MicroLED的市場(chǎng)趨勢(shì)及制造檢測(cè)挑戰(zhàn)

作者 迎九

   近日，KLA-Tencor 公司產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Ravichander Rao和Mukund Raghunathan接受了《電子產(chǎn)品世界》的采訪。

MicroLED的市場(chǎng)趨勢(shì)

　　MicroLED市場(chǎng)大致可分為平板顯示器和照明兩部分。該技術(shù)在不斷開(kāi)發(fā)，以生產(chǎn)高亮度、高色彩對(duì)比度、卓越分辨率和低功耗的LED。MicroLED通過(guò)采用LED陣列實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)元素比傳統(tǒng)LED小得多。其應(yīng)用包括智能手表/智能手機(jī)顯示器、平板電腦、筆記本電腦、顯示器、電視以及諸如AR/VR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí))之類(lèi)的NED(近眼顯示器)。

　　消費(fèi)者對(duì)于更亮和更節(jié)能的顯示器的需求日益增長(zhǎng)，這是推動(dòng)MicroLED市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要因素。2018年涌現(xiàn)了多款MicroLED產(chǎn)品原型，如智能眼鏡、VR耳機(jī)和大屏幕顯示器。一些市場(chǎng)研究公司預(yù)計(jì)，采用MicroLED的智能手表將成為最早的批量產(chǎn)品，并將在2-3年內(nèi)上市。

MicroLED制造的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　KLA-Tencor也看到新興和既有的MicroLED制造商對(duì)工藝控制解決方案越來(lái)越感興趣。MicroLED顯示器要求缺陷水平接近于零，因?yàn)槿搜鄯浅Ｃ舾?，可以發(fā)現(xiàn)顯示器中的失效像素。為了實(shí)現(xiàn)接近零的缺陷水平，集成過(guò)程中的每個(gè)階段的良率都需要接近完美。這可以通過(guò)制造和傳送完美的MicroLED來(lái)實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際中并不可行，或者通過(guò)創(chuàng)建能夠識(shí)別和快速傳送高質(zhì)量有效MicroLED的技術(shù)并用其選擇所有優(yōu)質(zhì)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　獲得完美良率的技術(shù)挑戰(zhàn)包括減少外延晶圓缺陷、減少晶圓工藝步驟中產(chǎn)生的缺陷、減少傳送和裝配工藝中的產(chǎn)生缺陷的因素，以及識(shí)別和更換失效的MicroLED。制造公司正在開(kāi)發(fā)和改進(jìn)不同的方法以滿(mǎn)足MicroLED顯示器的要求。然而，這些方法對(duì)于消費(fèi)者市場(chǎng)來(lái)說(shuō)成本效益太低而不可行。例如，雖然大量替換(mass pick and place)的方法能夠選擇性地替換包括失靈或變暗的像素，但是以額外增加替換缺陷像素時(shí)的大量傳送步驟為代價(jià)。同樣，在單片(monolithic)工藝中，修復(fù)和更換缺陷像素也會(huì)增加成本，因?yàn)樗枰~外的晶圓級(jí)處理——首先去除缺陷像素，然后用無(wú)缺陷的像素替代它們。另外，市場(chǎng)中還有其它的方案，但不同的技術(shù)專(zhuān)利屬于包括很多初創(chuàng)公司在內(nèi)的許多公司，因此獲得各種技術(shù)許可具有挑戰(zhàn)性。目前清晰的供應(yīng)鏈的模式還未形成，這讓協(xié)作/合作不太明確，同時(shí)某些工藝標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，因而難以應(yīng)對(duì)不同的需求。

MicroLED為何需要表面缺陷檢查?

　　降低成本對(duì)于MicroLED應(yīng)用的商業(yè)化至關(guān)重要。而這一點(diǎn)需要MicroLED生產(chǎn)的每個(gè)階段的產(chǎn)量都得到改善才能夠?qū)崿F(xiàn)。良率問(wèn)題的來(lái)源包括入廠基板、外延工藝、MicroLED制造工藝和傳送工藝，盡管隨著制造方法是大量替換工藝還是單片制造工藝，將存在一些獨(dú)特性。

　　假設(shè)在這四個(gè)步驟中的每一步良率達(dá)到99%，合并良率仍只有為96%。在智能手機(jī)中，96%的工藝良率意味著可能仍有數(shù)千個(gè)的缺陷像素亟待更換。根據(jù)Yole Développement展示的要求，對(duì)于3 μm x 3 μm的MicroLED，允許的缺陷尺寸將小于1 μm。識(shí)別失效像素并將其替換的工藝將極大地增加智能手機(jī)生產(chǎn)的總周期，并因而增加生產(chǎn)成本，使商業(yè)化變得不可行。因此，在每個(gè)階段捕獲所有形式的缺陷極為重要。在外延工藝中，典型的缺陷類(lèi)型是小丘(hillocks)、六角形(hex)凸起、外延凹坑、裂縫、劃痕和顆粒。工藝工程師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是生產(chǎn)無(wú)缺陷的外延晶圓，因?yàn)橥庋尤毕輹?huì)生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)化為另一種可能會(huì)破壞MicroLED性能的缺陷。外延生長(zhǎng)后，晶圓經(jīng)過(guò)其他工藝步驟，例如光刻、蝕刻和清潔，這可能增加系統(tǒng)和隨機(jī)缺陷。諸如形成不良的發(fā)射區(qū)域、表面顆粒等缺陷對(duì)于LED效率都有直接影響，導(dǎo)致暗淡或失效像素。需要捕獲這些缺陷并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，以便通過(guò)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)和缺陷源分析來(lái)確定它們與良率之間的相關(guān)性，并且降低它們的密度。Yole Développement的模型表明，在MicroLED傳送工藝中，缺陷密度小于0.05/cm2才能獲得超過(guò)90%的良率。

　　同樣，在將MicroLED傳送到背板的過(guò)程中，很重要的是僅僅傳送無(wú)缺陷的芯片以降低維修和更換的成本。在20 μm大小的MicroLED中找到這樣的良率限制缺陷可能需要4 μm或更低的檢測(cè)靈敏度。需要檢測(cè)并剔除所有包含圖案缺陷、側(cè)壁裂縫、表面顆粒、形狀不良、由置換或切割操作引起的損壞等缺陷類(lèi)型。除此之外，檢測(cè)背板中的電路對(duì)于確?？刂破魍耆９ぷ魍瑯又匾?。其中的缺陷可能導(dǎo)致失靈像素、丟失像素或始終開(kāi)啟的像素。因此，在工藝中盡早捕獲所有缺陷極為重要。通過(guò)部署包括光致發(fā)光、電致發(fā)光和光學(xué)檢測(cè)的方法可以捕獲所有這些限制良率的缺陷。

　　然而每種方法都有其相對(duì)優(yōu)點(diǎn)。光致發(fā)光通過(guò)捕獲波長(zhǎng)均勻性和強(qiáng)度來(lái)提供關(guān)于晶圓良率的定性信息，比如epi的大量材料檢測(cè)是有效的，但該方法對(duì)于在圖案化工藝期間引起的工藝缺陷的影響信息則可能是有限的。電致發(fā)光能提供有關(guān)缺失電氣連接的信息，但只有在晶圓進(jìn)行電氣測(cè)試時(shí)才可行。表面檢測(cè)提供更廣泛的信息。使用光學(xué)表面檢測(cè)技術(shù)可以在制造工藝的每個(gè)階段對(duì)MicroLED進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)合缺陷捕獲的分辨率和對(duì)其分類(lèi)的能力，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)提供了更多信息，讓工藝工程師可以辨別導(dǎo)致良率較低的因素。

針對(duì)MicroLED的檢測(cè)和miniLED檢測(cè)的區(qū)別

　　MicroLED與如miniLED之類(lèi)的半導(dǎo)體LED技術(shù)相比具有類(lèi)似的LED制造工藝，但LED制造完成后的工藝卻截然不同。為了將尺寸縮減到100 μm以下，例如20 μm，晶圓廠可能需要不同的工藝設(shè)備以及更為清潔的潔凈室環(huán)境。與同尺寸miniLED相比，20 μm的MicroLED對(duì)于微米級(jí)缺陷的承受能力要低很多，因?yàn)閭魉秃托迯?fù)工藝非常昂貴。為了減輕對(duì)成本和工廠產(chǎn)量的不利影響，MicroLED檢測(cè)要求要高得多?？赡苄枰獊單⒚准?jí)別的靈敏度，以確保沒(méi)有缺陷漏網(wǎng)。與miniLED相比，檢測(cè)步驟也可能更多，以確保所有系統(tǒng)缺陷都被識(shí)別并根除。此外，同樣至關(guān)重要的還有具有亞微米精度的MicroLED在線量測(cè)，因?yàn)檫@可以確保發(fā)射光的光錐是完美的，并且確保其尺寸和形狀與傳送頭匹配或與背板電路中的邏輯特征兼容。根據(jù)MicroLED顯示器的商業(yè)模式，檢測(cè)點(diǎn)可能分布在整個(gè)供應(yīng)鏈中，每個(gè)參與者對(duì)某個(gè)特定的方面負(fù)責(zé)。例如，在批量置換工藝中，檢測(cè)并保證每個(gè)R、G和B LED晶圓和控制器晶圓上的良率水平是代工廠的責(zé)任并由其完成。而將各個(gè)工作組件轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基板上(可能是面板形式以利用顯示格式)之后，對(duì)組裝的MicroLED和控制器進(jìn)行檢測(cè)的責(zé)任則屬于OSAT或顯示器制造商。在每個(gè)階段，出廠和入廠的檢測(cè)要求應(yīng)該同樣嚴(yán)格。

KLA-Tencor的MicroLED的解決方案

　　KLA-Tencor提供符合MicroLED檢測(cè)和量測(cè)要求的一系列解決方案。Candela?8720表面檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)包括外延晶圓在內(nèi)的LED基板的處理和檢測(cè)而設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)配備多個(gè)通道，幫助工藝工程師表征缺陷，包括影響MQW(多量子阱)器件結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光缺陷。采用該缺陷信息可以確定有效的糾正措施，使外延生長(zhǎng)達(dá)到最高良率。

　　8系列圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)為透明和不透明的整個(gè)晶圓提供亞微米表面檢測(cè)和量測(cè)解決方案。通過(guò)同時(shí)明場(chǎng)和暗場(chǎng)檢測(cè)功能，該系統(tǒng)擁有成本低，但可以捕獲所有類(lèi)型的表面缺陷。用于MicroLED器件晶圓檢測(cè)的高級(jí)算法和MOI(宏觀概覽圖像)功能不僅支持針對(duì)最關(guān)鍵特征的目標(biāo)檢測(cè)，還可以監(jiān)控晶圓上的全局工藝變化。8系列系統(tǒng)還提供多級(jí)缺陷分類(lèi)解決方案以及CD和疊對(duì)測(cè)量功能，可為圖案化晶圓提供完整的工藝監(jiān)控解決方案。

　　WI-2280系統(tǒng)可在各種晶圓基板和載體上同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和量測(cè)。針對(duì)LED提供晶圓級(jí)封裝和切割后質(zhì)量控制。WI-2280系統(tǒng)在領(lǐng)先的LED制造廠被廣泛采用，用于出廠質(zhì)量控制檢測(cè)，因?yàn)樗伸`活處理不同的晶圓格式和基板(通常無(wú)需更換時(shí)間)，并且擁有成本低、占地面積小、配方設(shè)置簡(jiǎn)單易用、配方穩(wěn)定性高以及可靠的缺陷分類(lèi)功能。

　　Klarity? 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)提供全廠范圍的良率解決方案，能夠自動(dòng)將缺陷檢查、分類(lèi)和復(fù)查數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)至與相關(guān)的根本原因和產(chǎn)量分析信息。Klarity數(shù)據(jù)可幫助制造商更快地采取糾正措施，從而提升良率并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第84頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。