快速运动引起的振动，克服了气浮MPP响应速度慢和磁浮MPP行程能力不足的缺陷，具有振动小且可控、响应速度快、运动定位精度高等优点，所以近期的研究热点主要聚焦于混合构型MPP的研制。本文对迄今为止的众多Mini/Micro LED MT方案和MPP进行解析，结合MT方案工作原理和MPP结构示意图对Mini/Micro LED芯片MT技术的发展过程进行阐述，同时并对其未来发展趋势进行展望，以供相关研究人员参考。 2 MT方案 1 2.1　精准拾取-释放转移技术 2 精准拾取-释放转移技术根据作用力可分为微转印技术（Micro Transfer-Printing，μTP） ［ 21 21 - 26 26 21-26 ］ 、电磁力转移技术 ［ 27 27 - 28 28 27-28 ］ 、摆臂式转移技术 ［ 29 29 - 31 31 29-31 ］ 、针刺式转移技术 ［ 32 32 - 34 34 32-34 ］ 和静电力转移技术 ［ 35 35 - 36 36 35-36 ］ 。μTP通过调控弹性印章/芯片界面的范德华力（粘附力），实现芯片的转移。美国UI（University of Illinois）大学提出一种动态切换粘附力的μTP（如 图1 图1 （a）所示），根据界面竞争断裂层机制，改变弹性印章的移动速度，调控印章/芯片界面和目标基板/芯片界面的粘附力，利用两界面的粘附力差拾取或释放芯片，可完成各种形状尺寸的单晶硅、GaN芯片的转移 ［ 21 21 - 22 22 21-22 ］ 。在文献［ 21 21 - 22 22 21-22 ］的基础上，X-Celeprint公司在印章表面添加并行排列的模制柱（如 图1 图1 （b）所示），增大了印章单次拾取芯片的数量（45 s内单次转移8万颗75 μm×90 μm芯片），提高了芯片的转移效率，实现了99.99%的芯片转移良率 ［ 23 23 - 24 24 23-24 ］ 。上述方案 ［ 21 21 - 24 24 21-24 ］ 均通过改变印章/芯片界面的速度实现粘附力的切换，但粘附力控制难度较大。为此，美国BI（Beckman Institute）提出了压力调制粘附力的μTP（如 图1 图1 （c）所示），该方案向带有金字塔状微尖的印章施加或撤回压力，改变印章与源基板的接触面积，调控印章/芯片界面的粘附力，实现芯片的拾取和释放，完成芯片的转移。该方案芯片与印章间的粘附力从弱到强可实现三个数量级的切换，转移率达1 kk/h ［ 25 25 ］ 。 1;2;3; μTP采用良好柔韧性和黏性的弹性印章作为转印载体，可完成易碎芯片的无损转移，但转移过程中，需在印章表面设置微小结构实现粘附力的调控，增加了印章制备的困难。此外，粘附力的大小随印章使用次数的增加而降低，需定期更换印章，增加了印章的使用数量 ［ 80 80 ］ 。为避免该问题，台湾工研院提出一种基于电磁力的转移技术（如 图2 图2 所示），在转移头设备上安装由铁磁材料与电磁线圈组成的可编程电磁模块，通过改变电磁线圈电流的大小调控电磁力，完成芯片的拾取和释放 ［ 27 27 - 28 28 27-28 ］ 。该方案可单个转移Mini/Micro LED，但磁性材料的磁性能差异影响了电磁吸附的准确性和一致性，降低了芯片转移精度和显示屏制备良率。为提高转移良率，广东工业大学介绍了一种摆臂式转移技术（如 图3 图3 所示），借助直线运动装置驱动轴端部的吸嘴，利用其吸力拾取芯片，通过旋转运动装置驱动吸嘴旋转至目标基板上方，断开气路将芯片释放至目标基板上 ［ 29 29 ］ 。初期良率可达99.99%，但单臂转移速度仅为4~5颗/s，难以实现芯片的MT ［ 30 30 ］ 。为提高芯片的转移效率，卓兴半导体介绍了一种针刺式转移技术（如 图4 图4 所示），将源基板蓝膜上的芯片和目标基板的键合点对准，通过上下移动针刺转移头，使芯片从蓝膜上剥离至目标基板上 ［ 32 32 ］ ，转移速度为40~50颗/s ［ 33 33 ］ ，但针刺移动速度仍受顶针机构移动速度的限制，制约了转移速度进一步提升。为此，LuxVue公司提出了一种基于静电力调控的转移技术（如 图5 图5 所示），通过改变静电转移头施加的电压调节静电作用力，完成芯片转移。该方案可转移芯片阵列，其转移率可达12 kk/h，但转移过程中需严格控制电极的工作电压，防止芯片高电压击穿 ［ 35 35 - 36 36 35-36 ］ 。 2.2　自组装技术 2 自组装技术采用流体力或磁力驱动芯片完成转移，与精准拾取-释放转移技术相比，可转移尺寸更小、结构更复杂的芯片，具有成本低、效率高的优势 ［ 81 81 ］ 。美国UC（University of California）大学提出一种基于形状互补的流体自组装技术（如 图6 图6 （a）所示），通过流体运输、重力作用、形状识别的方式将梯形芯片沉积到目标基板与之匹配的梯形孔中，借助键合层固定芯片，完成了Si基板GaAs器件的集成 ［ 37 37 ］ 。结合气泡泵装置，循环未被键合的芯片，使芯片填充率达到90%以上 ［ 38 38 ］ ，但该方案不适用于芯片重力小于自身表面张力的场合。为此，该大学又提出一种基于疏水性薄膜互补的流体自组装技术（如 图6 图6 （b）所示），在目标基板的键合处涂上疏水性质的黏胶层薄膜，借助流体的流动以及黏胶层-水界面最小化自由能 ［ 39 39 ］ ，驱动芯片与黏胶层薄膜发生形状匹配，利用加热或者紫外线激活胶黏剂固定芯片，完成芯片组装。该方案对准精度优于0.2 μm，偏转错位约为0.3°，组装效率为98个/min ［ 40 40 ］ 。基于文献［ 37 37 ］，美国eLux公司利用形状互补、焊料固定的流体自组装技术（如 图6 图6 （c）所示） ［ 41 41 ］ ，并生产出12.3英寸Micro LED显示器，其自然产率为99.987% ［ 42 42 ］ 。 1;2;3; 上述方案 ［ 37 37 - 42 42 37-42 ］ 均在流体环境中完成芯片的组装，无需精准对位，操作较为简单，但组装过程中流体力的大小难以控制，降低了组装的成功率。为进一步实现组装技术的可控性，Yando等人首次提出了基于磁力导向的自组装技术（如 图7 图7 （a）所示），将目标基板放在衰减振动台上，利用芯片表面的磁性材料以及目标基板的磁性合金阵列间的引力，实现芯片的定向自组装 ［ 43 43 ］ 。在此基础上，美国MIT（Massachusetts Institute of Technology）大学在目标基板凹槽底面增设涂有强磁材料凹槽阵列 ［ 44 44 ］ （如 图7 图7 （b）所示），通过引入外部磁场源，增强凹槽处的磁场力，提高了微器件的组装速率以及固定力，将微器件转移成功率提高至97% ［ 45 45 ］ 。此外，SelfArray公司介绍了另一种磁力自组装技术（如 图7 图7 （c）所示），在Micro LED芯片表面沉积热解石墨，并将其放置磁性振动台上，在磁场引导下实现芯片的快速定位排列，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）中间介质，将芯片转移到目标基板上 ［ 46 46 ］ 。该方案成本低，转移速率比较快，但自我调控或在线监控难度较大，实现过程不易修复，良率无法保证。 1;2;3; 2.3　滚轴转印技术 2 滚轴转印技术将印章置于滚轮表面，通过自动化装置实现芯片转移的在线监控，利用印章与芯片间的粘附力完成芯片的拾取和释放。与μTP相比，该技术采用滚轴作为转移工具，能够与柔性基板大面积接触，更适合柔性显示器的制备 ［ 80 80 ］ 。美国UMich（University of Michigan）大学提出一种基于双滚轴、传送带、UV光源和机电系统的大面积卷对卷或卷对面的纳米压印光刻转移装置（如 图8 图8 （a）所示），通过滚轴滚动、传送带运动，实现芯片以7.94 mm/s速率的转移，借助高能量UV光源固化基板上的抗蚀材料，完成了芯片的固定 ［ 47 47 ］ 。该方案通过机电系统精确监控压力，保证了转印时压力的均匀性，提高了转印精度，但负载发生波动时，机电系统检测难度大，限制转印精度进一步提升。基于文献［ 47 47 ］，韩国机械材料研究院（Korea Institute of Machinery and Materials，KIMM）提出一种基于实时控制接触载荷的卷对卷技术，考虑载荷实时波动，完成了IGZO薄膜从刚性衬底到非传统弹性衬底的转移 ［ 48 48 ］ ，实现了卷对卷转移的全自动化和可伸缩化，并通过柔性基板的延展性测试验证了集成IGZO晶体管的电气性能。在此基础上，该研究所采用滚轴连续3次压印完成了LED柔性显示屏的制备，转移过程如 图8 图8 （b）所示。该方法可实现0.75 kk/h的转移速率，具备97.3%的转移良率，但不能选择性转移Mini/Micro LED芯片 ［ 49 49 ］ 。 1;2; 2.4　激光剥离技术 2 激光剥离技术通过高能量、高功率的激光束穿过透明基板，选择性地照射粘附有芯片的牺牲层，并在牺牲层表面发生光热或光化学反应，使芯片剥落至目标基板上 ［ 50 50 - 51 51 50-51 ］ 。该过程跳过芯片的拾取环节，提高了芯片转移效率和转移能力。1997年德国TUM（Technische Universität München）大学首次提出激光直接剥离技术，通过紫外激光照射氮化镓（GaN）牺牲层，借助GaN牺牲层的热分解，降低GaN/芯片界面的黏性，使芯片在重力的作用下脱落至目标基板上（如 图9 图9 （a）所示） ［ 52 52 ］ 。基于文献［ 52 52 ］，韩国KIMM采用226 nm的激光束，利用散焦光束扫描的方式将100 μm×100 μm的GaN基LED剥离至热释放胶带，实现了单点可控的选择性转移（如 图9 图9 （b）所示） ［ 53 53 ］ 。此外，中南大学（CSU）成功制备了尺寸为50 μm×80 μm的GaN基Micro LED芯片，并采用激光剥离技术完成了Micro LED芯片从蓝宝石到临时基板的转移（如 图9 图9 （c）所示），证明了激光剥离技术对芯片的光电性能几乎无影响 ［ 54 54 ］ 。 1;2;3; 上述方案 ［ 52 52 - 54 54 52-54 ］ 均通过GaN牺牲层的热分解实现芯片剥落，具备选择性释放的能力，但GaN热分解进程易受激光功率的影响。激光功率越高，GaN热分解进程越快，芯片越易脱落，激光功率超过一定值时，芯片与蓝宝石间的黏附力因受热而增加，剥离较困难 ［ 55 55 ］ 。为此，美国Hopkins大学提出一种激光间接剥离技术（如 图10 图10 （a）所示），通过激光束烧蚀牺牲层并形成鼓包，利用鼓包表面的张力，推动芯片向目标基板转移 ［ 56 56 ］ 。该技术广泛应用于电子器件的选择性打印，如有机TFT，OLED和传感器 ［ 57 57 ］ 。基于文献［ 56 56 ］，Uniqarta公司提出一种大规模并行激光剥离方法（如 图10 图10 （b）所示），在单脉冲激光的基础上添加X-Y激光扫描仪，将单束激光衍射为多束激光，实现了芯片的大规模剥离。该方案大大提高了单次剥离芯片的数量，其剥离速率达100 M/h，转移精度达±34 μm，且具备良好的缺陷检测能力，适用于目前多种尺寸和材料的转移 ［ 58 58 ］ 。 1;2; 3 MPP 1 3.1　机械构型MPP 2 机械构型MPP具备结构简单、机动能力强、承载力大等优势，早期MPP都采用“机械导轨支撑+直线电机驱动”的机械构型实现平台的平面运动 ［ 62 62 ］ 。美国Rohinni公司与京东方合作研制了针刺式MT设备（如 图11 图11 （a）所示），通过MPP先完成Mini LED芯片源基板与目标基板的对位，再借助针刺式转移技术实现芯片的释放，其转移速率为180 k/h ［ 34 34 ］ 。深圳新益昌研制了基于摆臂式转移方案的六头平面式Mini LED转移设备（如 图11 图11 （b）所示），采用类似机械构型MPP，利用“六邦头固晶+六个晶片搜寻系统”的模式，实现了在同一基板上单次转移三色芯片，其转移效率可达120 k/h ［ 31 31 ］ 。 相较于Mini LED，Micro LED尺寸更小，其MT更困难。为此，XDC（X Display Company）研制了基于μTP的Micro LED转移设备（如 图12 图12 （a）所示），采用机械构型MPP实现了基板的 X ， Y 向平面运动，其运动行程为500 mm×500 mm ［ 26 26 ］ 。eLux研制了基于流体自组装技术的Micro LED转移设备（如 图12 图12 （b）所示），在每个阶段（组装、清理、回收和干燥）借助机械MPP自动检查和修复芯片 ［ 41 41 ］ ，提高了显示屏制造的良品率。此外，德国激光微加工系统厂商3D-Microma研制了基于激光剥离技术的Micro CETI设备（如 图12 图12 （c）所示），将MPP的轴数提高至16轴，使转移效率提高至130 kk/h ［ 59 59 ］ 。 3.2　气浮构型MPP 2 气浮构型MPP借助轴承表面气膜隔开动子面与静子面，通过改变动静子间气体压力，实现了动子面悬浮，可有效隔离外界振动，具有无机械摩擦、稳定运行等优点，适用于超精密加工领域 ［ 82 82 - 83 83 82-83 ］ 。加拿大UW（University of Waterloo）大学提出一种T型气浮构型MPP（如 图13 图13 （a）所示），采用多孔空气轴承支撑龙门结构，利用真空预加载空气轴承支撑平台，通过两台直线电机驱动龙门架间接实现平台 Y 向运动，借助龙门架上直线电机驱动平台完成 X 向运动，其运动行程为300 mm×300 mm，运动定位精度达2.4 μm ［ 63 63 ］ 。因 X 轴单电机在平台工作区间往复运动，摩擦升温明显，易引起热误差，影响平台定位精度。为提高定位精度，上海交通大学（STJU）研制一种双H型气浮构型MPP（如 图13 图13 （b）所示），通过4台直线电机驱动平台中心推杆，实现平台 X ， Y 方向运动。该方案的电机远离平台工作区域，降低了电机热干扰，使平台定位精度提升至2 µm ［ 64 64 ］ 。 1;2; 上述方案 ［ 63 63 - 64 64 63-64 ］ 均采用真空预加载与气浮轴承配合的方式实现平台的稳定悬浮，结构较为简单，但轴承气隙不可变，难以适应负载变化较大的场合。韩国KIMM提出了一种磁力预加载的单轴气浮构型MPP（如 图14 图14 所示），利用平台四个方位角上的主动控制磁力执行器实现平台的磁力预加载，通过改变执行器线圈电流的大小调节电磁预紧力，适应了平台负载的变化。该平台承载力约600 N，行程为200 mm，定位精度可达纳米级 ［ 65 65 ］ 。 3.3　磁浮构型MPP 2 磁浮构型MPP利用磁阻力或洛伦兹力实现平台的无接触悬浮支撑，相较于气浮构型，无需铺设气路和安装气泵，具有系统简单、主动振动控制和振动抑制的优势 ［ 84 84 ］ 。美国General Signal公司研制出一款Sawyer磁阻型平面电机（如 图15 图15 （a）所示），借助两组正交通电线圈与磁钢阵列相互作用，实现平台 X ， Y 方向平动，利用开环控制系统提高电机的定位精度 ［ 66 66 ］ 。该方案被广泛应用于平板绘图仪和晶圆探测器等超精密仪器。此外，国立台湾大学研制了一种二维运动的磁浮平台（如 图15 图15 （b）所示），利用多个通电螺线管与永磁体的相互作用亦实现了平台的稳定悬浮和平面驱动 ［ 67 67 ］ 。 上述方案 ［ 66 66 - 67 67 66-67 ］ 均是利用磁阻力悬浮支撑平台，具有承载力大、承载功耗低的优势，但磁阻力与控制电流成非线性关系，且存在位移负刚度，制约了MPP精度进一步提升 ［ 68 68 - 69 69 68-69 ］ 。洛伦兹力与电流成严格的线性关系，无位移负刚度，具有响应速度快、分辨率高等优势，可实现平台高精度的稳定悬浮 ［ 70 70 - 71 71 70-71 ］ 。1997年美国MIT（Massachusetts Institute of Technology）大学首次研制出洛伦兹式MPP（如 图16 图16 （a）所示），利用Halbach永磁体阵列以及四组控制线圈实现了平台的驱动和悬浮，具备了纳米级的定位精度和1 g的最大加速度 ［ 72 72 ］ 。但其 X ， Y 方向的运动行程仅为50 mm，且线圈间的电磁耦合严重，难以满足Mini/Micro LED芯片的MT。为提升MPP行程和降低电磁力耦合，荷兰TU/e（Eindhoven University of Technology）研制出另一种洛伦兹式磁浮平台（如 图16 图16 （b）所示），利用人字形排列线圈与Halbach永磁体阵列相互作用，实现了平台驱动和悬浮。该方案在物理上实现了 X ， Y 向电磁力解耦，并将 X ， Y 向的运动行程扩大至230 mm×230 mm，但旋转行程仅为±3 mrad ［ 73 73 ］ 。为提高MPP旋转角度，北京石油化工学院（BIPT）介绍了一种LED显示屏检测修复用六自由度洛伦兹平台（如 图16 图16 （c）所示），采用轴向平动径向偏转洛伦兹磁轴承和径向平动轴向旋转洛伦兹磁轴承实现平台悬浮和驱动，具有高运动定位精度、高动态响应速度和360°方位角调整能力，特别适用于Mini/Micro LED显示屏LED芯片坏点修复 ［ 74 74 ］ 。 1;2;3; 综合磁阻式MPP和洛伦兹式MPP的优点，荷兰代尔夫特理工大学提出一种TU结构六自由度磁浮MPP（如 图17 图17 所示），采用三组悬浮线圈产生的磁阻力实现轴向悬浮和径向偏转，利用定子上的四个永磁体和动子上的三组推力线圈相互作用产生洛伦兹力，实现径向平动和轴向旋转。该方案平动行程为160 mm×160 mm，定位精度可达到亚微米级 ［ 75 75 ］ 。 3.4　混合构型MPP 2 机械构型MPP运动行程大，承载力高，机动能力强，但存在较大摩擦磨损，快速启停时颤振明显，运动定位精度较低 ［ 85 85 ］ 。气浮构型MPP运动行程大，无摩擦磨损，可隔离振动，启动能力强，但速停能力不足，承载力较小，不具备主动振动和主动抑制能力。磁浮构型MPP承载力大、机动能力强、无摩擦磨损，定位精度高，具备主动振动控制与抑制能力，但运动行程与定位精度存在矛盾，行程越大精度越低，且悬浮耗电 ［ 76 76 ］ 。京东方（BOE）综合机械构型MPP和气浮构型MPP的优势，研制出一种混合构型MPP，采用底层气浮构型MPP隔振，利用上层机械构型MPP完成步进运动，大幅提升了Mini/Micro LED的转移效果，但平台依然存在几何误差和摩擦磨损，限制了平台的定位精度和运行速度的进一步提升。为提高平台的定位精度，美国Integrated solutions公司研制一种“气浮+磁浮”混合构型MPP（如 图18 图18 （a）所示），采用气浮构型MPP作为宏动台实现大行程运动，利用磁浮构型MPP作为微动台实现六自由度的运动，其宏运动行程达200 mm，微动台在 X ， Y ， Z 向的行程均为100 μm，定位精度约为20 nm，绕三轴偏转范围为0~10 μrad ［ 77 77 ］ 。清华大学亦提出类似混合构型超精密MPP（如 图18 图18 （b）所示），实现了 X 和 Y 轴方向上两自由度平动的纳米级运动定位和绕 Z 轴旋转的亚纳弧级定位精度 ［ 78 78 ］ 。 1;2; 4 前景与展望 1 4.1　MT方案 2 目前国内外Mini LED显示屏实现了小规模量产，Micro LED显示屏还处于研制攻关阶段，距离小规模量产还需三年左右 ［ 86 86 ］ 。国际上摆臂式MT方案应用最为广泛，其单头转移速率为4至5颗/s ［ 30 30 - 31 31 30-31 ］ 。近期针刺式MT方案已小规模应用于Mini LED显示屏制备，其单头转移速率为40~50颗/s ［ 33 33 ， 87 87 ］ 。两种MT方案速率使得Mini LED显示屏价格居高不下，亟需进一步提高MT设备的运行速度，使Mini LED显示屏更经济、大规模的制备。激光剥离技术、μTP和流体自组装均可用于Micro LED显示屏制备，但后者MT方案的良率相对低。相较于μTP，激光剥离技术的转移速度更快，转移精度更高，可选择性更好，是Mini/Micro LED芯片高效率、高良率转移的最佳选择。现有激光剥离技术在激光照射牺牲层发生光热或光化反应过程中，易产生固体多余物，污染工作环境，影响显示屏制备。此外，牺牲层不可重复使用，使芯片转移成本提高。文献［ 88 88 ］介绍了液气双态Mini/Micro LED芯片巨量转移用晶膜及制作方法（如 图19 图19 （a）所示），通过激光加热位于介质存储网格中的液气双态介质，利用介质的气化在粘附层表面指定晶位形成鼓包，并推动芯片向目标基板转移。由于液气双态介质能够气/液双态双向转化，提高了牺牲层的重复利用率且不产生固体多余物。此外，芯片不与液气双态介质直接接触，减小了芯片的损伤率。在此基础上，文献［ 89 89 ］介绍了一种基于微孔介质气化原晶膜的巨量转移装置（如 图19 图19 （b）所示），利用玻璃衬底表面制备微孔阵列替代文献［ 88 88 ］的介质存储网格，进一步简化了晶膜结构，提升转移良率，降低晶膜成本。 1;2; 4.2　MPP 2 芯片转移过程中，源基板芯片与目标基板晶位会时常存在一定小角度偏差，或未完全剥落时与目标基板存在微小高度差。前者要求MPP具备周向高频小角度修正能力，后者要求MPP具备轴向高频微高度调节能力。现有机械构型MPP、气浮构型MPP、磁浮构型MPP等单一支撑构型，和多种支撑的混合构型MPP，均需借助角度修正机构和高度调节机构实现芯片的小角度修正和目标基板的微高度调节。现有芯片的小角度修正和基板的微高度调节与MPP平面运动串联工作，降低了芯片转移效率，同时两者的运动精度间接制约了转移良率。文献［ 79 79 ］介绍了一种“机械+磁浮”混合构型MPP（如 图20 图20 所示）。利用机械构型MPP实现基板平面运动，通过磁浮构型MPP的周向洛伦兹磁轴承实现目标基板的高频小角度调整，借助磁浮构型MPP的轴向平动洛伦兹磁轴承实现基板轴向微高度高频往复平动。该MPP将平台平面运动、芯片小角度修正和目标基板的微高度调节三个动作融为一步，缩短了单颗芯片转移时间，提升了芯片转移质量和可靠性。 5 结 论 1 本文对迄今为止出现的Mini/Micro LED MT方案以及MPP进行阐述，根据MT方案以及MPP构型，详细论述了其工作原理和发展过程。从芯片转移效率和良率角度，介绍了MT方案和MPP的研究现状，并展望其发展方向。基于微孔液气双态介质的激光剥离技术能够实现芯片选择性的精准快速剥离，被认为是Mini/Micro LED显示屏制备更具优势的MT方案。具备周向高频小角度修正能力和轴向高频微高度调节能力的“机械+磁浮”混合构型MPP，有利于缩短单颗芯片转移时间，提升了Mini/Micro LED芯片的转移能力和可靠性，是未来一个重要研究方向。 参考文献 CHEN H S ， WANG H F ， CHOU C J ， et al . 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