MicroLED的市場趨勢及制造檢測挑戰

作者 迎九

   近日，KLA-Tencor 公司產品市場營銷經理Ravichander Rao和Mukund Raghunathan接受了《電子產品世界》的采訪。

MicroLED的市場趨勢

　　MicroLED市場大致可分為平板顯示器和照明兩部分。該技術在不斷開發，以生產高亮度、高色彩對比度、卓越分辨率和低功耗的LED。MicroLED通過采用LED陣列實現，其中每個元素比傳統LED小得多。其應用包括智能手表/智能手機顯示器、平板電腦、筆記本電腦、顯示器、電視以及諸如AR/VR(增強現實/虛擬現實)之類的NED(近眼顯示器)。

　　消費者對于更亮和更節能的顯示器的需求日益增長，這是推動MicroLED市場增長的主要因素。2018年涌現了多款MicroLED產品原型，如智能眼鏡、VR耳機和大屏幕顯示器。一些市場研究公司預計，采用MicroLED的智能手表將成為最早的批量產品，并將在2-3年內上市。

MicroLED制造的技術挑戰

　　KLA-Tencor也看到新興和既有的MicroLED制造商對工藝控制解決方案越來越感興趣。MicroLED顯示器要求缺陷水平接近于零，因為人眼非常敏感，可以發現顯示器中的失效像素。為了實現接近零的缺陷水平，集成過程中的每個階段的良率都需要接近完美。這可以通過制造和傳送完美的MicroLED來實現，但實際中并不可行，或者通過創建能夠識別和快速傳送高質量有效MicroLED的技術并用其選擇所有優質部件來實現。

　　獲得完美良率的技術挑戰包括減少外延晶圓缺陷、減少晶圓工藝步驟中產生的缺陷、減少傳送和裝配工藝中的產生缺陷的因素，以及識別和更換失效的MicroLED。制造公司正在開發和改進不同的方法以滿足MicroLED顯示器的要求。然而，這些方法對于消費者市場來說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的大量傳送步驟為代價。同樣，在單片(monolithic)工藝中，修復和更換缺陷像素也會增加成本，因為它需要額外的晶圓級處理——首先去除缺陷像素，然后用無缺陷的像素替代它們。另外，市場中還有其它的方案，但不同的技術專利屬于包括很多初創公司在內的許多公司，因此獲得各種技術許可具有挑戰性。目前清晰的供應鏈的模式還未形成，這讓協作/合作不太明確，同時某些工藝標準尚未建立，因而難以應對不同的需求。

MicroLED為何需要表面缺陷檢查?

　　降低成本對于MicroLED應用的商業化至關重要。而這一點需要MicroLED生產的每個階段的產量都得到改善才能夠實現。良率問題的來源包括入廠基板、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，將存在一些獨特性。

　　假設在這四個步驟中的每一步良率達到99%，合并良率仍只有為96%。在智能手機中，96%的工藝良率意味著可能仍有數千個的缺陷像素亟待更換。根據Yole Développement展示的要求，對于3 μm x 3 μm的MicroLED，允許的缺陷尺寸將小于1 μm。識別失效像素并將其替換的工藝將極大地增加智能手機生產的總周期，并因而增加生產成本，使商業化變得不可行。因此，在每個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之一是生產無缺陷的外延晶圓，因為外延缺陷會生長或轉化為另一種可能會破壞MicroLED性能的缺陷。外延生長后，晶圓經過其他工藝步驟，例如光刻、蝕刻和清潔，這可能增加系統和隨機缺陷。諸如形成不良的發射區域、表面顆粒等缺陷對于LED效率都有直接影響，導致暗淡或失效像素。需要捕獲這些缺陷并對其進行分類，以便通過相關性統計和缺陷源分析來確定它們與良率之間的相關性，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90%的良率。

　　同樣，在將MicroLED傳送到背板的過程中，很重要的是僅僅傳送無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或更低的檢測靈敏度。需要檢測并剔除所有包含圖案缺陷、側壁裂縫、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型。除此之外，檢測背板中的電路對于確保控制器完全正常工作同樣重要。其中的缺陷可能導致失靈像素、丟失像素或始終開啟的像素。因此，在工藝中盡早捕獲所有缺陷極為重要。通過部署包括光致發光、電致發光和光學檢測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優點。光致發光通過捕獲波長均勻性和強度來提供關于晶圓良率的定性信息，比如epi的大量材料檢測是有效的，但該方法對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。電致發光能提供有關缺失電氣連接的信息，但只有在晶圓進行電氣測試時才可行。表面檢測提供更廣泛的信息。使用光學表面檢測技術可以在制造工藝的每個階段對MicroLED進行檢測。結合缺陷捕獲的分辨率和對其分類的能力，光學檢測技術提供了更多信息，讓工藝工程師可以辨別導致良率較低的因素。

針對MicroLED的檢測和miniLED檢測的區別

　　MicroLED與如miniLED之類的半導體LED技術相比具有類似的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備以及更為清潔的潔凈室環境。與同尺寸miniLED相比，20 μm的MicroLED對于微米級缺陷的承受能力要低很多，因為傳送和修復工藝非常昂貴。為了減輕對成本和工廠產量的不利影響，MicroLED檢測要求要高得多。可能需要亞微米級別的靈敏度，以確保沒有缺陷漏網。與miniLED相比，檢測步驟也可能更多，以確保所有系統缺陷都被識別并根除。此外，同樣至關重要的還有具有亞微米精度的MicroLED在線量測，因為這可以確保發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MicroLED顯示器的商業模式，檢測點可能分布在整個供應鏈中，每個參與者對某個特定的方面負責。例如，在批量置換工藝中，檢測并保證每個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任并由其完成。而將各個工作組件轉移到另一個基板上(可能是面板形式以利用顯示格式)之后，對組裝的MicroLED和控制器進行檢測的責任則屬于OSAT或顯示器制造商。在每個階段，出廠和入廠的檢測要求應該同樣嚴格。

KLA-Tencor的MicroLED的解決方案

　　KLA-Tencor提供符合MicroLED檢測和量測要求的一系列解決方案。Candela?8720表面檢測系統針對包括外延晶圓在內的LED基板的處理和檢測而設計。該系統配備多個通道，幫助工藝工程師表征缺陷，包括影響MQW(多量子阱)器件結構的光致發光缺陷。采用該缺陷信息可以確定有效的糾正措施，使外延生長達到最高良率。

　　8系列圖案化晶圓檢測系統為透明和不透明的整個晶圓提供亞微米表面檢測和量測解決方案。通過同時明場和暗場檢測功能，該系統擁有成本低，但可以捕獲所有類型的表面缺陷。用于MicroLED器件晶圓檢測的高級算法和MOI(宏觀概覽圖像)功能不僅支持針對最關鍵特征的目標檢測，還可以監控晶圓上的全局工藝變化。8系列系統還提供多級缺陷分類解決方案以及CD和疊對測量功能，可為圖案化晶圓提供完整的工藝監控解決方案。

　　WI-2280系統可在各種晶圓基板和載體上同時進行檢測和量測。針對LED提供晶圓級封裝和切割后質量控制。WI-2280系統在領先的LED制造廠被廣泛采用，用于出廠質量控制檢測，因為它可靈活處理不同的晶圓格式和基板(通常無需更換時間)，并且擁有成本低、占地面積小、配方設置簡單易用、配方穩定性高以及可靠的缺陷分類功能。

　　Klarity? 數據分析系統提供全廠范圍的良率解決方案，能夠自動將缺陷檢查、分類和復查數據精簡至與相關的根本原因和產量分析信息。Klarity數據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品上市時間。

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第11期第84頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。