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液晶與顯示|晶圓級Micro-LED芯片檢測技術(shù)研究進(jìn)展

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2023-07-05  瀏覽次數:1693
核心提示:目前,晶圓級Micro-LED檢測手段分為接觸型檢測和無(wú)接觸型檢測。
 本文由論文作者團隊(課題組)投稿

Micro-LED因其高集成度、高亮度、低功耗、自發(fā)光等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注,有望成為新一代的主流顯示技術(shù)。盡管市場(chǎng)前景廣闊,但Micro-LED顯示產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程卻因整機成本過(guò)高而放緩腳步。導致其成本居高不下的原因之一是制造過(guò)程中涉及的有關(guān)材料、器件、工藝等復雜問(wèn)題導致了最終的顯示屏像素良率達不到要求。顯示行業(yè)認為Micro-LED顯示屏的像素良率至少要99.99999%才可以保證不影響觀(guān)感。提升Micro-LED顯示屏像素良率、避免巨量修復是降低Micro-LED整機成本從而實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。受限于LED外延片的生長(cháng)工藝和后續的晶圓級芯片加工工藝,難以保證所有Micro-LED芯片的光、電參數滿(mǎn)足要求。因此,在巨量轉移-鍵合之前,對晶圓級Micro-LED芯片進(jìn)行檢測以實(shí)現壞點(diǎn)的攔截就成為提升Micro-LED顯示屏良品率的關(guān)鍵環(huán)節。

目前,晶圓級Micro-LED檢測手段分為接觸型檢測和無(wú)接觸型檢測。接觸型檢測的代表性方法為電致發(fā)光檢測,即通過(guò)微型電學(xué)探針?lè )謩e接觸Micro-LED的兩個(gè)電極并注入電流,記錄LED芯片的電學(xué)性能和發(fā)光性能。無(wú)接觸型檢測的代表性技術(shù)為光致發(fā)光檢測,該技術(shù)的原理是通過(guò)短波長(cháng)激發(fā)Micro-LED芯片的多量子阱層實(shí)現發(fā)光,通過(guò)光致發(fā)光譜來(lái)評估LED的質(zhì)量。除了這兩種典型的檢測技術(shù)外,還存在以攝像系統與機器學(xué)習為核心的自動(dòng)光學(xué)檢測、紅外熱成像檢測、陰極熒光檢測、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜檢測等方法。此外,極具前瞻性的無(wú)接觸電致發(fā)光檢測技術(shù)也正加速發(fā)展,具有高效率、高準確率的無(wú)接觸電致發(fā)光檢測將是適配晶圓級Micro-LED芯片檢測的極佳方案。目前的檢測技術(shù)研究百家爭鳴,但尚無(wú)對現有的檢測技術(shù)進(jìn)行總結與分析。

近日,福州大學(xué)、閩都創(chuàng )新實(shí)驗室郭太良教授團隊在《液晶與顯示》(ESCI、Scopus,中文核心期刊)2023年第5期發(fā)表了題為“晶圓級Micro-LED芯片檢測技術(shù)研究進(jìn)展”的綜述,并被選作當期封面文章。郭太良教授、吳朝興教授為該文通訊作者、研究生蘇昊為該文第一作者。該文首先介紹了晶圓級Micro-LED檢測時(shí)所需要檢測的幾個(gè)指標,其次詳細介紹并分析現有的檢測手段,最后對LED檢測技術(shù)進(jìn)行總結并提出該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展方向的展望。

圖1:《液晶與顯示》2023年第5期封面圖

 

Micro-LED檢測技術(shù)簡(jiǎn)介

Micro-LED芯片的質(zhì)量是影響Micro-LED顯示屏質(zhì)量的重要因素,是決定Micro-LED顯示的整機成本能否有效降低并實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。然而,受限于LED外延片的生長(cháng)工藝和后續的芯片加工工藝,無(wú)法保證所有Micro-LED芯片的光、電參數滿(mǎn)足要求。因此,在巨量轉移之前,對晶圓級Micro-LED芯片進(jìn)行檢測以便實(shí)現壞點(diǎn)的攔截就成為提升Micro-LED顯示屏良品率的關(guān)鍵環(huán)節。然而,隨著(zhù)LED芯片的尺寸越來(lái)越小,一個(gè)顯示器上所需要的LED芯片數量也日漸增多。這對現有的晶圓級Micro-LED缺陷檢測手段提出了極高的要求。

目前,晶圓級Micro-LED檢測手段分為接觸型檢測和無(wú)接觸型檢測。接觸型檢測的代表性方法為電致發(fā)光檢測,即通過(guò)微型電學(xué)探針?lè )謩e接觸Micro-LED的兩個(gè)電極并注入電流,記錄LED芯片的電學(xué)性能和發(fā)光性能。此外,無(wú)接觸型檢測技術(shù)也在逐漸發(fā)展。無(wú)接觸型檢測的代表性技術(shù)為光致發(fā)光檢測,該技術(shù)的原理是通過(guò)短波長(cháng)激發(fā)Micro-LED芯片的多量子阱層實(shí)現發(fā)光,通過(guò)光致發(fā)光譜來(lái)評估LED的質(zhì)量。除了這兩種典型的檢測技術(shù)外,還有以攝像系統與機器學(xué)習為核心的自動(dòng)光學(xué)檢測(AOI),以及極具前瞻性的無(wú)接觸電致發(fā)光檢測技術(shù)。

Micro-LED檢測技術(shù)研究現狀

| 接觸型檢測 |

接觸型檢測的代表性方法為電致發(fā)光檢測。該檢測技術(shù)使用的主流方法是使微型探針與Micro-LED的電極進(jìn)行接觸,然后通過(guò)在探針上施加直流電壓使外部載流子注入到Micro-LED的發(fā)光層中,使其發(fā)生電致發(fā)光現象,然后收集Micro-LED的工作電壓、亮度、發(fā)光波長(cháng)等光電參數來(lái)判斷芯片合格。這種檢測方式原理簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟,但在檢測過(guò)程中要對探針進(jìn)行垂直移動(dòng),在進(jìn)行垂直移動(dòng)的過(guò)程中會(huì )不可避免地對Micro-LED芯片的電極、表面,以及探針造成一定程度的損壞。此外,Micro-LED尺寸通常在50 μm以下,這導致探針與Micro-LED芯片電極的對準難度也加大,造成檢測效率低下、成本急劇增加。為此,研究人員從檢測效率提升、損傷抑制等方面開(kāi)展研究。

• 檢測效率提升

設計特殊的電極結構并通過(guò)顯微鏡對包含多顆Micro-LED的圖像進(jìn)行處理并篩選出亮度不正常的芯片也可以提高檢測效率。研究人員提出了一種可以測量整個(gè)Micro-LED陣列乃至單顆Micro-LED芯片表面亮度分布的檢測方法。Micro-LED陣列(如圖2(a)所示)由行列電極進(jìn)行選通,因而可以滿(mǎn)足單個(gè)Micro-LED芯片點(diǎn)亮和多個(gè)Micro-LED芯片同時(shí)點(diǎn)亮需求,并在兩種不同情況下使用測量系統進(jìn)行檢測。攝像系統獲取發(fā)光的Micro-LED陣列圖像并由算法系統生成偽彩色圖(如圖2(b)所示),從偽彩色圖可以看出,隨著(zhù)電流密度增大,Micro-LED表面亮度的均勻性增大。這個(gè)方法在檢測方面可以精確地表征單顆LED芯片的亮度均勻性情況,也可以同時(shí)表征多顆LED芯片的亮度均勻性情況。不足之處是制作多行多列的電極成本較高,且后期還需要去除這些過(guò)渡性的電極。

圖2:(a)Micro-LED陣列的顯微圖像;(b)單個(gè)微型LED芯片的亮度偽彩色圖和3D分布圖
圖源:IEEE ACCESS,2018,6:51329-51336. Fig.7,8

 

• 損傷抑制

覆蓋與LED芯片電極形狀相適配的透明導電膜可以在測試過(guò)程中保護LED芯片的電極不被損壞,減少成本,透明導電膜覆蓋LED芯片的示意圖如圖3(a)所示。研究人員提出了一種LED芯片的無(wú)損測試方法。該方法使用了透明導電膜覆蓋待測LED芯片,測試針通過(guò)導電膜與LED芯片間接接觸,從而避免了傳統針測中會(huì )出現的針痕問(wèn)題,如圖3(b)與圖3(c)所示。該導電膜具有透明導電槽,導電槽分為正極導電槽和負極導電槽,分別對應于LED芯片的正電極和負電極。其形狀與尺寸與待測LED芯片一致,深度與待測LED芯片電極厚度一致,再把這些經(jīng)過(guò)特殊制備的透明導電膜蝕刻在絕緣基底上,測試時(shí)LED芯片的電極嵌入透明導電槽,測試針再扎到這些與LED正負電極接觸的區域,進(jìn)行測試。這種方案原理簡(jiǎn)單、效果好,但是與諸多使用“介質(zhì)”隔開(kāi)探針與LED芯片、Micro-LED芯片的方法一樣,一種規格的導電膜只能適配一種規格的芯片,適用性低,并且隨著(zhù)LED芯片尺寸越來(lái)越小,制備與之相適配導電介質(zhì)的難度也會(huì )越來(lái)越大。

圖3:(a)采用透明導電膜的檢測原理示意圖;(b)針測后的LED電極光學(xué)顯微照片;(c)使用透明導電膜進(jìn)行針測后的LED電極光學(xué)顯微照片
圖源:液晶與顯示,2023, 38(5):582-594. Fig.2
中國專(zhuān)利:一種LED芯片的無(wú)損測試方法. Fig.2

 

| 無(wú)接觸檢測 |

• 無(wú)電學(xué)接觸電致發(fā)光檢測

2015年,福州大學(xué)郭太良、吳朝興團隊提出了一種晶圓級Micro-LED芯片無(wú)接觸電致發(fā)光檢測技術(shù)。該技術(shù)可以對晶圓上百萬(wàn)數量級的Micro LED芯片進(jìn)行掃描式、無(wú)接觸電致發(fā)光檢測。無(wú)接觸電致發(fā)光檢測理論是一種最高效、最準確的檢測方式。該技術(shù)既可以避免光致發(fā)光導致的良品率虛高問(wèn)題,又無(wú)需保證探針與芯片的精確接觸,因而檢查速度最快。無(wú)接觸電致發(fā)光原理如下:當外加電場(chǎng)方向從p-GaN指向n-GaN時(shí),n-GaN區域內的電子與p-GaN區域內的空穴通過(guò)擴散運動(dòng)向多量子阱(MQWs)方向移動(dòng),在量子阱中發(fā)生輻射復合,如圖4(a)所示。在正向偏壓下并不能持續發(fā)生輻射復合現象,也就是說(shuō)施加直流電壓或處于交流驅動(dòng)正半周期時(shí)只能觀(guān)察到一次發(fā)光。這是因為多數載流子的漂移會(huì )在Micro-LED兩端形成耗盡區,并產(chǎn)生一個(gè)感生電場(chǎng)屏蔽外電場(chǎng),阻止載流子擴散。因而必須施加一個(gè)反向電場(chǎng)來(lái)驅動(dòng)電子空穴回到初始狀態(tài)(圖4(b))。因此該檢測技術(shù)需要施加交流電場(chǎng)才能使待檢測的Micro-LED周期性發(fā)光。LED無(wú)接觸電致發(fā)光可以用以下方程描述。

在無(wú)接觸電致發(fā)光檢測過(guò)程中,使用電極場(chǎng)板來(lái)與LED芯片發(fā)生耦合,如圖4(c)所示。外部高頻電源施加在場(chǎng)板電極與LED芯片陣列的底部電極上,使得場(chǎng)板下方的LED芯片陣列同時(shí)發(fā)光,通過(guò)相機收集圖像并檢測LED芯片的亮度參數。圖4(d)是福州大學(xué)研究人員所展示的晶圓級無(wú)電學(xué)接觸電致發(fā)光檢測效果。圖4(d)上圖是待檢測的Micro-LED陣列示意圖和單個(gè)器件實(shí)物圖。所檢測的芯片為4英寸晶圓上的正裝Micro-LED,芯片尺寸為40 μm×20 μm。圖4(d)下圖是實(shí)際檢測效果。

圖4:(a)無(wú)接觸Micro-LED在正向電場(chǎng)下的工作示意圖;(b)無(wú)接觸Micro-LED在反向電場(chǎng)下的工作示意圖;(c)晶圓級Micro-LED的無(wú)接觸電致發(fā)光檢測原理圖;(d)待檢測的Micro-LED陣列示意圖與Micro-LED陣列檢測效果圖
圖源:液晶與顯示, 2023, 38(5):582-594. Fig.3

 

• 光致發(fā)光檢測

光致發(fā)光(PL)檢測是無(wú)接觸檢測中一種常用的檢測方式。其原理如圖5(a)所示,即使用短波長(cháng)光(如紫外光)激發(fā)LED的發(fā)光層的電子使其輻射躍遷。進(jìn)而產(chǎn)生發(fā)光圖像并從發(fā)光圖像中篩選出損壞的LED芯片。使用PL圖像和陰極熒光(CL)成像來(lái)代替電致發(fā)光檢測,同樣實(shí)現無(wú)損檢測的想法,PL圖像與CL圖像分別如圖5(b)、圖5(c)所示。對于同一個(gè)多像素LED樣本,使用短波長(cháng)的光激發(fā)時(shí),所有像素都會(huì )發(fā)光,但在使用CL成像時(shí)并非所有像素都被點(diǎn)亮。對此的解釋是,PL的整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有發(fā)生載流子運輸,因而不受LED像素在刻蝕過(guò)后產(chǎn)生的各種短路缺陷的影響。實(shí)驗發(fā)現71.75%的像素在CL圖像與EL圖像中都會(huì )發(fā)光,說(shuō)明CL圖像能一定程度上與EL檢測結果擬合,但擬合度還需進(jìn)一步提高。

圖5:(a) PL 檢測原理示意圖;(b)PL檢測圖像;(c)陰極熒光圖像
圖源:Journal of the Society for Information Display,2021,29(4):264-274. Fig.3

 

• 自動(dòng)光學(xué)檢測

AOI是現在市面上普遍使用的一種LED缺陷檢測技術(shù)。它多使用于識別剛切割后的晶圓片上帶有表面缺陷的LED像素,或者與點(diǎn)亮的LED芯片陣列相結合,檢測、識別不亮或亮度較暗的LED芯片,將其識別為壞點(diǎn)。隨著(zhù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展,AOI系統的效率和精度也越來(lái)越高,不同的算法也能夠適應不同的檢測需求。

總結與展望

從產(chǎn)業(yè)成熟度、耗材經(jīng)濟性、檢測效率、技術(shù)簡(jiǎn)易度、檢測準確度、檢測全面性來(lái)對四種常見(jiàn)的晶圓級Micro-LED芯片檢測技術(shù)進(jìn)行綜合對比,如圖6所示。產(chǎn)業(yè)成熟度方面,自動(dòng)光學(xué)檢測與光致發(fā)光檢測在市面上已有諸多成熟的檢測設備。耗材經(jīng)濟性上,無(wú)接觸電致發(fā)光檢測、自動(dòng)光學(xué)檢測與光致發(fā)光檢測都不會(huì )與待測樣品進(jìn)行接觸,因而也不會(huì )造成機械性損壞,可以有效減少耗材成本。同時(shí),無(wú)接觸電致發(fā)光檢測、自動(dòng)光學(xué)檢測與光致發(fā)光檢測不需要進(jìn)行頻繁的垂直方向移動(dòng),并且可以實(shí)現Micro-LED芯片陣列的檢測,因此具有較高的檢測效率。自動(dòng)光學(xué)檢測的核心是深度學(xué)習算法與顯微攝像系統,因此其在技術(shù)簡(jiǎn)易度方面有著(zhù)先天的優(yōu)勢。對于檢測準確度,有接觸電致發(fā)光檢測與無(wú)接觸電致發(fā)光檢測都以電致發(fā)光為基礎,因而可以有效攔截無(wú)法正常發(fā)光的芯片,具有較高的檢測準確率。最后是檢測全面性,有接觸電致發(fā)光檢測過(guò)程與Micro-LED芯片實(shí)際應用情景一致,可以得到Micro-LED芯片完整的電學(xué)、光學(xué)參數。

圖6:各類(lèi)檢測技術(shù)對比圖
圖源:液晶與顯示, 2023, 38(5):582-594. Fig.6

 

接觸型電致發(fā)光檢測可以準確獲得Micro-LED芯片工作時(shí)的電學(xué)參數(如電流密度、電壓、反向漏電流等)以及發(fā)光時(shí)的波長(cháng)、亮度等。然而,接觸型電致發(fā)光檢測容易對Micro-LED電極、芯片表面造成刮擦、擠壓等損壞。同時(shí),面對巨量的Micro-LED芯片檢測存在效率低下的問(wèn)題,顯著(zhù)增加了顯示器件的制作成本。光致發(fā)光檢測采用短波長(cháng)、高能量的光來(lái)激發(fā)Micro-LED芯片中的獲得LED芯片的吸收光譜、載流子壽命等,但并不能真實(shí)反映器件的工作狀態(tài)。AOI檢測技術(shù)只能篩選出有外觀(guān)缺陷的LED芯片,無(wú)法篩選出不能發(fā)光的Micro-LED芯片。

Micro-LED廠(chǎng)商總是希望在保留接觸型電致發(fā)光檢測高準確度同時(shí),提高檢測效率、減少對芯片的損傷,即無(wú)接觸電致發(fā)光檢測方案。無(wú)接觸電致發(fā)光檢測的優(yōu)勢在于它可以避免漏檢率過(guò)高的問(wèn)題,可以較為準確地獲得Micro-LED芯片的電致發(fā)光性能。同時(shí),檢測效率可以媲美光致發(fā)光檢測和自動(dòng)光學(xué)檢測,可有效縮短工藝時(shí)間。此外,無(wú)接觸電致發(fā)光檢測可以實(shí)現批量的Micro-LED芯片檢測(檢測數量取決于檢測探頭的面積),并且不會(huì )對Micro-LED芯片施加任何外力,杜絕了由于檢測而對芯片產(chǎn)生的額外損傷。隨著(zhù)Micro-LED在大屏幕、高清顯示的迅猛發(fā)展,無(wú)接觸快速電致發(fā)光檢測方案是大勢所趨。

▍論文信息

蘇昊,李文豪,李俊龍,劉慧,王堃,張永愛(ài),周雄圖,吳朝興,郭太良.晶圓級Micro-LED芯片檢測技術(shù)研究進(jìn)展[J].液晶與顯示, 2023,38(5):582-594.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0392

▍通訊作者

郭太良,研究員,博士生導師,全國優(yōu)秀教師,閩都創(chuàng )新實(shí)驗室副主任,國家新型顯示技術(shù)創(chuàng )新中心副主任,平板顯示技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室主任。主要承擔了863重大專(zhuān)項、國家基金、福建省重大科技項目等20多項科研項目,研制出具有自主知識產(chǎn)權的可顯示視頻圖像的20英寸單色、25英寸QVGA彩色、VGA彩色、SVGA彩色、34英寸XGA彩色場(chǎng)致發(fā)射顯示器,以及5、10、20和34英寸FED背光源,為低成本、大尺寸FED顯示器和背光源的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)辟了一條全新途徑。以排名第一獲福建省科技進(jìn)步一等獎,中國產(chǎn)學(xué)研創(chuàng )新成果二等獎各一項,授權發(fā)明專(zhuān)利100多件,發(fā)表學(xué)術(shù)論文280多篇。

 

吳朝興,福州大學(xué)、福建省閩都創(chuàng )新實(shí)驗室教授,博士生導師。長(cháng)期從事光電器件與新型顯示技術(shù)應用基礎研究,聚焦納米像元顯示技術(shù)(NLED)及基于無(wú)載流子注入技術(shù)的光電材料分析測試研發(fā)。截止至2022年,獲得中國授權發(fā)明專(zhuān)利23件,韓國授權發(fā)明專(zhuān)利5件,作為第一作者/通訊作者在 Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials等期刊發(fā)表論文70余篇。入選首批福建省“雛鷹計劃”青年拔尖人才、福建省引進(jìn)高層次人才(A類(lèi))、福建省“閩江學(xué)者獎勵計劃”。主持“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金等,獲得福建省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文一等獎、韓國研究開(kāi)發(fā)優(yōu)秀成果獎。

 
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