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Micro LED商品化時程漸近
技術逐步突破

【作者: 盧傑瑞】   2017年11月01日 星期三

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當蘋果電腦發表了採用OLED顯示技術作為APPLE WATCH的顯示面板時,著實地讓蘋果迷的眼睛為之一亮,並且讚嘆OLED顯示器的色彩高度飽和力,特別是最新的APPLE WATCH所採用的面板尺寸比前一代更大,更是吸引無數蘋果迷的目光。最新的訊息是,蘋果電腦更把新一代產品的顯示技術投向MICRO LED,更是讓已經掀起一片研發熱的顯示器業界,無不再卯足全力,希望能在商品化量產的地位上居於領先的地位(圖1)。



圖1 : 採用OLED顯示技術作為APPLE WATCH讓蘋果迷的眼睛為之一亮。
圖1 : 採用OLED顯示技術作為APPLE WATCH讓蘋果迷的眼睛為之一亮。

APPLE WATCH將採用Micro LED

Micro LED顯示器所採用LED尺寸為微米等級,具有畫素的獨立控制、獨立發光控制、高輝度、低耗電、超高解析度和高色彩度等特點,並且如果結合奈米佈線的話,更可以讓微米等級的超小型LED達到可彎曲軟性顯示器的特色。


由於Micro LED顯示具有與OLED相近的高度色彩飽和度,採用自發光的原理,耗電量僅需液晶面板的不到10分之1電力等等的優勢特點,再加上,蘋果與SONY均發表希望在2018年採用Micro LED顯示面板作為可攜式產品的顯示器後,Micro LED顯示技術變成了業界最熱門的技術話題之一,也因此讓蘋果電腦在2014年收購了以研發Micro LED顯示技術為主的LuxVue。


LuxVue在Micro LED顯示技術的領域已經擁有各式各樣應用的專利,例如在2015年申請的「利用同時具備發光能力與感測功能的LED,來做為顯示面板」,由於兼具感測功能更是引發業界所關注。就如同最近所發表的iPhone X就是汰除了利用實體感測器來進行指紋辨識,而改採螢幕中內藏的感測器進行臉部掃描辨識。


此外,如同BMW的新世代開發一樣,在3系列中大膽地採用一些突破性的設計觀念,隨後5系列也隨之導入。APPLE WATCH也是率先採用OLED做為顯示螢幕,接下來今年所發表的新一代iPhone X和iPhone 8就接續採用。而新一代的APPLE WATCH預計將Micro LED顯示器做為螢幕,因此業界的眾也就開始大膽預測是否未來的iPhone會如同OLED一樣,跟隨APPLE WATCH採用Micro LED顯示器做為螢幕。


對於眾所注目的Micro LED顯示器何時能商品化,無論是顯示產業界、還是智慧型手機業界、大型電視業界、OLED顯示業界等等都無不抱著期待與關心,並且也都在Micro LED顯示技術不斷地推進下,各自在特定的領域全力投入地進行中。


150μm的Micro LED將在2018年現身?

根據LEDinside在2017年7月所發表的一份Micro LED顯示器研究報告中指出,目前Micro LED顯示器進入實際量產的最大瓶頸,還是在如何將數量龐大的微米尺寸LED晶片轉移到電路基板(Backplane)上,也就是業界口中常說的巨量轉移(Mass Transfer)。雖然Micro LED顯示技術吸引著全球各大顯示業者、半導體業者與LED業者積極加入,但是對於上述Micro LED顯示器的量產瓶頸-巨量轉移,也都加緊開出獨特的技術,來提升小時產能(UPH ; unit per hour在每小時時間中能夠生產的單位數量)、巨量轉移的良率以及最佳與適用的LED晶片尺寸,希望能夠領先群雄邁入量產的階段,拔得市場的頭籌(圖2)。



圖2 : Micro LED顯示技術吸引全球各大相關領域業者,希望能夠領先群雄邁入量產的階段,拔得市場的頭籌。(資料來源:LEDinside)
圖2 : Micro LED顯示技術吸引全球各大相關領域業者,希望能夠領先群雄邁入量產的階段,拔得市場的頭籌。(資料來源:LEDinside)

在這一份報告中,將Micro LED晶片的尺寸定義在100μm以下,不過目前,業界對於開發Micro LED的主流尺寸還是在150μm,巨量轉移技術的開發也都是以150μm為目標來進行,因此相信市場上所出現第一代Micro LED顯示器以及投影機模組的LED尺寸將會落在150μm。此後伴隨著市場接受度提升以及產能規模的擴大,才會有機會期待相關的競爭業者進一步的投入,並且開發出100μm或者尺寸比100μm更小的LED以及巨量轉移技術。


但是,對於Micro LED顯示器的製造量產技術來說,巨量轉移技術只不過是4大主要量產製程關鍵技術之一而已,其他還有非常多的困難需要去一一的克服。目前對於巨量轉移技術來說,如何達到低投資高產效需要視幾個方面來觀察,包括了設備精度的提升、降低轉移時的不良率、縮短生產時間、高可靠的檢測方式與設備、不良品的在處理利用、降低量產成本以及更聰明的量產方法等,這7個主要領域的進展速度。


技術瓶頸逐一突破

並非只有巨量轉移的技術是最難度的,就像能夠達到RGB三原色Micro LED中的紅光部分以及在微米等級裡如何提升LED的亮度,困難度也非常高,這相對考驗著LED磊晶業者的技術能力。


此外,甚至於包括LED晶片的供應商、半導體業者,以及顯示器整體的供應鏈也都要加入以及配合開發出,如 LuxVue、eLux、VueReal、X-Celeprint、法國CEA-Leti、Sony 及沖電氣工業、錼創、工研院、Mikro Mesa 及台積電等等,能讓Micro LED顯示器進入真正量產所需要的各種生產設備、量產材料、檢測標準以及製造技術。但是由於各業者之間仍舊有著相當大的差異性與能力不同,因此更需要拋除各自的偏見,在各自擅場的領域提昇技術層次,並且全心通力合作,來跨越技術性的阻礙,當然這也是需要投入相當程度的資金、人力與時間。


例如,在材料方面,2017年4月全球最大藍寶石晶圓供應商俄羅斯大廠Monocrystal,也針對未來Micro LED所需,發表了Ultra Clean等級的藍寶石磊晶晶圓,Monocrystal利用最新進的潔淨技術,將藍寶石晶圓表面1μm以下的汙染物清除到20~50個左右。Ultra Clean等級的藍寶石晶圓,在進行圖形化藍寶石晶圓基板製程(PSS ; Patterned Sapphire Substrate)時,就不須進行前段洗淨的作業工程,這樣的結果下可以讓PSS業者的良率提升到95%~99%,進而減少耗損以及降低成本。這對於正在起步開發Micro LED的LED晶片製程業者來說,無異是相當大的助力(圖3)。



圖3 : Monocrystal的新一代高潔淨藍寶石晶圓將大幅提升製程良率。
圖3 : Monocrystal的新一代高潔淨藍寶石晶圓將大幅提升製程良率。

更進一步的來看,目前能夠實現Micro LED顯示器大量生產的決定點,如果以工業製程6個標準差(6σ)來看的話,LEDinside認為巨量轉移製程的良率須達到4個標準差等級(4σ),才有機會商品化。但這樣的程度下,檢測成本以及缺陷修復的成本仍然相當高,因此,期待要做出成熟的商品化Micro LED顯示器產品,並達到具有市場競爭力的量產成本的話,LEDinside相信Micro LED顯示器的巨量轉移良率至少要達到5個標準差(5σ)以上。


MicroLED的商品化關鍵

目前開發中的巨量轉移製程有數種的解決方案,包括應用市場、設備投資、小時產能(UPH)、以及量產成本等等各種的技術,但是最終將會選擇其中一項來作為進入商品化的突破點,此外各業者的製程能力及良率控制,也是影響產品開發的關鍵。


以現有發展狀況看來,LEDinside認為被定義100μm以下的Micro LED顯示器將會最先被應用在室內大型顯示設備以及穿戴式產品上,例如智慧手錶、智慧手環等。由於目前要完成巨量轉移的量產技術的難度還是非常的高,因此目前投入的業者大多還是以現有的晶圓接合製程設備(Wafer Bonding Process)作為方案來進行研發。不過現下各應用產品所需求的畫素數目都不相同,因此為了達到縮短研發與量產的時程,或許會先以畫素需求較少的產品應用作為先期開發目標。


到目前為止,唯一將Micro LED顯示器技術進展到商品化的只有SONY(SONY),SONY利用了Micro LED顯示技術將顯示器開發成大型電視牆的型態,並命名為CLEDIS(圖4)。



圖4 : SONY利用了Micro LED顯示技術將顯示器開發成大型電視牆的型態,並命名為CLEDIS。
圖4 : SONY利用了Micro LED顯示技術將顯示器開發成大型電視牆的型態,並命名為CLEDIS。

SONY採用自行所開發比一般LED尺寸更小,面積約20μm平方的RGB Ultra Fine LED晶片,並且將數量龐大的LED晶片封裝在黑色的基板上。並且將每一片基板以密鋪(Tiling)的方式,形成一個寬度9.7公尺 X 高度2.7公尺的8K X 2K的大型顯示器,達到了可以隨心所欲的將螢幕畫面進行縮放(Scalable)。初期,SONY所鎖定的目標客戶為工業設計以及模擬應用的市場領域,並且也將客戶目標族群橫跨到飯店和需要進行展示的企業。


SONY的CLEDIS是利用封裝的方式來讓單一RGB LED晶片形成一個畫素,因為LED的發光能力是會取決於材料本身的特性。一般而言,綠光和藍光的LED晶片是利用藍寶石、碳化矽(SiC)或者是氮化鎵(GaN)晶圓為基板來完成發光層,而紅光的部分則是採用砷化鎵(GaAs) 晶圓來進行製程作業,基本上是不太可能在同一片材料基板上同時完成紅光、藍光和綠光的LED發光結構。


RGB LED晶片的技術難題

由於CLEDIS是作為電視牆用,所以本身的尺寸較大,因此在RGB LED晶片的封裝間距上並沒有太過緊密性的要求。但是如果一旦面對如APPLE WATCH這樣的應用,在極小的面板尺寸下,如果要求Micro LED顯示器在多元化應用與高精細顯示能力能更上一層樓的話,在同一片晶圓材料上完成單片式RGB LED晶片的製程技術與材料,以及超高密度的封裝技術就相當的被期待了,但這也是目前Micro LED顯示器最大的瓶頸點。


但在同一片晶圓材料上完成單片式RGB LED晶片,這也不是不可能發生的事情,目前在同一片晶圓上完成RGB LED晶片,已經有一些技術被提出來討論,例如,利用薄膜來進行波長變換技術,或是Micron(Nano) Wire LED晶片….等等。


利用薄膜來進行波長變換的技術想法,是VerLASE Technologies在2015年所發表的。VerLASE Technologies稱之為「Chromover波長變換技術」,關鍵的薄膜變換層,VerLASE Technologies是利用硒化鎵、二硫化鎢、二硫化鉬等等材料,在石墨烯上形成片狀的薄膜,這項技術VerLASE Technologies已經在美國取得技術專利。


Chromover波長變換技術是在藍光LED晶片陣列上,採用將共振器腔面圍繞在半導體量子井,進而能在同一材料晶圓上進行將薄膜變換層進行重疊,就能夠在薄膜激發藍光的時候,進行綠光和紅光的變換。這個構想是希望能夠取代目前利用螢光粉以及量子點來進行發光顏色改變的構想(圖5)。



圖5 : VerLASE Technologies希望能夠取代目前利用螢光粉以及量子點來進行發光顏色改變的構想。
圖5 : VerLASE Technologies希望能夠取代目前利用螢光粉以及量子點來進行發光顏色改變的構想。

而另一項的Micron(Nano) Wire LED晶片技術是由法國的Aledia以及瑞典的glo等等機構所共同開發的。簡單的說,就是在晶圓上進行奈米等級的柱狀立體加工製程,讓每根柱狀都形成發光層。這樣的立體加工製程所生產出來的LED,其發光亮度會比普通製程LED來的更高,並且能夠達到在同一個晶圓上,甚至於同一個晶片上能夠激發出多色彩的能力(圖6)。



圖6 : 法國的Aledia利用立體加工製程,讓每根柱狀都形成發光層。
圖6 : 法國的Aledia利用立體加工製程,讓每根柱狀都形成發光層。

台灣急起直追

在台灣,各大顯示業者也不可能缺席Micro LED顯示器此一研發盛會,包括LED晶片最大業者晶元光電、液晶面板的雙龍頭友達光電和群創光電等公司也都積極地投入Micro LED顯示器相關技術的開發。除了這三家公司之外,錼創科技以及工研院也都投入了Micro LED顯示器相關技術的開發。在全球方面,三星電子、LG電子、日亞化學、夏普、SONY、LuxVue、從伊利諾伊大學研究室獨立成立的X-Celeprin等等都在Micro LED顯示器研發路也都互不相讓。


晶元光電副總與發言人張世賢曾經在2016年表示,雖然以晶元光電來說,在磊晶和晶粒的製程部分,Micro LED成功機率高,至於能否在2017年量產出貨,則還要很努力。由於Micro LED體積很小,磊晶、晶粒製程上還需要配合移轉設備和系統應用等廠共同開發。


而友達光電則是結合旗下的隆達光電來進行Micro LED顯示器的開發,Micro LED顯示器實驗線在2016年已經在隆達光電安裝完成,並且展開相關的研發工程。而群創光電也是對Micro LED顯示器的成長潛力相當期待,群創光電與同一集團下,由母公司鴻海精密投資的榮創能源(AOT)合作開發Micro LED顯示器。


鴻海精密除了支持群創光電全力發展Micro LED顯示器之外,也和已經是被視為集團內一員的夏普,聯手投資美國的Micro LED顯示器開發公司- eLux。


不過,與鴻海集團是以資金方式投入所不同的是,夏普是利用其在顯示器的生產製造、組裝、低成本化等等方面所擁有的21項專利作為標的,來換取eLux約700萬美元的股權。而鴻海部分則是藉由旗下群創光電和榮創能源來對eLux進行投資。完成股權分配後,註冊在英屬維京群島的Cyber Agent Ventures取得45.45%的比例,而夏普則是31.82%,下群創光電和榮創能源分別為13.64%與9.09%。就比例而言,鴻海集團下的公司共取的了54.55%的股權,也就代表著鴻海雖然間接,但卻是實質地掌控了eLux的營運。


台灣除了收購海外Micro LED顯示企業來加速技術的開發外,由於錼創預定 2017 年下半年開始量產Micro LED顯示器所需的Micro LED 晶片,因此,另一方面市場也傳出了,韓國三星電子有意以1.5億美元收購台灣的錼創科技。如果,三星確實能如願且在時程上順利的收購了錼創科技,那麼,就有相當大的機會能夠滿足蘋果預計在2018年採用的Micro LED顯示器作為APPLE WATCH螢幕面板的供應鏈。雖然儘管三星並不認為 Micro LED 能取代 OLED,但也為了不可預期的變化,三星仍舊為了Micro LED顯示市場來臨而作的預先準備。


除了LED小尺寸化、提升LED發光能力、克服巨量轉移課題….等現有的瓶頸困難點之外,另一方面,台灣也正在努力針對Micro LED顯示技術所需要開發出相對一的驅動晶片。基於期待Micro LED顯示器能夠展現更高的解析度與色彩飽和能力,因此在單一背板中就必須置入數量龐大,且尺寸更細小化的LED,這時巨量轉移技術就變得非常的重要,同時也是繼噹成本的一個關鍵條件。但如何讓數量如此龐大的LED能夠獨立控制、獨立發光,這必須仰賴處理速度更快、傳輸量更大、可靠度更高、耗電量更低的新一代驅動晶片來完成。


由原本就長時間經營LED顯示以及LED照明領域驅動產品的聚積科技,結合了工研院的力量,開發Ultra Fine Pitch LED顯示用驅動晶片,來補足尚未周全Micro LED顯示技術的一環。


聚積科技早在2014年就已經發表並且銷售Ultra Fine Pitch LED顯示器用的驅動晶片,但是對於更高難度的Micro LED顯示需要,就必須要正視現有技術能力的瓶頸點,並且加以克服,因此在聚積科技現有技術的基礎下加速的開發Micro LED顯示驅動IC就變成迫不及待的事情了。


整合國內外資源

以目前來說,顯示業界對於Micro LED顯示器的開發狀況與進度都非常的關心,Micro LED顯示器是否能如各市場調查研究機構,以及各媒體所預測與期待的能有快速且巨大成長的潛力(圖7),還是緊繫在是否能夠突破Micro LED顯示器量產時所面對的種種困難,而這些克服困難和瓶頸卻又不是單一產業或單一企業能夠獨自完成的。



圖7 : 市調預測Micro LED顯示應用將快速成長。
圖7 : 市調預測Micro LED顯示應用將快速成長。

綜觀各國企業的技術能力,都各有所長與能力,到目前為止,並沒有一個國家的企業能夠涵蓋所有技術能力。以台灣來說,在LED和顯示器的研發、量產和低成本化能力,都是領先其他各國企業,並且蘋果也看好台灣的能力,在龍潭設立Micro LED顯示器研發工廠,但是台灣在材料與設備部分卻又力有未逮,因此,現階段更需要結合台灣自動化設備以及大量引入國外材料業者,並且投入資金、人力共同在Micro LED顯示器研發的里程上,成為領先集團中的一員。


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