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如何應(yīng)對MicroLED在生產(chǎn)和質(zhì)量檢測方面的挑戰(zhàn)

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2020-05-11  來源:行家說Talk  瀏覽次數(shù):1343
核心提示:相比LCD(液晶顯示器)和OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)顯示器,MicroLED(超小型LED)顯示器具有更寬的色域、更高的對比度和更低亮度的

相比LCD(液晶顯示器)和OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)顯示器,MicroLED(超小型LED)顯示器具有更寬的色域、更高的對比度和更低亮度的黑色。MicroLED在響應(yīng)時間和視角性能方面與OLED技術(shù)相匹配,但在亮度和堅固耐用性方面均超過OLED技術(shù),而且功耗要低得多。并且跟OLED一樣,microLED可以放置在玻璃、塑料和金屬等不同材質(zhì)的基板上,以實現(xiàn)柔性、可彎曲和可折疊的顯示。

隨著市場上對顯示器分辨率的要求不斷提高,microLED有望成為行業(yè)中的下一項突破性技術(shù)。MicroLED特別適用于智能手表、抬頭顯示(HUD)和增強現(xiàn)實(AR)顯示器等設(shè)備,對這些設(shè)備而言,在近眼位置或復(fù)雜環(huán)境光條件下,小尺寸內(nèi)的高亮度、高分辨率等視覺性能尤為重要。

 來源:PlayNitride PlayNitride總結(jié)了MicroLED顯示技術(shù)與OLED和LCD相比的差異及優(yōu)點。(原始圖片©PlayNitride1版權(quán)所有)

 

然而,要實現(xiàn)microLED這些顯示技術(shù),制造商必須克服許多挑戰(zhàn)。確保此類顯示屏的質(zhì)量和均勻性將是一項挑戰(zhàn),因為每個二極管都是自發(fā)光,并且在亮度和色度方面可能會表現(xiàn)出較大的差異。無論是轉(zhuǎn)移到基板上后對單個microLED進(jìn)行逐一測量還是組裝到設(shè)備的顯示面板中之后再統(tǒng)一測量,microLED的制造商們都需要一種可靠的檢測方法來精確地測量和量化microLED的亮度和色度輸出。

巨大的障礙:生產(chǎn)

由于尺寸的原因,顯示行業(yè)必須針對microLED開發(fā)一種全新的生產(chǎn)組裝技術(shù),因為microLED使用的芯片結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的LED或OLED不同,需要新的制造技術(shù)。

來自Yole Développement的分析師Eric Virey解釋道:“不同于OLED,無機(jī)LED無法轉(zhuǎn)移和處理到大尺寸的顯示屏。LED一般放在4到8英寸的晶圓上, microLED顯示屏制造工藝包含分離單個發(fā)光器以及將它們轉(zhuǎn)移和裝配到基板上。對于電視、智能手機(jī)等大多數(shù)消費類顯示產(chǎn)品而言,microLED的芯片尺寸必須控制在3-10μm的范圍內(nèi),以確保成本可行性。”2

這意味著,制造商們必須找到同時獲取高質(zhì)量和高微觀精度的方法,并且能夠達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)的速度。microLED屏幕由數(shù)百萬個芯片狀的微小像素組成,每個像素可以是單色的,也可以包含紅色、綠色、藍(lán)色和/或白色子像素的某種組合。為了制造顯示器,制造商首先必須通過高良率的外延生長來制造microLED晶圓。然后,必須將每個單獨的晶圓轉(zhuǎn)移到基板或背板上并將芯片單元陣列固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/span>

 microLED生產(chǎn)流程簡化圖示。(圖片© Allos Semiconductors版權(quán)所有)

 

用于將microLED單元放置在基板上的轉(zhuǎn)移設(shè)備必須具有高精度,放置精度須保持在±1.5 µm之內(nèi)。現(xiàn)有的LED貼片(并行)裝配設(shè)備只能達(dá)到±34 µm的精度(每次轉(zhuǎn)移多個芯片)。倒裝芯片接合機(jī)通常具有±1.5 µm的精度,但每次只能轉(zhuǎn)移一個單元,因此生產(chǎn)速度很慢。

現(xiàn)有的這兩種LED轉(zhuǎn)移方法都不足以滿足大規(guī)模生產(chǎn)大尺寸顯示屏的要求,比如需要數(shù)百萬個microLED的電視屏幕(例如:一臺高清電視大約需要600萬個microLED)。由于傳統(tǒng)的芯片接合和晶圓接合工藝無法為microLED提供高效的巨量轉(zhuǎn)移,因此,業(yè)界也正在探索各種薄膜轉(zhuǎn)移(TFT)技術(shù)。

業(yè)界正在嘗試彈性體和電子攝影術(shù)轉(zhuǎn)移、輥轉(zhuǎn)移、流體裝配等轉(zhuǎn)移方法。此外,研究人員也正在研究如何解決復(fù)合半導(dǎo)體microLED與硅基集成電路器件集成所面臨的挑戰(zhàn),因為硅基集成電路器件具有完全不同的材料特性和制造工藝。

解決巨量轉(zhuǎn)移的挑戰(zhàn)

在今年2月份舉行的SPIE AR VR MR大會上,microLED是一個熱門話題,業(yè)內(nèi)多家公司討論了該技術(shù)及其在增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實設(shè)備領(lǐng)域的潛在應(yīng)用,并介紹了他們用于克服在生產(chǎn)和巨量轉(zhuǎn)移方面挑戰(zhàn)的獨特方法。Virey將microLED行業(yè)描述為處于“寒武紀(jì)大爆發(fā)階段”,其特征在于不斷進(jìn)行實驗和創(chuàng)新,并涌現(xiàn)出許多新的創(chuàng)業(yè)公司。microLED主題全程貫穿于美國西部光電展(SPIE Photonics West )大會和展覽會。下面列出了這兩項活動的一些相關(guān)亮點:

 PlayNitride, Inc.,microLED生產(chǎn)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,該公司使用“蓋章”方法進(jìn)行巨量轉(zhuǎn)移。據(jù)他們解釋,即使錯誤率極小,一臺4K顯示屏也可能出現(xiàn)多達(dá)100,000個有缺陷的microLED芯片。雖然制造商可以為每個芯片建立冗余以彌補缺陷,但成本將會非常昂貴。相反,Playnitride使用“重新蓋章”工藝來識別缺陷像素,并添加新的二極管來修復(fù)缺陷,每次修復(fù)一種顏色。

Glō,來自瑞典隆德大學(xué)納米結(jié)構(gòu)聯(lián)盟(Lund University Nanostructure Consortium),該公司正在使用基于納米線的室溫晶圓轉(zhuǎn)移專利技術(shù)。納米線是一種3D結(jié)構(gòu),無機(jī)材料,能夠啟動紅光、綠光和藍(lán)光microLED。納米線microLED的效率隨著尺寸的減小而提高。據(jù)Glō報告,該技術(shù)能夠以高良率轉(zhuǎn)移數(shù)百萬基于氮化鎵納米線的RGB microLED,并將它們貼合到由硅、玻璃或柔性基底材料制成的有源背板上。

 Glō RGB microLED(圖片來源:© Glō版權(quán))

 

位于紐約的創(chuàng)業(yè)公司Lumiode開發(fā)了一種他們稱之為“單片集成”microLED巨量轉(zhuǎn)移方法,將成熟的LED和TFT技術(shù)結(jié)合在一起,形成一種專利解決方案。他們從LED外延晶圓開始,在其上制造microLED陣列,然后在該陣列上制造硅薄膜晶體管,然后將由此得到的microLED顯示晶圓進(jìn)行分離和封裝。該公司表示,這種方法與平臺無關(guān),可以應(yīng)用于任何LED基板或晶圓尺寸,從而生產(chǎn)出高性能、低功耗、小尺寸的microLED。

eLux Display(拆分自美國Sharp實驗室)開創(chuàng)了一種流體裝配方法。他們在4-8英寸的單晶基板上制造microLED,每次轉(zhuǎn)移一種顏色;迳暇哂芯_的捕捉點(孔),然后將包含microLED圓盤的液體以振蕩流的形式發(fā)送到基板上,直到所有的孔都被填滿。在放入流體中之前,制造商可以將有缺陷的二極管去除,然后將裝配后所剩下的流體中多余的microLED圓盤回收。據(jù)該公司報告,這種方法僅需15分鐘即可完成99.5%的填充(與面板尺寸無關(guān)),并具有100%正確的陣列和出色的均勻性。

 提取自eLux流體裝配過程視頻的靜態(tài)圖片,顯示了在制備好的基板上進(jìn)行沖洗的單個microLED二極管。深色圓圈是直徑為50 µm的microLED,淺色圓圈是直徑為55µm的孔。(圖片© eLux3版權(quán)所有)

 

高精度檢測與檢測需求

最終,microLED顯示屏的外觀取決于單個像素的水平。由于每個亞像素(每個紅光、綠光或藍(lán)光microLED)的輸出都是獨立控制的,因此每個像素的亮度和色度是其亞像素輸出的組合。由于生產(chǎn)差異,顯示屏上相同顏色的亞像素群體中,輸入相同的電信號產(chǎn)生的亮度可能有所不同。像素之間的亮度差異可能會導(dǎo)致顯示屏的亮度變化;這種變化要求檢測系統(tǒng)能夠執(zhí)行亞像素級別的測量,以確保均勻性。

此外,跟傳統(tǒng)顯示屏一樣,像素壞點也是一個問題。舉例來說,要實現(xiàn)整個屏幕的所有RGB子像素中少于5個像素壞點,全高清(FHD)顯示器(1920 x 1080像素)需要實現(xiàn)99.9999%的良率。”4

解決方案示例:晶圓質(zhì)量控制

確保microLED顯示屏性能的第一步是在LED芯片生產(chǎn)的晶圓階段進(jìn)行檢測,以減少出現(xiàn)像素壞點的可能性,并確保一定的照度(亮度)和波長(色度)均勻性。顯示行業(yè)的通用視覺性能標(biāo)準(zhǔn)允許每臺顯示屏出現(xiàn)10個以下像素壞點,因此LED良率必須很高。MicroLED制造商必須檢測晶圓上每個獨立的發(fā)光二極管,以確定芯片分布的均勻性,同時還需要測量紅光、綠光、藍(lán)光和白光(偶爾)microLED的亮度(尼特)。

 4英寸晶圓上的有源矩陣microLED微顯示芯片,采用JBD的單片混合集成技術(shù)制造。

 

為了精確地檢測單個像素和亞像素,microLED制造商可使用瑞淀各種配置的ProMetric®成像亮度計和色度計,比如配備了標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的或與瑞淀顯微鏡頭搭配使用的ProMetric I29(2900萬像素)成像色度計。如果僅測量microLED的亮度,制造商可選擇成像亮度計,比如與瑞淀顯微鏡頭搭配使用的ProMetric Y系列的Y29(2900萬像素)和Y43(4300萬像素)。

瑞淀的顯微鏡頭可提供5倍或10倍變焦的客觀測量,可對任何形狀的單個發(fā)光元件進(jìn)行詳細(xì)檢測。此顯微鏡頭已被證明可用于測量亞像素的亮度和色度輸出,并使用關(guān)注區(qū)域(“ROI”)記錄每個像素(ROI指數(shù)百個圖像傳感器像素),以實現(xiàn)最終精度。使用任何高分辨率、低圖像噪聲的ProMetric系統(tǒng)(帶或不帶顯微鏡頭附加組件)都意味著可以通過多個傳感器像素來采集每個顯示像素,以實現(xiàn)最佳測量精度。此系統(tǒng)可有效評估單顆microLED的顯示像素結(jié)構(gòu)和亞像素。

 瑞淀ProMetric成像系統(tǒng)和顯微鏡頭(左)與TrueTest™軟件搭配使用,可用于描述亞像素布局、形狀和顏色圖案(右),從而在極小的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)極致細(xì)節(jié)。

 

當(dāng)與瑞淀的TrueTest™視覺檢測軟件搭配使用時,瑞淀系統(tǒng)可以按順序運行多項測試,并使用動態(tài)定義的ROI自動記錄像素,確保精確地分離和覆蓋每個像素,以控制雜散光等問題。

引用文獻(xiàn)

1.Liu,F.,“新一代MicroLED顯示器技術(shù)”,在美國加州舊金山市于2020年2月5日舉辦的美國西部光電展(SPIE Photonics West )上進(jìn)行的主題演講。

2.Virey, E.等人,“關(guān)于microLED顯示屏被忽視的挑戰(zhàn)”,SID 2019年文摘,第129-133頁,11-3,DOI:org/10.1002/sdtp.12872。

3.Lee, J.,“低成本且實用的MicroLED顯示屏制造技術(shù):自對位流體裝配”,在美國加州舊金山市于2020年2月5日舉辦的美國西部光電展(SPIE Photonics West )上進(jìn)行的主題演講。

4.Ding,K.等人,“MicroLED,可制造性觀點”,《應(yīng)用科學(xué)》,2019年,DOI:10.3390/app9061206。

 

 
關(guān)鍵詞: MicroLED 質(zhì)量檢測
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