相比LCD（液晶顯示器）和OLED（有機發(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在響應時(shí)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(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)現柔性、可彎曲和可折疊的顯示。
隨著(zhù)市場(chǎng)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）和增強現實(shí)（AR）顯示器等設備，對這些設備而言，在近眼位置或復雜環(huán)境光條件下，小尺寸內的高亮度、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版權所有）
然而，要實(shí)現microLED這些顯示技術(shù)，制造商必須克服許多挑戰。確保此類(lèi)顯示屏的質(zhì)量和均勻性將是一項挑戰，因為每個(gè)二極管都是自發(fā)光，并且在亮度和色度方面可能會(huì )表現出較大的差異。無(wú)論是轉移到基板上后對單個(gè)microLED進(jìn)行逐一測量還是組裝到設備的顯示面板中之后再統一測量，microLED的制造商們都需要一種可靠的檢測方法來(lái)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(kāi)發(fā)一種全新的生產(chǎn)組裝技術(shù)，因為microLED使用的芯片結構與傳統的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LED無(wú)法轉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)光器以及將它們轉移和裝配到基板上。對于電視、智能手機等大多數消費類(lèi)顯示產(chǎn)品而言，microLED的芯片尺寸必須控制在3-10μm的范圍內，以確保成本可行性。”2
這意味著(zhù)，制造商們必須找到同時(shí)獲取高質(zhì)量和高微觀(guān)精度的方法，并且能夠達到大規模生產(chǎn)的速度。microLED屏幕由數百萬(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(cháng)來(lái)制造microLED晶圓。然后，必須將每個(gè)單獨的晶圓轉移到基板或背板上并將芯片單元陣列固定在適當的位置。
microLED生產(chǎn)流程簡(jiǎn)化圖示。（圖片© Allos Semiconductors版權所有）
用于將microLED單元放置在基板上的轉移設備必須具有高精度，放置精度須保持在±1.5 µm之內�，F有的LED貼片（并行）裝配設備只能達到±34 µm的精度（每次轉移多個(gè)芯片）。倒裝芯片接合機通常具有±1.5 µm的精度，但每次只能轉移一個(gè)單元，因此生產(chǎn)速度很慢。
現有的這兩種LED轉移方法都不足以滿(mǎn)足大規模生產(chǎn)大尺寸顯示屏的要求，比如需要數百萬(wàn)個(gè)microLED的電視屏幕（例如：一臺高清電視大約需要600萬(wàn)個(gè)microLED）。由于傳統的芯片接合和晶圓接合工藝無(wú)法為microLED提供高效的巨量轉移，因此，業(yè)界也正在探索各種薄膜轉移（TFT）技術(shù)。
業(yè)界正在嘗試彈性體和電子攝影術(shù)轉移、輥轉移、流體裝配等轉移方法。此外，研究人員也正在研究如何解決復合半導體microLED與硅基集成電路器件集成所面臨的挑戰，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。
解決巨量轉移的挑戰
在今年2月份舉行的SPIE AR VR MR大會(huì )上，microLED是一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，業(yè)內多家公司討論了該技術(shù)及其在增強現實(shí)和虛擬現實(shí)設備領(lǐng)域的潛在應用，并介紹了他們用于克服在生產(chǎn)和巨量轉移方面挑戰的獨特方法。Virey將microLED行業(yè)描述為處于“寒武紀大爆發(fā)階段”，其特征在于不斷進(jìn)行實(shí)驗和創(chuàng )新，并涌現出許多新的創(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(huì )和展覽會(huì )。下面列出了這兩項活動(dòng)的一些相關(guān)亮點(diǎn)：
PlayNitride, Inc.，microLED生產(chǎn)領(lǐng)域的領(lǐng)導者，該公司使用“蓋章”方法進(jìn)行巨量轉移。據他們解釋?zhuān)词瑰e誤率極小，一臺4K顯示屏也可能出現多達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)識別缺陷像素，并添加新的二極管來(lái)修復缺陷，每次修復一種顏色。
Glō，來(lái)自瑞典隆德大學(xué)納米結構聯(lián)盟（Lund University Nanostructure Consortium），該公司正在使用基于納米線(xiàn)的室溫晶圓轉移專(zhuān)利技術(shù)。納米線(xiàn)是一種3D結構，無(wú)機材料，能夠啟動(dòng)紅光、綠光和藍光microLED。納米線(xiàn)microLED的效率隨著(zhù)尺寸的減小而提高。據Glō報告，該技術(shù)能夠以高良率轉移數百萬(wàn)基于氮化鎵納米線(xiàn)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）
位于紐約的創(chuàng )業(yè)公司Lumiode開(kāi)發(fā)了一種他們稱(chēng)之為“單片集成”microLED巨量轉移方法，將成熟的LED和TFT技術(shù)結合在一起，形成一種專(zhuān)利解決方案。他們從LED外延晶圓開(kāi)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(wú)關(guān)，可以應用于任何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(shí)驗室）開(kāi)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，每次轉移一種顏色�；迳暇哂芯_的捕捉點(diǎn)（孔），然后將包含microLED圓盤(pán)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(mǎn)。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(pán)回收。據該公司報告，這種方法僅需15分鐘即可完成99.5％的填充（與面板尺寸無(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版權所有）
高精度檢測與檢測需求
最終，microLED顯示屏的外觀(guān)取決于單個(gè)像素的水平。由于每個(gè)亞像素（每個(gè)紅光、綠光或藍光microLED）的輸出都是獨立控制的，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 )導致顯示屏的亮度變化；這種變化要求檢測系統能夠執行亞像素級別的測量，以確保均勻性。
此外，跟傳統顯示屏一樣，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，以減少出現像素壞點(diǎn)的可能性，并確保一定的照度（亮度）和波長(cháng)（色度）均勻性。顯示行業(yè)的通用視覺(jué)性能標準允許每臺顯示屏出現10個(gè)以下像素壞點(diǎn)，因此LED良率必須很高。MicroLED制造商必須檢測晶圓上每個(gè)獨立的發(fā)光二極管，以確定芯片分布的均勻性，同時(shí)還需要測量紅光、綠光、藍光和白光（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(gè)像素和亞像素，microLED制造商可使用瑞淀各種配置的ProMetric®成像亮度計和色度計，比如配備了標準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。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(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(guān)測量，可對任何形狀的單個(gè)發(fā)光元件進(jìn)行詳細檢測。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)注區域（“ROI”）記錄每個(gè)像素（ROI指數百個(gè)圖像傳感器像素），以實(shí)現最終精度。使用任何高分辨率、低圖像噪聲的ProMetric系統（帶或不帶顯微鏡頭附加組件）都意味著(zhù)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)現最佳測量精度。此系統可有效評估單顆microLED的顯示像素結構和亞像素。
瑞淀ProMetric成像系統和顯微鏡頭（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實(shí)現極致細節。
當與瑞淀的TrueTest™視覺(jué)檢測軟件搭配使用時(shí)，瑞淀系統可以按順序運行多項測試，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
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”，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(guān)點(diǎn)”，《應用科學(xué)》，2019年，DOI：10.3390/app9061206。
