TWI727732B - 用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統，包含一提供雷射 光束之雷射光源、一供放置待測工件且可進行位移之量測載台、一具有X-Y光學掃描鏡頭之振鏡掃描模組、一視覺模組、一光譜儀、以及一控制單元；當雷射光束投射至待測工件上將產生一光致螢光之響應光束（response signals from the photoluminescence of samples），且視覺模組與光譜儀所連結之分光鏡組，皆設於該雷射光束與響應光束之傳遞途徑上；藉此，經由該視覺模組以檢視並調整相關構件之設定狀態，繼而該控制單元將驅使該X-Y光學掃描鏡頭與該量測載台協同位移，使該雷射光束對應地投射在所欲掃描的位置上，再由該光譜儀記錄其響應光束之光譜訊號；本系統將擇點反覆進行雷射光束之投射與其光譜訊號之記錄，進而完成大面積擇點掃描之量測作業。

Description

用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統及方法

本發明係有關一種量測系統，尤指應用振鏡掃描模組與量測載台的協同位移，使雷射光束得以擇點掃描，並以光譜儀記錄其響應光譜訊號之一種顯微光致螢光掃描量測系統及其方法。

按，發光二極體LED(Light-Emitting Diode)係為一種能發光的半導體電子零件，其外觀呈橢圓形，尺寸僅為一顆綠豆大小，但發光只有其中的晶粒(Die)部分；目前商業上是先成長晶棒，切割成晶圓，再使用「有基金屬化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)」成長不同材料的磊晶(單晶薄膜)，並在磊晶上製作發光二極體元件結構，最後再切割成一顆顆的晶粒，封裝成發光二極體LED元件。

再按，LED晶粒的尺寸大約1毫米(mm)，只能用來製作單色發光二極體指示牌或是大尺寸的電視牆；但隨著技術的演進，廠商已開發出「微發光二極體（Micro LED）」邊長小於10微米(μm）的晶粒，而Micro LED是一種直接利用RGB三原色LED做為自發光顯示點畫素，直接種在晶圓上的顯示技術；其原理主要是將LED結構設計進行薄膜化、微小化與陣列化，並將LED縮小到至少原本LED的1%，使其具備低功耗、高亮度、超高解析度與色彩飽和度等特性。

光致螢光（Photoluminescence, PL），是利用一雷射光源作為激發源，將其照射在發光二極體表面以產生一對應的光致螢光，並經由光學鏡組收光，再進入到光譜儀來分析其亮度與特定之波長；換言之，在磊晶未經切割封裝前，即應用光致螢光的原理，輔以光譜儀的量測與分析，來取得LED磊晶的光致螢光頻譜，一方面可供判定其磊晶的製程良率，也可供製造商判定製程條件是否落在規範內，以及預估最終成品的品質狀態。

目前，業界檢測LED磊晶的頻譜作法之一為：將傳統自動光學檢測（Automated Optical Inspection, AOI）的白光源改為外掛式雷射激發源（側打式），進行大面積激發待測工件，並輔以 X-Y平移台以實現大面積的測繪； 惟查，發光二極體表面受到一外掛雷射光源側向激發後，光學鏡組將收到一個大範圍區域內之晶粒同時產生光致螢光（約數百微米至數十毫米等級），這將造成一平均結果，使訊噪比（Signal-to-noise ratio, S/N）降低；即後續光譜儀所分析的頻譜特徵強度為一大面積下的平均值，雖然輔以 X-Y 平移台能取得待測工件大面積的光致螢光頻譜分佈圖，但由於量測結果為一平均值，因此該頻譜分佈圖往往僅能供作參考；此問題將在檢測Micro LED的晶粒時更顯嚴重，這是由於當檢測的目標為一微小晶粒時，平均一大面積下的頻譜數據將使欲檢測的晶粒頻譜特定強度因平均而下降，訊噪比（Signal-to-noise ratio, S/N）的降低，將使得該晶粒的頻譜特定強度辨識不易，進而影響後續的分析。

習知檢測LED磊晶頻譜的另一種作法為：將雷射激發光束導入一聚焦鏡組，聚焦雷射光斑後再激發於待測工件其小範圍區域內之晶粒，並輔以 X-Y 平移台以實現大面積測繪；惟查，將雷射激發光源導入一聚焦鏡組，雖能縮小激發光斑之大小（達到數十至數百微米），進而改善大面積下其頻譜特徵強度辨識不易的缺失，但實現大面積測繪仍採用傳統之 X-Y平移台，由於軸向位移的機構屬於機械式，其每一作動的位移速度慢，因此將影響待測工件的檢測速度。

習知檢測LED磊晶頻譜的又一種作法為：將某些架構改用電荷耦合器件（Charge-coupled device, CCD）而非使用光譜儀來分析待測工件的光致螢光頻譜；由於必須選用具特定波段的光學濾波片，以滿足不同待測工件其所需對應的光致螢光頻譜，因此勢必增加各式相對應的光學濾波片以供置換，進而造成設備購置成本的上升。

由於微發光二極體單位面積內的晶粒至少數以千計，且晶粒間之亮度品級亦有差別，故而微發光二極體採用習知大區域的檢測模式，將無法滿足其磊晶品級的管控；再者，僅用X-Y軸向位移的載台機構以實現大面積測繪者，其過長的檢測時間亦將無法滿足量產模式的需求；因此，如何以光致螢光進行快速且大面積小區域的掃描與判定，便成為本發明人所要思考發展的課題。

緣是，本發明之主要目的，係在應用振鏡掃描模組與量測載台的協同位移，並以光致螢光進行擇點掃描與記錄，使LED磊晶片達到精確分類之一種顯微光致螢光掃描與量測系統及其方法。

為達上述目的，本發明『用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統』包含：一雷射光源，以提供一雷射光束作為待測工件之激發光源；一量測載台，係位於該雷射光源之相對側，其具有一供放置待測工件之工作平台，且該工作平台至少可進行X、Y二個軸向之位移；一振鏡掃描模組，係設置於該工作平台之上方，且位於該雷射光束的傳遞途徑上，其具有一X-Y光學掃描鏡頭及光學反射鏡片，且藉由該光學反射鏡片的反射及X-Y光學掃描鏡頭的聚焦，進而實現雷射光斑的聚焦與產生對應的角度移轉，將使該雷射光束偏轉並聚焦在該待測工件其所欲的掃描點上，則該待測工件將產生一光致螢光的響應光束，並經該X-Y光學掃描鏡頭的收光與該光學反射鏡片的反射，以供進行響應光束之頻譜分析。

一視覺模組，係連結一第一分光鏡組，且該第一分光鏡組係位於該雷射光束與響應光束之傳遞途徑上，使該視覺模組可用以檢視該雷射光束投射於所欲的掃描點及該響應光束的相對位置狀態；一光譜儀，係連結一第二分光鏡組，且該第二分光鏡組係位於該雷射光束與響應光束之傳遞途徑上，使該光譜儀可用以記錄各掃描點的光譜訊號；以及一控制單元，係電性連接該量測載台、振鏡掃描模組、視覺模組、與該光譜儀。

藉此，待測工件放置於該工作平台上，藉由該視覺模組以檢視並調整相關構件之設定狀態，繼而該控制單元將驅使該X-Y光學掃描鏡頭與該位移機構協同位移，使該雷射光束對應地投射在所欲的掃描點上，並操作該光譜儀以記錄各掃描點所響應的光譜訊號， 進而完成大面積擇點掃描之量測作業。

依據前揭特徵，本發明中該雷射光源包括一雷射光機及光束轉折器，該光束轉折器係設置於該雷射光機其所投射雷射光束之傳遞途徑上，用以調整其雷射光束之反射方向。

依據前揭特徵，本發明中該該視覺模組包括一鏡頭及一CCD，該鏡頭與CCD係設置在該第一分光鏡組之上方，用以檢視該雷射光束與該響應光束的影像。

依據前揭特徵，本發明中該掃描與測繪量測的方法包括如下步驟：  a)將待測工件放置於該量測載台之工作平台上；b)藉由該視覺模組之檢視，驅使該控制單元驅動該量測載台進行歸零動作；c)藉由該視覺模組之檢視，驅使該控制單元驅動該工作平台位移，使該雷射光束對正該待測工件其所欲之掃描區域；d)該控制單元偏轉該振鏡掃描模組之光學反射鏡片，使該雷射光束偏轉並聚焦在該待測工件其所欲之掃描點；e)該控制單元驅動該光譜儀以記錄各掃描點的光譜訊號；f) 反覆進行步驟d與e，直到完成記錄所欲掃描區域內所有掃描點之光譜 訊號，接續執行步驟g；g)反覆進行步驟c至f，直到完成記錄該待測工件所有所欲掃描區域之光譜訊號，則執行步驟h；h)完成該工件之掃描。

藉助前揭特徵，本發明『用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統』，係應用量測載台進行所欲掃描區域之位移，再藉由該振鏡掃描模組進行區域內各點之擇點掃描；由於量測載台主要在進行大區域的移動，沒有高精度位移的要求，因此適用低成本的機械式位移機構；而區域內進行逐點的掃描，則應用振鏡掃描模組之X-Y光學掃描鏡頭的聚焦與光學反射鏡片的角度偏轉，將可達成精確位移與靈敏的反應速度；因此，透過量測載台與振鏡掃描模組的協同位移，本系統將可達到最佳的機構組合與快速量測的作業效益。

首先，本發明『用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統』如圖1～2所示，包含：一架體10；一雷射光源20，以提供一雷射光束L1作為待測工件M之激發光源，該雷射光源20包括一雷射光機21及光束轉折器22，係各別設置於該架體10上，且該光束轉折器22係設置於該雷射光機21其所投射雷射光束L1之傳遞途徑上，用以調整其雷 射光束L1之反射方向，並減少該雷射光源20之佔用空間；本實施例中該光束轉折器22係配置2台，因此雷射光束L1經過2次反射後才轉向水平方向投射，這種作法將使該雷射光源20佔用最少的空間，且使其雷射光束L1的調整更為靈活方便；一量測載台30，係設置於該架體10上，且位於該雷射光源20之相對側，其具有一可供放置待測工件M之工作平台31，及一可進行X、Y二個軸向位移之位移機構32；本實施例中該位移機構32更包括一Z軸之位移功能，使該工作平台31可配合雷射光束L1的投射焦距來升降其高度；由於該位移機構32之軸向位移功能係應用習知之技術，非本發明之主要訴求，其動作原理與方式則不再贅述；一振鏡掃描模組40，係設置於該架體10上且位於該工作平台31之上方，以及該雷射光束L1的傳遞途徑上，其具有一X-Y光學掃描鏡頭41及光學反射鏡片42，該雷射光束L1則藉由該光學反射鏡片42的反射，將其水平投射的方向轉向下方，再藉由該X-Y光學掃描鏡頭41的聚焦，進而實現雷射光斑的聚焦與產生對應的角度移轉，該雷射光束L1偏轉並聚焦在該待測工件M其所欲的掃描點上，則該待測工件M將產生一光致螢光的響應光束R1，並經該X-Y光學掃描鏡頭41的收光與該光學反射鏡片42的反射，使響應光束R1朝向水平方向傳遞，以供進行頻譜分析。

承上，一視覺模組50，係連結一設置於該架體10上之第一分光鏡組51，且該第一分光鏡組51係位於該雷射光束L1與響應光束R1之傳遞途徑上，使該視覺模組50可用以檢視該雷射光束L1投射於所欲之掃描點及該響應光束R1的位置與光斑狀態；該視覺模組50更包括一鏡頭52及一CCD53，且該鏡頭52與該CCD53係設置在該第一分光鏡組51之上方，用以擷取該響應光束R1的影像；本實施例中也可進一步連結一自動光學檢查裝置(AOI analysis)，以提升視覺檢視的精確度；一光譜儀60，係連結一設置於該架體10上之第二分光鏡組61，且該第二分光鏡組61係位於該雷射光束L1與響應光束R1之傳遞途徑上，使該光譜儀60可用以記錄各掃描點的光譜訊號；以及一控制單元70，係設置於該架體10上，且電性連接該量測載台30、振鏡掃描模組40、視覺模組50、與該光譜儀60。

藉此，待測工件M放置於該工作平台31上，該雷射光機21送出一雷射光束L1經該光束轉折器22轉向水平方向，再經該光學反射鏡片42的折射，使該水平方向的雷射光束L1轉向下方的工作平台31，藉由該視覺模組50以檢視並調整相關構件之設定狀態，繼而該控制單元70將驅使量測載台30之工作平台31進行所欲掃描區域之位移，掃描區域定位後，再藉由該振鏡掃描模組40之光學反射鏡片42進行角度偏轉，使該雷射光束L1逐一對應地投射在所欲之掃描點上，並操作該光譜儀60以記錄其所響應的光譜訊號，本實施例中該掃描區域內共計有9個掃描點，如圖3所示；圖中，每個正方形係表示該量測載台30位移後該X-Y光學掃描鏡頭41的掃描視野區域S，透過該光學反射鏡片42的個別偏轉，將使該雷射光束L1自左上角第1點至右下角第9點逐一對應地投射在所欲之掃描點P上，每一點的掃描其光致螢光的響應光束R1，將經由該X-Y光學掃描鏡頭41的收光與該光學反射鏡片42的反射，由該光譜儀60記錄其光譜訊號；當完成該掃描視野區域S中的各掃描點P之掃描與訊號之記錄後，該量測載台30將再一次的位移至新的掃描視野區域S，並逐一反覆進行各掃描點P之掃描與記錄，也可選擇性地擇點進行掃描與記錄，如此連續性地且逐一地在各掃描視野區域S反覆進行，進而完成大面積擇點掃描之量測作業。

本發明中該掃描與測繪量測的方法，如圖4所示；S101，首先將待測工件M放置於該量測載台30之工作平台31上；S102，藉由該視覺模組50之檢視，驅動該量測載台30進行歸零動作；S103，驅動該量測載台30位移，使該雷射光束L1對正該待測工件M其所欲之掃描區域；S104，偏轉該振鏡掃描模組40之光學反射鏡片42，使該雷射光束L1偏轉並聚焦在該待測工件M其所欲之掃描點；S105，驅動該光譜儀60以記錄該掃描點的光譜訊號；S106，判定區域內各點是否掃描完畢，若否則反覆進行S104～S106，若是則執行S107；S107，判定待測工件M其所有區域是否掃描完畢，若否則反覆進行S103～S107，若是則執行S108；S108，完成待測工件M之量測。

依照前述之作業程序，整理如下步驟，包括：a)將待測工件M放置於該量測載台30之工作平台31上；b)藉由該視覺模組50之檢視，驅使該控制單元70驅動該量測載台30進行歸零動作；c)藉由該視覺模組50之檢視，驅使該控制單元70驅動該工作平台31位移，使該雷射光束L1對正該待測工件M其所欲之掃描區域；d)該控制單元70偏轉該振鏡掃描模組40之光學反射鏡片42，使該雷射光束L1偏轉並聚焦在該待測工件M其所欲之掃描點；e)該控制單元70驅動該光譜儀60以記錄該掃描點的光譜訊號；f)反覆進行步驟d與e，直到完成記錄所欲掃描區域內所有掃描點之光譜訊號，接續執行步驟g；g)反覆進行步驟c至f，直到完成記錄該待測工件M所有所欲掃描區域之光譜訊號，則執行步驟h；h)完成該待測工件M之掃描。

本發明係應用量測載台30進行所欲掃描區域之位移，再藉由該振鏡掃描模組40進行區域內各點之掃描；由於量測載台30主要在進行大區域之移動，沒有高精度位移的要求，因此適用低成本的機械式位移機構；而區域內進行之逐點掃描，則應用振鏡掃描模組40之X-Y光學掃描鏡頭41的聚焦與光學反射鏡片42的角度偏轉，將可達成精確位移與靈敏的反應速度；因此，透過量測載台30與振鏡掃描模組40的協同位移，本系統將可達到最佳的機構組合與快速量測的作業效益。

綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請  鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。

惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。

10:架體 20:雷射光源 21:雷射光機 22:光束轉折器 30:量測載台 31:工作平台 32:位移機構 40:振鏡掃描模組 41:X-Y光學掃描鏡頭 42:光學反射鏡片 50:視覺模組 51:第一分光鏡組 52:鏡頭 53:CCD 60:光譜儀 61:第二分光鏡組 70:控制單元 L1:雷射光束 M:待測工件 P:掃描點 R1:響應光束 S:掃描視野區域

圖1：係本發明之量測系統示意圖。 圖2：係本發明之量測系統組合正視圖。 圖3：係本發明振鏡掃描模組之作業示意圖。 圖4：係本發明之量測方法程序圖。

20:雷射光源

30:量測載台

40:振鏡掃描模組

41:X-Y光學掃描鏡頭

42:光學反射鏡片

50:視覺模組

51:第一分光鏡組

60:光譜儀

61:第二分光鏡組

70:控制單元

Claims (4)

1. 一種用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統，包含： 一架體； 一雷射光源，係設置於該架體之一側，以提供一雷射光束作為 待測工件之激發光源； 一量測載台，係設置於該架體上，且位於該雷射光源之相對側；其具有一工作平台及位移機構，使供放置於該工作平台上之待測工件，至少可進行X、Y二個軸向之位移； 一振鏡掃描模組，係設置於該工作平台之上方，且位於該雷射  光束的傳遞途徑上，其具有一X-Y光學掃描鏡頭及光學反射鏡片，  且藉由該光學反射鏡片的反射及X-Y光學掃描鏡頭的聚焦，進而實  現雷射光斑的聚焦與產生對應的角度移轉，將使該雷射光束偏轉並聚焦在該待測工件其所欲的掃描點上，且令該雷射光束投射至該待測工件上將產生一光致螢光之響應光束，而該響應光束將進一步經該X-Y光學掃描鏡頭的收光與該光學反射鏡片的反射，以供進行頻譜分析； 一視覺模組，係連結一設置於該架體上之第一分光鏡組，且該 第一分光鏡組係位於該雷射光束與響應光束之傳遞途徑上，使該視 覺模組可用以檢視該雷射光束投射於所欲掃描位置及該響應光束的 相對位置狀態； 一光譜儀，係連結一設置於該架體上之第二分光鏡組，且該第 二分光鏡組係位於該雷射光束與響應光束之傳遞途徑上，使該光譜 儀可用以記錄各掃描點的光譜訊號； 一控制單元，係設置於該架體上，且電性連接該量測載台、振鏡掃描模組、視覺模組、與該光譜儀； 藉此，待測工件放置於該工作平台上，藉由該視覺模組以檢視並調整相關構件之設定狀態，繼而該控制單元將驅使該X-Y光學掃描鏡頭與該位移機構協同位移，使該雷射光束對應地投射在所欲的掃描點上，並操作該光譜儀以記錄各掃描點所響應的光譜訊號，進而完成大面積擇點掃描之量測作業。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統，其中，該雷射光源包括一雷射光機及光束轉折器，該光束轉折器係設置於該雷射光機其所投射雷射光束之傳遞途徑上，用以調整其雷射光束之反射方向。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統，其中，該視覺模組包括一鏡頭及一CCD，該鏡頭 與該CCD係設置在該第一分光鏡組之上方，用以檢視該雷射光束與該響應光束的影像。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於大面積顯微光致螢光掃描與測繪量測的系統，其掃描與測繪量測的方法包括如下步驟： a)將待測工件放置於該量測載台之工作平台上； b)藉由該視覺模組之檢視，驅使該控制單元驅動該量測載台進行歸零動作； c)藉由該視覺模組之檢視，驅使該控制單元驅動該工作平台位移，使該雷射光束對正該待測工件其所欲之掃描區域； d)該控制單元偏轉該振鏡掃描模組之光學反射鏡片，使該雷射光束偏轉並聚焦在該待測工件其所欲之掃描點； e)該控制單元驅動該光譜儀以記錄各掃描點的光譜訊號； f)反覆進行步驟d與e，直到完成記錄所欲掃描區域內所有掃描點之光譜訊號，接續執行步驟g； g)反覆進行步驟c至f，直到完成記錄該待測工件所有所欲掃描區域之光譜訊號，則執行步驟h； h)完成該工件之掃描。

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