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(duì)比度和更低亮度的黑色。MicroLED在響應(yīng)時(shí)間和視角性能方面與OLED技術(shù)相匹配，但在亮度和堅(jiān)固耐用性方面均超過(guò)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(shí)現(xiàn)柔性、可彎曲和可折疊的顯示。
隨著市場(chǎng)上對(duì)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(xiàng)突破性技術(shù)。MicroLED特別適用于智能手表、抬頭顯示（HUD）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示器等設(shè)備，對(duì)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(jué)性能尤為重要。
來(lái)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(diǎn)。（原始圖片©PlayNitride1版權(quán)所有）
然而，要實(shí)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(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)槊總�(gè)二極管都是自發(fā)光，并且在亮度和色度方面可能會(huì)表現(xiàn)出較大的差異。無(wú)論是轉(zhuǎn)移到基板上后對(duì)單個(gè)microLED進(jìn)行逐一測(cè)量還是組裝到設(shè)備的顯示面板中之后再統(tǒng)一測(cè)量，microLED的制造商們都需要一種可靠的檢測(cè)方法來(lái)精確地測(cè)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(duì)microLED開發(fā)一種全新的生產(chǎn)組裝技術(shù)，因?yàn)閙icroLED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(lái)自Yole Développement的分析師Eric Virey解釋道：“不同于OLED，無(wú)機(jī)LED無(wú)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(gè)發(fā)光器以及將它們轉(zhuǎn)移和裝配到基板上。對(duì)于電視、智能手機(jī)等大多數(shù)消費(fèi)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(shí)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(wàn)個(gè)芯片狀的微小像素組成，每個(gè)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(guò)高良率的外延生長(zhǎng)來(lái)制造microLED晶圓。然后，必須將每個(gè)單獨(dú)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(jiǎn)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)�，F(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(gè)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(gè)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(wàn)個(gè)microLED的電視屏幕（例如：一臺(tái)高清電視大約需要600萬(wàn)個(gè)microLED）。由于傳統(tǒng)的芯片接合和晶圓接合工藝無(wú)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?yàn)楣杌呻娐菲骷哂型耆煌牟牧咸匦院椭圃旃に嚒?/span>
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(huì)上，microLED是一個(gè)熱門話題，業(yè)內(nèi)多家公司討論了該技術(shù)及其在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)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(dú)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(shí)驗(yàn)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(guó)西部光電展（SPIE Photonics West ）大會(huì)和展覽會(huì)。下面列出了這兩項(xiàng)活動(dòng)的一些相關(guān)亮點(diǎn)：
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(cuò)誤率極小，一臺(tái)4K顯示屏也可能出現(xiàn)多達(dá)100,000個(gè)有缺陷的microLED芯片。雖然制造商可以為每個(gè)芯片建立冗余以彌補(bǔ)缺陷，但成本將會(huì)非常昂貴。相反，Playnitride使用“重新蓋章”工藝來(lái)識(shí)別缺陷像素，并添加新的二極管來(lái)修復(fù)缺陷，每次修復(fù)一種顏色。
Glō，來(lái)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(wú)機(jī)材料，能夠啟動(dòng)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(bào)告，該技術(shù)能夠以高良率轉(zhuǎn)移數(shù)百萬(wàn)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(lái)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(tái)無(wú)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(guó)Sharp實(shí)驗(yàn)室）開創(chuàng)了一種流體裝配方法。他們?cè)?-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(diǎn)（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(bào)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(wú)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(guò)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(gè)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(cè)與檢測(cè)需求
最終，microLED顯示屏的外觀取決于單個(gè)像素的水平。由于每個(gè)亞像素（每個(gè)紅光、綠光或藍(lán)光microLED）的輸出都是獨(dú)立控制的，因此每個(gè)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(hào)產(chǎn)生的亮度可能有所不同。像素之間的亮度差異可能會(huì)導(dǎo)致顯示屏的亮度變化；這種變化要求檢測(cè)系統(tǒng)能夠執(zhí)行亞像素級(jí)別的測(cè)量，以確保均勻性。
此外，跟傳統(tǒng)顯示屏一樣，像素壞點(diǎn)也是一個(gè)問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)屏幕的所有RGB子像素中少于5個(gè)像素壞點(diǎn)，全高清（FHD）顯示器（1920 x 1080像素）需要實(shí)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(cè)，以減少出現(xiàn)像素壞點(diǎn)的可能性，并確保一定的照度（亮度）和波長(zhǎng)（色度）均勻性。顯示行業(yè)的通用視覺(jué)性能標(biāo)準(zhǔn)允許每臺(tái)顯示屏出現(xiàn)10個(gè)以下像素壞點(diǎn)，因此LED良率必須很高。MicroLED制造商必須檢測(cè)晶圓上每個(gè)獨(dú)立的發(fā)光二極管，以確定芯片分布的均勻性，同時(shí)還需要測(cè)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(cè)單個(gè)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(jì)和色度計(jì)，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(wàn)像素）成像色度計(jì)。如果僅測(cè)量microLED的亮度，制造商可選擇成像亮度計(jì)，比如與瑞淀顯微鏡頭搭配使用的ProMetric Y系列的Y29（2900萬(wàn)像素）和Y43（4300萬(wàn)像素）。
瑞淀的顯微鏡頭可提供5倍或10倍變焦的客觀測(cè)量，可對(duì)任何形狀的單個(gè)發(fā)光元件進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。此顯微鏡頭已被證明可用于測(cè)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(gè)像素（ROI指數(shù)百個(gè)圖像傳感器像素），以實(shí)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(guò)多個(gè)傳感器像素來(lái)采集每個(gè)顯示像素，以實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量精度。此系統(tǒng)可有效評(píng)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(shí)現(xiàn)極致細(xì)節(jié)。
當(dāng)與瑞淀的TrueTest™視覺(jué)檢測(cè)軟件搭配使用時(shí)，瑞淀系統(tǒng)可以按順序運(yùn)行多項(xiàng)測(cè)試，并使用動(dòng)態(tài)定義的ROI自動(dòng)記錄像素，確保精確地分離和覆蓋每個(gè)像素，以控制雜散光等問(wèn)題。
引用文獻(xiàn)
1.Liu,F.，“新一代MicroLED顯示器技術(shù)”，在美國(guó)加州舊金山市于2020年2月5日舉辦的美國(guó)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(yè)，11-3，DOI：org/10.1002/sdtp.12872。
3.Lee, J.，“低成本且實(shí)用的MicroLED顯示屏制造技術(shù)：自對(duì)位流體裝配”，在美國(guó)加州舊金山市于2020年2月5日舉辦的美國(guó)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(diǎn)”，《應(yīng)用科學(xué)》，2019年，DOI：10.3390/app9061206。
