Micro-OLED工藝制程：CMOS技術(shù)與OLED技術(shù)的緊密結(jié)合

Micro-OLED 以單晶硅芯片為基底，增加可靠性，實現(xiàn)輕量化

已具備量產(chǎn)能力的 Micro OLED，已成為現(xiàn)階段 VR 頭顯廠商設(shè)計高端 VR 設(shè)備時的首選顯 示技術(shù)。市面上的多數(shù) VR 產(chǎn)品都采用 LCD 顯示面板，VR 頭顯設(shè)備都略顯笨重。

Micro OLED 顯示器以單晶硅芯片為基底，像素尺寸為傳統(tǒng)顯示器件的 1/10，精細度遠遠 高于傳統(tǒng)器件, 其區(qū)別于常規(guī)利用非晶硅、微晶硅或低溫多晶硅薄膜晶體管為背板的 AMOLED 器件。單晶硅芯片采用現(xiàn)有成熟的集成電路 CMOS 工藝，不但實現(xiàn)了顯示屏像素 的有源尋址矩陣，還在硅芯片上實現(xiàn)了如 SRAM 存儲器、T-CON 等多種功能的驅(qū)動控制 電路，大大減少了器件的外部連線，增加了可靠性，實現(xiàn)了輕量化。

Micro-OLED 優(yōu)點：與傳統(tǒng)的 AMOLED 顯示技術(shù)相比，Micro OLED 有以下突出特點：

1) 基底芯片采用成熟的集成電路工藝，可通過集成電路代工廠制造，制造良率更是大大高 于目前主流的 LTPS 技術(shù)。

2)采用單晶硅，遷移率高、性能穩(wěn)定，壽命高于 AMOLED 顯示器。

3)200mm×200mm 的 OLED 蒸鍍封裝設(shè)備就可滿足制造要求(與 8 英寸晶圓尺寸兼容)，而 不像 AMOLED 需要追求高世代產(chǎn)線。

4) OLED 微顯示器體積小，非常便于攜帶，并且其依借小身材提供的近眼顯示效果可以與 大尺寸 AMOLED 顯示器相媲美。

優(yōu)點：與其他微顯示技術(shù)相比，Micro OLED 亦具有不少優(yōu)點：

1 ) 低功耗，比 LCD 功耗小 20%，電池重量可以更輕。

2) 工作溫度寬，LCD 不能在極端溫度如 0℃下工作，必須額外加熱元件，而在高溫下又必 須使用冷卻系統(tǒng)，所有這些解決方案都會增加整個顯示器的重量、體積和功耗。而 OLED 為全固態(tài)器件，不需要加熱和冷卻就可以工作在-46℃~+70℃的溫度范圍內(nèi)。

3 ) 高對比度，LCD 使用內(nèi)置背光源，其對比度為 60:1，而 OLED 微顯示器的對比度可以 達到 10,000:1。

4) 響應(yīng)速度快，OLED 像素更新所需時間小于 1μs，而 LCD 的更新時間通常為 10~15ms， 相差了 1,000 到 1,500 倍，OLED 的顯示畫面更流暢從而減小視疲勞。

下表列出了不同微顯示的性能比較，可以看出 Micro OLED (OLED on Silicon)在性能上有較 為明顯的優(yōu)勢，其中亮度、綜合發(fā)光利用率、對比度、色彩能力、像素點距性能都非常優(yōu) 秀。

從未來市場角度來看：2021 年全球 Micro OLED 在中國產(chǎn)商推波助瀾下開始放量，預(yù)計 2021-2027 年出貨量實現(xiàn) CAGR 65.21% 的增長。

Micro-OLED 工藝制程：CMOS 技術(shù)與 OLED 技術(shù)的緊密結(jié)合

Micro OLED 是 CMOS 技術(shù)與 OLED 技術(shù)的緊密結(jié)合，是無機半導(dǎo)體材料與有機半導(dǎo)體材 料的高度融合。CMOS 技術(shù)主要使用光刻工藝、CMP 工藝等，濕法制成較多，而 OLED 技 術(shù)則主要采用真空蒸鍍技術(shù)工藝，以干法制程為主。兩者皆專業(yè)且復(fù)雜，將兩者集成于同 一器件之中，對于工藝技術(shù)要求非常嚴(yán)苛。

Micro OLED 器件制造主要通過以下四個步驟實現(xiàn)：

1)硅基 IC 設(shè)計與制造：主要涉及集成電路的設(shè)計和制造，分別由 IC 設(shè)計團隊和 foundry 廠完成；

2）OLED 制程：主要包括 OLED 微腔頂發(fā)射技術(shù)，陽極材料技術(shù)，全彩化技術(shù)等；

3）OLED 封裝制程：包括薄膜封裝，玻璃 cover 貼合封裝等；

4）顯示驅(qū)動與系統(tǒng)：與第一部分設(shè)計制造緊密相連。

硅基 OLED 微顯示器傳統(tǒng)制程。a 為器件結(jié)構(gòu)截面示意圖，b 是制造流程。其 中流程 1~7 為大片制造。從流程 8 切割后，即為 dice 制造流程。流程 1 為硅基芯片的制 造過程，由集成電路晶圓代工廠按照客戶的設(shè)計和要求進行生產(chǎn)制造；流程 2~7 為 OLED 的制造流程，在 OLED 工藝代工廠制作完成。其中，流程 2 和 3 為像素陽極的制備過程， 包括陽極材料的成膜及其圖案化，涉及較多濕法制程。在傳統(tǒng)的硅基 OLED 微顯示器制造 工藝中，該制程由 OLED 工廠來制作完成；流程 8~9 由集成電路芯片封裝廠完成；流程 10 為模組與系統(tǒng)開發(fā)，將硅基 OLED 制作成微顯示器模組供用戶使用。

Micro OLED 制造設(shè)備涉及微電子和光電子制造設(shè)備。其中陽極制造需要金屬濺射成膜設(shè) 備，陽極圖案化則涉及晶圓清洗設(shè)備、光刻膠涂覆設(shè)備、曝光設(shè)備、顯影去膠設(shè)備、烘烤 等設(shè)備，這些均屬半導(dǎo)體設(shè)備。OLED 制程段則需要 OLED 蒸鍍設(shè)備、薄膜封裝設(shè)備以及 玻璃貼合封裝設(shè)備等，這些設(shè)備集成為一套系統(tǒng)，在一系列真空和惰性氣體氣氛內(nèi)完成。

Micro-OLED 器件結(jié)構(gòu)：驅(qū)動背板+OLED 顯示前端組成

器件結(jié)構(gòu): Micro OLED 顯示器件以單晶硅作為襯底，在單晶硅襯底上采用標(biāo) 準(zhǔn)的 CMOS 工藝制作顯示驅(qū)動電路，以提供 OLED 顯示所需的像素驅(qū)動部分、行列驅(qū)動部 分以及其它所需的 DAC 轉(zhuǎn)換等功能電路。在單晶硅襯底上接著制作 OLED 發(fā)光單元，由于 硅片襯底不透明，需要制作頂發(fā)射 OLED 器件。首先在襯底上，制作高反射率的金屬作為 陽極，陽極電極具有較高的反射率可以實現(xiàn)較高的出光效率。接著制作空穴注入層、空穴 傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層等有機半導(dǎo)體層，形成 OLED 主體發(fā)光單元。最后，為了實現(xiàn)光從頂部出射，需要制作半透明的金屬層作為陰極。由于ＯLED 器件怕水 氧等破壞，在陰極上需要制作薄膜封裝層，用于阻隔水氧，在封裝層上，進一步貼合玻璃 進行器件強度保護。

驅(qū)動芯片架構(gòu)：驅(qū)動芯片采用 0.18μｍ的 CMOS 工藝設(shè)計，驅(qū)動背板包括像素電路、行列 驅(qū)動、DAC、I2C、數(shù)據(jù)處理、電源模塊、溫度檢測等功能模塊。芯片采用 數(shù)字接口，針對高分辨率的應(yīng)用要求，利用數(shù)據(jù)采樣與比較完成數(shù)據(jù)傳輸，驅(qū)動芯片像素 采用電壓型驅(qū)動方式。由于 OLED 器件在不同的溫度條件下，器件亮度變化較大，因此在 芯片中集成了溫度傳感模塊，可以實時監(jiān)測芯片工作溫度，實現(xiàn)芯片在高低溫下精確調(diào)節(jié) 電壓輸出，來調(diào)節(jié)器件的顯示亮度，保持器件顯示的穩(wěn)定和一致。硅基 OLED 器件包括控 制電路芯片部分和顯示驅(qū)動芯片部分，為了方便用戶使用芯片，在驅(qū)動芯片中集成了三路 電源模塊，包括正壓 DC-DC 模塊、負壓 DC-DC 模塊和 LDO 模塊。這三路電源模塊，可 分別實現(xiàn)給像素整列、OLED 顯示的公共陰極和芯片中的控制電路供電。

Micro-OLED 公司：我國視涯科技、京東方、夢顯電子、奧雷德等從事研發(fā)和中試

目前全球從事硅基 OLED 研發(fā)生產(chǎn)的廠商不多,其中美國 eMagin 公司和法國 MicroOLED 公司的產(chǎn)品主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,能成熟量產(chǎn)的 Micro-OLED 供應(yīng)商只有索尼公司,在全球 市場處于壟斷地位。

我國硅基 OLED 產(chǎn)業(yè)化尚處于初級階段。我國合肥視涯科技、京東方、昆山夢顯電子、奧雷德等公 司正在從事硅基 OLED 研發(fā)和中試,其中京東方在 2019 年實現(xiàn)了 8 英寸硅基 OLED 生產(chǎn) 線的量產(chǎn),合肥視涯科技于 2019 年 11 月竣工投產(chǎn) 12 英寸硅基 OLED 顯示項目,昆山夢顯 電子正在建設(shè)一條 8 英寸硅基 OLED 生產(chǎn)線。目前國內(nèi)硅基 OLED 的低溫彩色濾光片工 藝、薄膜封裝工藝、硅基數(shù)字化驅(qū)動技術(shù)、核心裝備等高性能微顯技術(shù)和大規(guī)模量產(chǎn)技術(shù) 等均處于初期階段。

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