Micro OLED的結(jié)構(gòu)與工藝流程 Micro OLED與傳統(tǒng)AMOLED的區(qū)別

Micro OLED，又稱硅基OLED或OLEDoS，是將傳統(tǒng)OLED的玻璃基板替換為單晶硅基板，并采用有機發(fā)光技術(shù)。與傳統(tǒng)OLED外置驅(qū)動不同，硅基OLED將單晶硅通過CMOS工藝加工成驅(qū)動背板，可以將單個像素點尺寸縮小至原來的1/10左右，以實現(xiàn)更高精度的顯示效果。

展望未來，在VR領(lǐng)域，看好蘋果Vision Pro推動高端頭顯產(chǎn)品有望陸續(xù)搭載硅基OLED，以實現(xiàn)更加沉浸及真實的交互顯示效果；在AR領(lǐng)域，硅基OLED搭配Birdbath設(shè)計已成為消費級AR眼鏡的主流方案，隨著消費級AR產(chǎn)品出貨量增長，我們看好硅基OLED需求有望持續(xù)增長。

Micro OLED結(jié)構(gòu)與工藝流程

Micro OLED又稱硅基OLED、OLEDoS（OLED on Silicon），屬于有機發(fā)光二極管顯示技術(shù)的一種。Micro OLED以單晶硅片為襯底，相比傳統(tǒng)OLED所使用的玻璃基板，單晶硅背板具有更高的載流子遷移率，因此Micro OLED可以制備更小的像素尺寸（通常在6~15微米，約為傳統(tǒng)顯示器件的1/10），實現(xiàn)顯示像素微小化、精細(xì)化。

Micro OLED是無機半導(dǎo)體材料與有機OLED材料結(jié)合，生產(chǎn)流程是將OLED發(fā)光模塊沉積至單晶硅襯底構(gòu)成完整顯示模組。其器件結(jié)構(gòu)由驅(qū)動背板和OLED前端兩部分組成：

? 驅(qū)動背板：Micro OLED不同于傳統(tǒng)OLED的外置驅(qū)動芯片，通過CMOS工藝將驅(qū)動芯片包含的不同功能模塊（包括時序控制模塊、行列驅(qū)動電路、電源管理模塊等）和TFT像素陣列電路集成至單晶硅芯片上，減少器件外部連接線，實現(xiàn)輕量化及精細(xì)化顯示。

? OLED前端：OLED發(fā)光模塊主要包含像素陽極層、有機發(fā)光層、陰極層、彩色濾光層；陽極層和陰極層構(gòu)成完整回路用于通電；有機發(fā)光層包含空穴注入/傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸/注入層，在外電場作用下，空穴和電子相向運動形成激子，激子經(jīng)過弛豫、擴散等過程發(fā)出光；彩色濾光層用于將白光過濾成三原色，并最終調(diào)配出任意顏色。

圖表1：Micro OLED模擬驅(qū)動芯片架構(gòu)

資料來源：《高亮度硅基OLED微顯示器研究》，楊建兵，2016，中金公司研究部

圖表2：Micro OLED器件結(jié)構(gòu)

資料來源：《超還原硅基有機發(fā)光微顯示器研究》，季淵，2012，中金公司研究部

Micro OLED器件的制作流程主要分為五個部分：（1）硅基背板制造：IC設(shè)計廠商負(fù)責(zé)設(shè)計芯片，面板廠商負(fù)責(zé)設(shè)計像素電路，最后一并交于晶圓代工廠進行集成制造；（2）有機發(fā)光器件制作：首先將金屬陽極層制備于基板上，接著依次完成空穴注入/傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸/注入層的蒸鍍過程，最后制作透明陰電極；（3）薄膜封裝：利用PECVD或者ALD工藝在發(fā)光模塊上制備致密薄膜，避免其與空氣中的水氧接觸而變質(zhì)；（4）彩色化與封裝：通過涂膠、曝光、顯影等步驟制作Micro OLED需要的R、G、B三原色圖形，并與玻璃蓋貼合完成封裝；（5）模組工藝：將完成上述流程的器件切片、測試并與顯示系統(tǒng)綁定形成模組。

圖表3：Micro OLED器件制作流程

注：Micro OLED與傳統(tǒng)AMOLED制作過程的差異主要體現(xiàn)在有虛線框的步驟
資料來源：MicroDisplay，《超還原硅基有機發(fā)光微顯示器研究》，季淵，2012，中金公司研究部

Micro OLED產(chǎn)業(yè)鏈

Micro OLED產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的原材料廠商、制造設(shè)備廠商、檢測設(shè)備廠商、芯片設(shè)計廠商、芯片制造廠商等，中游的面板制造廠商，以及下游包括AR/VR、工業(yè)安防、醫(yī)療等各個領(lǐng)域的組裝廠、整機廠和解決方案提供商。

? 硅基背板：Micro OLED背板芯片由面板廠商、芯片設(shè)計商、芯片制造商協(xié)同開發(fā)完成；芯片設(shè)計領(lǐng)域，部分公司具備完整芯片設(shè)計和顯示器研發(fā)生產(chǎn)能力；背板制造主要由晶圓代工廠負(fù)責(zé)。

? 原材料：Micro OLED所需的上游原材料包括硅基片、陽極金屬材料（銅、鋁等）、有機發(fā)光材料（發(fā)光層材料、載流子輸送材料等）、封裝材料（有機材料、無機材料）、光刻顯影材料（光刻膠、顯影液、剝離液等）、彩色濾光層材料（感光膠、黑矩陣材料等）；對于其中有機發(fā)光材料較為關(guān)鍵，受制于精細(xì)化工技術(shù)差距，全球主要競爭企業(yè)為日韓、歐美等國外廠商。

? 制造設(shè)備：Micro OLED制造過程中涉及的主要設(shè)備包括蒸鍍設(shè)備、光刻設(shè)備、顯影/刻蝕設(shè)備、薄膜沉積設(shè)備等；對于蒸鍍設(shè)備環(huán)節(jié)，全球市場呈現(xiàn)寡頭壟斷格局，主要參與者為日本Canon Tokki，韓國Sunic System則因近期研制出可實現(xiàn)RGB獨立發(fā)光的Micro OLED蒸鍍設(shè)備而受到關(guān)注，國內(nèi)亦有部分企業(yè)實現(xiàn)了高精度蒸鍍機國產(chǎn)化。

? 檢測設(shè)備：Micro OLED檢測設(shè)備主要用于在生產(chǎn)過程中，對器件進行顯示、觸控、光學(xué)、信號、電性能等各種功能檢測，提升整體良率。

? 面板制造：全球范圍內(nèi)，歐美、日韓公司較早進入市場，積累了一定的先發(fā)優(yōu)勢，主要為美國eMagin、日本Sony、法國Microoled、德國Fraunhofer、韓國LG Display等；伴隨擴展現(xiàn)實行業(yè)景氣度提升，Micro OLED技術(shù)逐漸受到市場關(guān)注，國內(nèi)企業(yè)亦布局消費級Micro OLED面板技術(shù)。

? 終端應(yīng)用：Micro OLED產(chǎn)品可應(yīng)用于頭盔顯示器、立體顯示鏡、眼鏡式顯示器等近眼顯示和投影顯示系統(tǒng)，具體產(chǎn)品包括AR眼鏡、VR/MR頭戴式顯示設(shè)備、電子取景器、汽車抬頭顯示、工業(yè)測溫設(shè)備、高端醫(yī)療器械、夜視儀等；當(dāng)前市場對于Micro OLED的關(guān)注集中于AR/VR領(lǐng)域。

整體而言，當(dāng)前Micro OLED器件制造良率較低，主要原因在于：1）制造流程復(fù)雜，且由于像素尺寸小導(dǎo)致工藝精度要求高；2）有機發(fā)光材料遇到水或氧氣容易發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致失效，因此需要保持真空制造環(huán)境，且需保證封裝工藝和彩色濾光片的貼合質(zhì)量；3）硅基背板需要面板廠商、芯片廠商協(xié)同設(shè)計，且需要在小尺寸晶圓上集成多個電路，對晶圓廠的加工能力提出了極高的要求，導(dǎo)致背板整體開發(fā)制造效率較低。伴隨其技術(shù)成熟度逐漸提高及國內(nèi)外廠商產(chǎn)能釋放，我們看好Micro OLED產(chǎn)業(yè)化趨勢，有望成為XR主流顯示方案。

圖表12：Micro OLED產(chǎn)業(yè)鏈

資料來源：Wind，iFinD，彭博資訊，中金公司研究部

Micro OLED VS 傳統(tǒng)AMOLED

OLED驅(qū)動方式可分為被動矩陣驅(qū)動（PM）和主動矩陣驅(qū)動（AM），相比于被動驅(qū)動，主動驅(qū)動方式通過TFT電路精確控制每個像素的發(fā)光強度，可以產(chǎn)生更高的顯示分辨率和更高的灰度等級。Micro OLED屬于主動矩陣驅(qū)動OLED的一種，但與傳統(tǒng)AMOLED在部分制作工藝上有所不同，帶來了一定的制造壁壘。

背板及像素電路

傳統(tǒng)AMOLED的基板一般采用玻璃材質(zhì)，在上面刻畫TFT像素電路，由面板廠商自行設(shè)計生產(chǎn)；Micro OLED的基板采用單晶硅，在上面刻畫像素電路和驅(qū)動IC所含功能模塊，由面板廠商、芯片設(shè)計廠商分別設(shè)計像素電路和驅(qū)動功能電路，并交由芯片制造廠商完成最終制造，由于背板集成度更高，整體工藝難度較大，開發(fā)效率較低。

發(fā)光及彩色化方案

傳統(tǒng)AMOLED普遍采用RGB三色獨立發(fā)光方案。此種方案利用精密金屬掩模板（FMM）和CCD像素對位技術(shù)，將紅、綠、藍(lán)三種不同顏色的發(fā)光材料依次蒸鍍于玻璃背板上，獨立調(diào)節(jié)每個單色子像素的發(fā)光強度，三色混合后便可發(fā)出彩色光。經(jīng)典的子像素排列方案為并列，后衍生出各類排列如PenTile排列、鉆石排列、Delta排列等。

FMM的開孔決定子像素，開孔間距直接決定了子像素的間距和密度，WOLED是目前硅基OLED主流。若要實現(xiàn)Micro OLED的RGB發(fā)光方案，需要極高尺寸精度的FMM和具備超精確定位的蒸鍍機作為基礎(chǔ)。對比可實現(xiàn)RGB材料直接蒸鍍的傳統(tǒng)AMOLED FMM規(guī)格和Micro OLED FMM設(shè)計規(guī)格，可以發(fā)現(xiàn)從多個指標(biāo)來看，兩者差距均接近一個數(shù)量級，表明AMOLED通用的FMM無法滿足Micro OLED的技術(shù)要求。目前市面上可適用RGB的Micro OLED FMM和蒸鍍設(shè)備較少，因此其主流發(fā)光方案暫為WOLED+CF（白光+彩色濾光片）。

Micro OLED的彩色濾光片將白光過濾成RGB三色光，并通過改變不同光的透射強度即可混合成彩色光。制備濾光片時，需先在玻璃上制備黑色矩陣，用于隔離三原色、避免產(chǎn)生雜色光；RGB三基色材料按一定圖案排列，并與背板上的子像素電路位置一一對應(yīng)，廠商需具備高精度制造工藝和對位能力，典型的子像素排列方式有并列式、馬賽克式、三角形式等。

由于彩色濾光片會降低光的透過率，亮度成為WOLED的主要缺陷，各大面板廠商亦在探索其他路徑的Micro OLED發(fā)光方案。當(dāng)前已有部分廠商成功實現(xiàn)突破：eMagin提出直接圖案化技術(shù)，不需要FMM便可直接在硅基背板上單獨圖案化RGB三基色材料，擺脫彩色濾光片實現(xiàn)獨立發(fā)光；Hunet Plus通過與Sunic System聯(lián)合研究，開發(fā)出可用于Micro OLED的超高清掩模板（UHM），可實現(xiàn)2000ppi至8000ppi的超高分辨率，Sunic System也相應(yīng)開發(fā)出可實現(xiàn)超精確對準(zhǔn)的RGB Micro OLED蒸鍍機。

圖表4：RGB子像素蒸鍍過程及排列方式

資料來源：DNP官網(wǎng)，PAOKA，中金公司研究部

圖表5：AMOLED FMM規(guī)格和Micro OLED FMM設(shè)計規(guī)格

資料來源：《硅基有機電致發(fā)光微顯示關(guān)鍵技術(shù)研究》，徐洪光，2013，中金公司研究部

圖表6：典型串聯(lián)疊層白光結(jié)構(gòu)

資料來源：《硅基微顯示器發(fā)展現(xiàn)狀與研究進展》，季淵，2022，中金公司研究部

圖表7：彩色濾光片結(jié)構(gòu)及RGB三基色排列方式

資料來源：新材料在線，PAOKA，中金公司研究部

圖表8：eMagin直接圖案化技術(shù)及顯示效果

資料來源：eMagin官網(wǎng)，中金公司研究部

封裝及模組工藝

Micro OLED通常采用薄膜封裝結(jié)構(gòu)：完成發(fā)光模塊蒸鍍后，在OLED器件上沉積多層有機及無機薄膜，達到封裝效果。有機膜層分子無法整齊排列，阻隔效果較差，無機膜層分子雖阻隔效果較好，但由于膨脹或收縮會自行剝離，故無機膜層和OLED器件之間需存在有機膜層作為緩沖層。完成薄膜封裝后的器件將與彩色濾光片通過UV固化膠貼合，彩色濾光片的玻璃基板可起到蓋板作用，形成封閉空間，從而最終完成封裝工藝。

傳統(tǒng)AMOLED器件在完成封裝后，需先經(jīng)過切片、清洗、干燥等基礎(chǔ)流程，接著進行面板點亮測試，測試通過后依次與ACF導(dǎo)電膠膜、驅(qū)動IC、FPC進行貼合綁定，隨后進行模組老化與點亮測試，通過后與外引線和驅(qū)動板裝配，最終包裝入庫。Micro OLED器件由于不需要外接驅(qū)動芯片，在基礎(chǔ)流程完成后直接與PCB電路板貼合、涂保護膠烘烤成品，接著進行模組老化和光電性能檢測，最終篩選出合格商品、包裝入庫。

圖表9：固化膠封裝結(jié)構(gòu)、Glass Frit封裝結(jié)構(gòu)和薄膜封裝結(jié)構(gòu)

資料來源：《硅基有機電致發(fā)光微顯示關(guān)鍵技術(shù)研究》，徐洪光，2013，中金公司研究部

面板檢測工藝

面板生產(chǎn)包含陣列（Array）→成盒（Cell）→模組（Module）三大制程，而檢測工藝貫穿生產(chǎn)全過程，對面板的光學(xué)、信號、電性能等各種功能進行檢測，從而保證各段生產(chǎn)制程的可靠性和穩(wěn)定性，提升良品率。對于傳統(tǒng)OLED器件，主要檢測項目包括Array制程光學(xué)、電性能檢測和Cell/Module制程光學(xué)、平整度、老化、觸控檢測。

對于Micro OLED等新型顯示器件，由于其具有更高的解析度、刷新率、信號傳輸速度，檢測設(shè)備需具有更高的技術(shù)性能、集成度和檢測效率；且由于其采用硅基工藝，檢測設(shè)備商逐漸向顯示晶圓及芯片段等中后道檢測領(lǐng)域拓展。

圖表10：傳統(tǒng)OLED制程及檢測項目

資料來源：華興源創(chuàng)招股說明書，華興源創(chuàng)2023年半年報，中金公司研究部

圖表11：華興源創(chuàng)Micro OLED核心技術(shù)

資料來源：華興源創(chuàng)2023年半年報，中金公司研究部

來源：中金研究

審核編輯：湯梓紅