CN113517309A - 集转移、检测和修补于一体的Micro LED的巨量转移装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集转移、检测和修补于一体的Micro LED的巨量转移装置及方法。所述装置，包括半球形真空腔、位于半球形真空腔开口下方且与半球形真空腔紧密连接的光滑金属平板；当转移装置与Micro LED芯片紧密接触后，通过对真空腔抽真空，在芯片上下表面形成气压差，从而将芯片吸附在金属平板上，实现巨量转移。同时通过检测金属平板上孔洞的气体流速，对转移失败的芯片单元检测并标记，以便于补偿转移失败的芯片单元。本发明制备方法新颖，制作成本低，制备工艺简单，精确可控，并且能够很灵活地适应需要转移的Micro LED的不同阵列分布，能够检测和补偿转移失败的坏点。因此，是一种操作灵活、可行性高的巨量转移方案。
Description
技术领域
本发明属于巨量转移技术领域，具体涉及一种集转移、检测和修补于一体的MicroLED的巨量转移装置及方法。
背景技术
随着电子科技产业的发展和技术的进步，人们对于电子产品的性能要求不断地提高。视觉作为人类接收信息的主要方式，在技术优化人类生活的问题中一直是最受关心的方面，这意味着显示技术在电子科技产业的进步中处于关键地位。Micro LED显示器作为新一代显示器，在显示领域前所未有地体现出各方面无与伦比的优越性能，以及广阔的应用场景，现已成为众多研究所和显示企业争相研究的热点。而目前阻碍着Micro LED显示器投入市场的关键障碍正是不够高效的芯片转移技术带来的极高成本与极低生产效率。截至目前为止，巨量转移技术阵营分为利用静电力、磁力、范德瓦尔斯力的印章转移技术阵营，利用激光剥离技术的选择性释放阵营，自组装技术阵营和滚轴转印技术阵营。这些技术都对于材料有着苛刻的要求，同时不能灵活地对于不同分布的Micro LED阵列完成转移。并且目前的转移技术较难以同时实现检测转移情况并修补转移失败的芯片单元。
相比于利用较弱的范德瓦尔斯力转移技术、需要在Micro LED芯片中混入铁钴镍材料的磁力转移技术和需要制作高精度电极的静电力转移技术，Micro LED的制备亟需一种成本较低、方法简单、不干扰芯片性能、可选择性高、能够稳定可靠地抓取芯片、能够检测转移质量并修补转移失败的芯片单元的转移技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集转移、检测和修补于一体的Micro LED的巨量转移装置及方法，解决现有技术成本高、灵活性低、转移可靠性不足、缺乏检测与修补环节的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种集转移、检测和修补于一体的MicroLED的巨量转移装置，包括半球形真空腔、位于半球形真空腔开口下方且与半球形真空腔紧密连接的光滑金属平板，该金属平板上具有矩阵分布的孔洞；金属平板的下表面与空气接触，在转移过程中将与Micro LED芯片接触，并拾取相应孔洞位置的Micro LED芯片；金属平板的上表面设有坏点检测装置与封口装置；Micro LED生长在镂空结构的源衬底上并经过切割形成独立的、可拾取的Micro LED芯片。
在本发明一实施例中，所述金属平板与半球形真空腔采用不易发生形变的金属材料，金属平板的轮廓不限于与半球形真空腔底部开口相匹配的圆形轮廓，且金属平板的轮廓尺寸大于半球形真空腔底部开口尺寸，金属平板与半球形真空腔之间密封连接。
在本发明一实施例中，所述孔洞的矩阵分布与待转移的Micro LED芯片阵列分布相同，孔洞贯穿金属平板；孔洞的圆心对准Micro LED芯片的中心位置，孔洞的开孔直径小于待转移的Micro LED芯片长或宽或对角线尺寸；孔洞开孔形状包括圆柱形。
在本发明一实施例中，在所述镂空结构中，待转移的Micro LED芯片与其底座之间的连接是作用力较弱的断裂键；所述断裂键能够稳定支撑Micro LED芯片而保证Micro LED芯片不会从源衬底脱落，并且在芯片上下表面气压差形成的压力作用下容易断裂；在所述镂空结构中，Micro LED芯片与底面镂空部分均沉浸在气体或液体环境中，在之后的转移过程中，气体或液体环境将与半球形真空腔内气体产生压强差，从而形成对Micro LED芯片的抓取作用力。
在本发明一实施例中，所述镂空结构可被其它结构或工艺替代，但需在转移时保证Micro LED芯片与源衬底所在环境与半球形真空腔产生压强差。
在本发明一实施例中，所述坏点检测装置与封口装置是一个行列交错的矩阵式电路，电路与金属平板之间通过镀上绝缘薄膜进行绝缘；坏点检测装置与封口装置包括一个信号处理模块，并且在每一个孔洞上都有一个坏点检测单元和封口单元；所述坏点检测装置与封口装置可通过与薄膜晶体管阵列制作工艺相通的包括光刻、刻蚀的技术实现。
在本发明一实施例中，所述坏点检测单元能够检测出由于转移失败而形成于孔洞中的高速气流，并产生电信号；所述坏点检测单元在转移工艺开始时启动，在转移工艺全部完成后停止工作；在整个转移过程中，坏点检测单元始终检测对应孔洞的气体流速，当气体流速高于阈值时，坏点检测单元能够相应地发生电势变化，这个电势变化在经过信号处理模块处理后将对应地驱动封口单元作出反应。
在本发明一实施例中，所述封口单元由一个坚硬的固体薄片和微型电机组成，能够接收到经处理后的坏点检测单元的电信号并相应启动微型电机移动固体薄片，对孔洞进行封闭或开启；所述封口单元对电信号能够产生微弱磁性：当执行开启动作时，封口单元的两端磁性相同，相互排斥，使得孔洞开启；当执行关闭动作时，封口单元的两端磁性相反，相互吸引，使得孔洞关闭；孔洞开启时，外部气流可进入半球形真空腔内部；孔洞封闭后，外部气流无法进入半球形真空腔内部；当半球形真空腔完全封闭时，腔内真空度不发生变化；封口单元的开闭也可以采用包括电控、吸附、气压差的控制原理实现。
本发明还提供了一种基于上述所述的集转移、检测和修补于一体的Micro LED的巨量转移装置的Micro LED的巨量转移方法，包括如下步骤：
S1、根据待转移的Micro LED芯片阵列排布制备金属平板及其孔洞，将转移装置的金属平板下表面孔洞与相应的Micro LED芯片中心精确对准并贴合；
S2、对半球形真空腔抽真空，并将真空度维持在稳定值，使Micro LED芯片因上下表面气压差而吸附在金属平板上；
S3、将转移装置平稳上移，使待转移的Micro LED芯片与其底座间的断裂键断开，从而脱离源衬底；出现掉落、吸附失败的孔洞将被相应坏点检测装置的坏点检测单元检测到高速气流，并被标记为坏点，再由相应封口装置的封口单元对相应孔洞进行封口，以保持转移装置内的真空状态；
S4、将转移装置平稳移动至目标基板上方，精确对准位置后下移，使Micro LED芯片与目标基板上相应位置对准并接触；
S5、对真空腔充气，使Micro LED芯片被气流按压在基板位置上，并紧密贴合；
S6、将转移装置平稳上移，转移成功的孔洞将检测到相同的高速气流，由电子信号将这些孔洞标记为好点；若Micro LED芯片粘在孔洞上，将导致孔洞气体流速远低于高速气流的流速；流速远低于高速气流流速的孔洞将标记为坏点；
S7、将转移装置返回源衬底上的Micro LED芯片上方，对开启的好点孔洞进行封口，对封口的坏点孔洞进行开启，再次进行S1-S6转移Micro LED以补足目标基板上缺失的芯片单元；
S8、当检测到所有孔洞均为好点并且转移完毕后，开启所有封闭的孔洞，进行对下一个Micro LED阵列的转移。
在本发明一实施例中，半球形真空腔、金属平板的孔洞可根据实际需求进行形状的改良，坏点检测装置与封口装置可根据实际技术条件进行相同功能的其他形式变化。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明利用一块具有规则分布的孔洞和覆盖于其上的坏点检测及封口电路的圆形金属平板，和一个半球形真空腔组成的转移装置，通过对真空腔抽真空形成贴合在孔洞上的芯片的上下表面气压差以实现稳定吸附，从而完全巨量转移过程。同时通过测量孔洞气体流速监测芯片转移情况，能够及时准确地监测转移失败的芯片单元并标记该单元，同时根据标记信号对转移失败的单元进行补足。本发明方法新颖，制作成本低，流程简单，作用可靠，可选择性高，灵活可控。对于解决生产Micro LED显示器的工艺流程中的巨量转移环节能够提供显著帮助。
附图说明
图1为转移装置结构示意图；
图2为金属平板、金属平板孔洞、金属平板内表面的坏点检测装置与封口装置的电路示意图；
图3为封口装置的封口与开启动作示意图；
图4为Micro LED芯片在衬底上的镂空结构示意图；
图5为本发明对Micro LED芯片转移操作中抓取与提升动作示意图；
图6为本发明对Micro LED芯片转移操作中在目标基板上对准、下压转印和上移结束转印动作示意图；
图7为本发明对Micro LED芯片转移操作中，当抓取动作出现坏点情况下的转印至目标基板、转印结束的两种情况示意图；
图8为本发明对Micro LED芯片转移操作中，当出现坏点情况下（图7情况2）的补偿转印中预备、对准、抓取、转移动作示意图；
图9为本发明对Micro LED芯片转移操作中，当补偿转印中在目标基板上对准、转印、转印结束动作示意图；
附图标记：转移装置1、Micro LED芯片2、源衬底3、检测单元4、封口装置5、芯片槽6、标记为好点的孔洞的封口装置7、断裂键8、目标基板9、半球形真空腔10、金属平板11、孔洞12、行电极13、列电极14、封口状态的孔洞15、坏点201、坏点202、补偿转移的Micro LED芯片单元301、补偿转移的Micro LED芯片单元302、空缺芯片槽601、空缺芯片槽602。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种集转移、检测和修补于一体的Micro LED的巨量转移装置，包括半球形真空腔、位于半球形真空腔开口下方且与半球形真空腔紧密连接的光滑金属平板，该金属平板上具有矩阵分布的孔洞；金属平板的下表面与空气接触，在转移过程中将与Micro LED芯片接触，并拾取相应孔洞位置的Micro LED芯片；金属平板的上表面设有坏点检测装置与封口装置；Micro LED生长在镂空结构的源衬底上并经过切割形成独立的、可拾取的MicroLED芯片。
本发明还提供了一种基于上述所述的集转移、检测和修补于一体的Micro LED的巨量转移装置的Micro LED的巨量转移方法，包括如下步骤：
S1、根据待转移的Micro LED芯片阵列排布制备金属平板及其孔洞，将转移装置的金属平板下表面孔洞与相应的Micro LED芯片中心精确对准并贴合；
S2、对半球形真空腔抽真空，并将真空度维持在稳定值，使Micro LED芯片因上下表面气压差而吸附在金属平板上；
S3、将转移装置平稳上移，使待转移的Micro LED芯片与其底座间的断裂键断开，从而脱离源衬底；出现掉落、吸附失败的孔洞将被相应坏点检测装置的坏点检测单元检测到高速气流，并被标记为坏点，再由相应封口装置的封口单元对相应孔洞进行封口，以保持转移装置内的真空状态；
S4、将转移装置平稳移动至目标基板上方，精确对准位置后下移，使Micro LED芯片与目标基板上相应位置对准并接触；
S5、对真空腔充气，使Micro LED芯片被气流按压在基板位置上，并紧密贴合；
S6、将转移装置平稳上移，转移成功的孔洞将检测到相同的高速气流，由电子信号将这些孔洞标记为好点；若Micro LED芯片粘在孔洞上，将导致孔洞气体流速远低于高速气流的流速；流速远低于高速气流流速的孔洞将标记为坏点；
S7、将转移装置返回源衬底上的Micro LED芯片上方，对开启的好点孔洞进行封口，对封口的坏点孔洞进行开启，再次进行S1-S6转移Micro LED以补足目标基板上缺失的芯片单元；
S8、当检测到所有孔洞均为好点并且转移完毕后，开启所有封闭的孔洞，进行对下一个Micro LED阵列的转移。
以下为本发明具体实现实例。
如图1所示，本发明的转移装置1包括半球形真空腔10，与所述半球型真空腔10密封连接的圆形金属平板11，所述金属平板11上通过激光加工技术穿有圆柱形孔洞12，所述孔洞12的上表面设置有检测单元4（即坏点检测装置）和封口装置5。
具体地，如图2所示，所述的金属平板11上分布有由行电极13与列电极14组成的矩阵电极，矩阵电极与所述的金属平板11之间绝缘。所述的孔洞12面积小于Micro LED芯片面积，并处于矩阵电极的单元格中，每个孔洞伴有一个由微型电机与固体薄片组成的封口装置5与能够检测对应孔洞气体流速的检测单元4。如封口状态的孔洞15所示，当所述的检测单元4检测到对应孔洞转移失败时将产生电信号，封口装置5将移动固体薄片对孔洞进行封口。如图3所示，是封口装置5封口与开启动作的示意图。
如图4所示，本发明的Micro LED芯片在衬底上的镂空结构中，源衬底3与MicroLED芯片2之间通过脆弱的断裂键8相连。芯片与镂空结构均处于稳定的气体环境中。
图5为正常转移Micro LED芯片的流程示意图。所述的转移过程包括以下步骤：
S1：如图5抓取动作所示，转移装置1对准并紧密贴合源衬底上的Micro LED芯片阵列2后对真空腔内抽真空，Micro LED芯片阵列2被吸附在转移装置1下表面；
S2：如图5提升动作所示，转移装置1上移，Micro LED芯片阵列2与源衬底3之间的断裂键断开，两者分离。检测单元4没有检测到高速气流，表明抓取成功，封口装置5保持开启；
S3：如图6对准动作所示，转移装置1移动至目标基板9上方，根据Micro LED芯片阵列2与目标基板9上的芯片槽6的位置进行对准，使得两者正对。检测单元4没有检测到高速气流，表明转移成功，封口装置5保持开启；
S4：如图6转印动作所示，转移装置1下移，将Micro LED芯片阵列2按压在目标基板9上表面的芯片槽6中，同时对真空腔充气；
S5：如图6结束转印动作所示，转移装置1上移，Micro LED芯片阵列2受气流冲击被紧紧按压在目标基板9上相应位置的芯片槽6完成贴合。检测单元4检测到相同的高速气流，表明转印成功，封口装置5保持开启。一次巨量转移到此完成。转移装置重复上述步骤继续转移其他Micro LED芯片阵列。
图7至图9为转移Micro LED芯片过程中出现坏点的流程示意图。所述的转移过程包括以下步骤：
S1、如图7抓取出现坏点情况所示，转移装置1抓取Micro LED芯片阵列后上移时，出现抓取失败的Micro LED芯片单元，此时检测单元4检测到高速气流，产生电信号将该孔洞标记为坏点201，同时封口装置5接收到电信号，通过电机移动固体薄片对该孔洞进行封口。没有检测到高速气流的检测单元4不产生电信号，对应的封口装置5保持开启；
S2、如图7坏点情况下转印动作所示，转移装置1对准目标基板9上的芯片槽6后下移，将成功转移的Micro LED芯片阵列2精准按压在目标基板9相应位置的芯片槽6上，此时出现坏点201对应的空缺芯片槽601；
S3、如图7情况1所示，转移装置1上移，成功转移的Micro LED芯片阵列2转印成功，检测到高速气流的检测单元4产生电信号，将相应的孔洞标记为好点；如图7情况2所示，若成功转移的Micro LED阵列转印时出现转印失败的Micro LED芯片单元，该孔洞的检测单元4检测不到高速气流，产生电信号将其标记为坏点202，对应的出现空缺芯片槽602；
S4、如图8预备动作所示，将所有标记为坏点的孔洞的封口装置5开启，将所有标记为好点的孔洞的封口装置7进行封口；
S5、如图8对准动作所示，将转移装置1移至源衬底3上方，与源衬底3进行对准；
S6、如图8抓取动作所示，将转移装置1下移，使下表面与补偿转移的Micro LED芯片单元301紧密接触，然后对真空腔抽真空，抓取补偿转移的Micro LED芯片单元301；
S7、如图8转移动作所示，将转移装置1上移，使补偿转移的Micro LED芯片单元301与源衬底3之间的断裂键断开，两者分离。检测单元4没有检测到高速气流，表明抓取成功，封口装置5保持开启；
S8、如图9对准动作所示，将转移装置1移动至目标基板9上方与空缺芯片槽601、602进行对准，检测单元4没有检测到高速气流，表明转移成功，封口装置5保持开启；
S9、如图9转印动作所示，将转移装置1下移，将补偿转移的Micro LED芯片单元301、302按压在目标基板9的相应位置上的芯片槽601、602，同时对真空腔充气；
S10、如图9转印结束动作1所示，将转移装置1上移，补偿转移的Micro LED芯片单元301、302受气流冲击被紧紧按压在目标基板9相应位置的芯片槽601、602完成贴合。检测单元4检测到相同的高速气流，表明转印成功，将补偿转移成功的坏点孔洞标记为好点；
S11、如图9转印结束动作2所示，将所有标记为好点的孔洞的封口装置7开启，一次巨量转移结束，进行对下一个Micro LED芯片阵列的巨量转移。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种集转移、检测和修补于一体的Micro LED的巨量转移装置，其特征在于，包括半球形真空腔、位于半球形真空腔开口下方且与半球形真空腔紧密连接的光滑金属平板，该金属平板上具有矩阵分布的孔洞；金属平板的下表面与空气接触，在转移过程中将与MicroLED芯片接触，并拾取相应孔洞位置的Micro LED芯片；金属平板的上表面设有坏点检测装置与封口装置；Micro LED生长在镂空结构的源衬底上并经过切割形成独立的、可拾取的Micro LED芯片。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属平板与半球形真空腔采用不易发生形变的金属材料，金属平板的轮廓不限于与半球形真空腔底部开口相匹配的圆形轮廓，且金属平板的轮廓尺寸大于半球形真空腔底部开口尺寸，金属平板与半球形真空腔之间密封连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述孔洞的矩阵分布与待转移的MicroLED芯片阵列分布相同，孔洞贯穿金属平板；孔洞的圆心对准Micro LED芯片的中心位置，孔洞的开孔直径小于待转移的Micro LED芯片长或宽或对角线尺寸；孔洞开孔形状包括圆柱形。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述镂空结构中，待转移的Micro LED芯片与其底座之间的连接是作用力较弱的断裂键；所述断裂键能够稳定支撑Micro LED芯片而保证Micro LED芯片不会从源衬底脱落，并且在芯片上下表面气压差形成的压力作用下容易断裂；在所述镂空结构中，Micro LED芯片与底面镂空部分均沉浸在气体或液体环境中，在之后的转移过程中，气体或液体环境将与半球形真空腔内气体产生压强差，从而形成对Micro LED芯片的抓取作用力。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述镂空结构可被其它结构或工艺替代，但需在转移时保证Micro LED芯片与源衬底所在环境与半球形真空腔产生压强差。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述坏点检测装置与封口装置是一个行列交错的矩阵式电路，电路与金属平板之间通过镀上绝缘薄膜进行绝缘；坏点检测装置与封口装置包括一个信号处理模块，并且在每一个孔洞上都有一个坏点检测单元和封口单元；所述坏点检测装置与封口装置可通过与薄膜晶体管阵列制作工艺相通的包括光刻、刻蚀的技术实现。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述坏点检测单元能够检测出由于转移失败而形成于孔洞中的高速气流，并产生电信号；所述坏点检测单元在转移工艺开始时启动，在转移工艺全部完成后停止工作；在整个转移过程中，坏点检测单元始终检测对应孔洞的气体流速，当气体流速高于阈值时，坏点检测单元能够相应地发生电势变化，这个电势变化在经过信号处理模块处理后将对应地驱动封口单元作出反应。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述封口单元由一个坚硬的固体薄片和微型电机组成，能够接收到经处理后的坏点检测单元的电信号并相应启动微型电机移动固体薄片，对孔洞进行封闭或开启；所述封口单元对电信号能够产生微弱磁性：当执行开启动作时，封口单元的两端磁性相同，相互排斥，使得孔洞开启；当执行关闭动作时，封口单元的两端磁性相反，相互吸引，使得孔洞关闭；孔洞开启时，外部气流可进入半球形真空腔内部；孔洞封闭后，外部气流无法进入半球形真空腔内部；当半球形真空腔完全封闭时，腔内真空度不发生变化；封口单元的开闭也可以采用包括电控、吸附、气压差的控制原理实现。
9.一种基于权利要求1-8任一所述的集转移、检测和修补于一体的Micro LED的巨量转移装置的Micro LED的巨量转移方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据待转移的Micro LED芯片阵列排布制备金属平板及其孔洞，将转移装置的金属平板下表面孔洞与相应的Micro LED芯片中心精确对准并贴合；
S2、对半球形真空腔抽真空，并将真空度维持在稳定值，使Micro LED芯片因上下表面气压差而吸附在金属平板上；
S3、将转移装置平稳上移，使待转移的Micro LED芯片与其底座间的断裂键断开，从而脱离源衬底；出现掉落、吸附失败的孔洞将被相应坏点检测装置的坏点检测单元检测到高速气流，并被标记为坏点，再由相应封口装置的封口单元对相应孔洞进行封口，以保持转移装置内的真空状态；
S4、将转移装置平稳移动至目标基板上方，精确对准位置后下移，使Micro LED芯片与目标基板上相应位置对准并接触；
S5、对真空腔充气，使Micro LED芯片被气流按压在基板位置上，并紧密贴合；
S6、将转移装置平稳上移，转移成功的孔洞将检测到相同的高速气流，由电子信号将这些孔洞标记为好点；若Micro LED芯片粘在孔洞上，将导致孔洞气体流速远低于高速气流的流速；流速远低于高速气流流速的孔洞将标记为坏点；
S7、将转移装置返回源衬底上的Micro LED芯片上方，对开启的好点孔洞进行封口，对封口的坏点孔洞进行开启，再次进行S1-S6转移Micro LED以补足目标基板上缺失的芯片单元；
S8、当检测到所有孔洞均为好点并且转移完毕后，开启所有封闭的孔洞，进行对下一个Micro LED阵列的转移。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，半球形真空腔、金属平板的孔洞可根据实际需求进行形状的改良，坏点检测装置与封口装置可根据实际技术条件进行相同功能的其他形式变化。
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