CN111443073B - 一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置及其方法。本发明将多面棱镜与CCD面阵探测器结合，从而将一维排列的光斑阵列采用二维面阵的CCD面阵探测器接收，得到每一个光斑的光谱分布，不需要复杂的激光频率调制和信号解调技术，即能够得到光学性质和电学性质，极大地提高扫描速度；采用布儒斯特角入射、双柱面透镜光束整形以及棱镜分光计减少光栅引起的次峰杂散谱，使得杂散谱的抑制水平显著提升；将光致发光检测和拉曼检测结合，光致发光检测提供发光波长和亮度信息，拉曼检测给出电学性质，弥补了光致发光检测准确度不足的问题。

Description

一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置及其 方法
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置及其检测方法。
背景技术
目前发光二极管(LED)芯片微缩化趋势明显，在显示领域micro LED的芯片尺寸减小到50微米以下，相比于LCD和OLED在亮度、分辨率、能耗和响应速度等方面都有着明显的优势。为保证micro LED芯片的生产良率，检测是至关重要的环节，通常LED芯片检测的主要参数包括主波长、亮度、正向偏压、反向漏电、短路和断路等。光致发光(Photoluminescence；PL)扫描绘图(mapping)技术是常用的检测方法，光致发光检测能够直接给出micro LED芯片的发光波长和亮度信息，但缺乏对LED芯片的电学性能的判断，因此需要将光致发光检测与其他检测手段结合来提高检测的准确性。由于micro LED芯片尺寸降低到50μm以下，单个显示屏芯片数量增加到上百万到千万量级，而目前相应的LED芯片检测技术在分辨率和检测速度方面难以达到要求。因此目前需要一种快速、准确且分辨率高的检测手段来满足micro LED芯片的检测需求。
拉曼光谱记录了物质结构中的电子跃迁信息，这种跃迁与分子振动、转动有直接的联系，被测物质的温度、应力等均会引起分子振动、转动的变化，这些变化会直接在拉曼光谱中反应出来。因此拉曼光谱是研究物质结构的一种常用光谱，拉曼检测技术已经广泛用于制药、集成电路等工业产线上的半成品或成品的应力、组分、结构、温度测量。拉曼检测不需要对样品进行前处理，具有灵敏度高、操作简便、高速测量、无损伤、指纹谱等优点。显微拉曼光谱仪(μ-Raman)将拉曼光谱仪和光学显微镜相结合，能够将空间分辨率有效地提高到微米量级。
由于拉曼散射信号微弱，其散射强度一般为入射光强度的10-10，因此排除杂散光对拉曼信号的影响尤为重要。杂散光包含非激发光波长的光、瑞利光以及光致发光等，其中瑞利光和光致发光的强度均是拉曼散射光强度的106倍以上。通过照明光路的光阑、滤光片以及收集光路中的陷波滤光片可以去除大部分的非激发光波长的光及瑞利光等。由于拉曼频移不随激发波长的变化而改变，因此可以通过改变激发波长来消除光致发光的影响。但是内光路使用光栅分光计，低波数区仍然存在强烈的由瑞利散射次峰导致强烈杂散谱(J.Raman Spect.49,1968-1971(2018))。这种由光栅本征特征引起的杂散光在商用机器中没有有效的消除，导致在拉曼位移100cm-1以下的信噪比较差。
事实上在共焦显微镜中，激光扫描场的宽度经常小于物镜的光场，两者尺寸相差10倍左右，日本Horiba公司利用激光束的倾斜角(1°-3°)，较大地拓展了扫描的光场范围(CN201580032163.3)，这种改进可以有效提高测试范围，减少测量时间。实际应用中，被扫描样品的平整度也会影响共焦显微的质量。德国Witec公司使用两个照明光源同时分别用于形貌和拉曼信号测量，从而提高拉曼显微成像的质量(CN201880015168.6)。针对共焦显微镜较低的单点扫描速度，各种并行扫描的方法被提出。苏州医工所利用四束偏振光以及微透镜阵列得到的阵列光斑照射样品，同时利用面阵探测器接收样品反射和散射光信号，实现并行显微成像(CN201710266286.1，CN201710266273.4)。上海理工大学使用多面体棱镜产生一维的光斑阵列，使用多面棱锥镜形成二维光斑阵列，同时使用频率调制解调技术获得各个焦点激发的拉曼信号(CN201810712095.8)，根据他们的结果光斑N个，成像速度将提高N倍。华中科技大学还提出了一种线扫的共焦显微成像技术，通过柱透镜形成线状光斑，通过线阵相机探测，成像速度可以达到100帧/秒(CN201810252673.4)。多焦点并行成像方法的一些混叠信号处理算法也被提出(CN201910774263.0，CN201710439347.X)，用以甄别不同的焦点照明所得的信息，从而构造样本的三维信息。不过多焦点并行成像的方法并没有使用到共焦拉曼光谱仪器中，目前商用仪器的帧速迄待大幅提升。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置及其检测方法。
本发明的一个目的在于提出一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置。
micro LED芯片阵列是LED芯片单元周期排列的二维阵列，每一个micro LED芯片单元在50μm以下，micro LED芯片阵列在英寸量级，用于激发拉曼和光致发光信号的光斑在微米量级，扫描振镜的扫描范围为百微米量级，由扫描振镜的扫描范围将micro LED芯片阵列分成多个二维排列的帧。
本发明采用斯托克斯拉曼结合荧光测量或者采用反斯托克斯拉曼结合荧光测量，micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置包括：激光器、第一空间滤波器、多面棱镜、第一分束片、扫描振镜、物镜、XYZ三维高速样品台、控制系统、光路切换装置、目镜、CCD摄像机、第二空间滤波器、纵向柱透镜、横向柱透镜、第二分束片和多通道光谱仪；其中，控制系统分别连接至激光器、光路切换装置、扫描振镜、CCD摄像机、XYZ三维高速样品台和多通道光谱仪；多通道光谱仪包括第一通道和第二通道；第一通道包括第一棱镜分光计和第一CCD面阵探测器，第二通道包括第二棱镜分光计和第二CCD面阵探测器；激光器发出平行的激发光，激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm，或者激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20nm以内；激发光经第一空间滤波器去除杂散光，经多面棱镜变成多束角度不同的平行光，经第一分束片后再通过扫描振镜，由物镜聚焦，形成多个一维排列的光斑；micro LED芯片阵列作为样品放置在XYZ三维高速样品台上；一维排列的光斑阵列的激发光以布儒斯特角入射到样品上，平行于偏振面的激光全部透射进入样品，减少了反射光的损耗，从而激发拉曼光，并且光致发光产生荧光，一维排列的光斑阵列同时照射到多个micro LED芯片单元上，产生的拉曼光和荧光也为一维排列的光斑阵列；荧光和拉曼光进入物镜，再经过扫描振镜和第一分束片后，通过光路切换装置控制，由目镜收集进入至CCD摄像机，观察样品的表面形态；或者，荧光和拉曼光通过光路切换装置控制，经过第二空间滤波器滤除杂散光后，依次经过纵向柱透镜和横向柱透镜对光斑进行整形，变成矩形的光斑，经第二分束片分成方向不同的两束光，之后两束光分别进入多通道光谱仪的第一通道和第二通道；第一束光经第一棱镜分光计进行分光，只保留荧光，并由第一CCD面阵探测器接收；荧光为一维排列的光斑阵列，第一CCD面阵探测器为二维排列的像素，荧光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到荧光的每一个波长以及对应的亮度信息，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱，第一CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱；如果激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm，则采用斯托克斯拉曼结合荧光测量，第二束光经第二棱镜分光计进行分光，只保留斯托克斯拉曼光，由于激发光的波长小于其所激发样品产生的荧光的波长20～40nm，同时斯托克斯拉曼光的波长在激发光波长的30nm以内，因此能够将荧光与斯托克斯拉曼光的光谱分开，由第二CCD面阵探测器接收；或者，如果激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20nm以内，则采用反斯托克斯拉曼结合荧光测量，第二束光经第二棱镜分光计进行分光，只保留反斯托克斯拉曼光，由于激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长，同时反斯托克斯拉曼光的波长小于激发光波长，从而能够将荧光与反斯托克斯拉曼光的光谱分开，由第二CCD面阵探测器接收；拉曼光为一维排列的光斑阵列，第二CCD面阵探测器为二维排列的像素，拉曼光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到拉曼光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的拉曼光光谱，第二CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的拉曼光光谱；通过控制扫描振镜，一维排列的光斑阵列的激发光完成所对应的多个micro LED芯片单元的扫描，进一步控制扫描振镜，一维排列的光斑阵列的激发光完成micro LED芯片阵列的一帧的扫描，然后控制XYZ三维高速样品台，实现对micro LED芯片阵列的下一帧的扫描，从而完成对microLED芯片阵列的扫描，得到micro LED芯片阵列的荧光光谱和拉曼光谱，通过荧光光谱得到光学性质，通过拉曼光谱得到电学性质，并根据光学性质和电学性质对micro LED芯片阵列进行分类。
激光器采用半导体激光器，以保证激发光的波长在近紫外至可见光区连续可调。所述激光器能够同时激发并能区分荧光光谱和拉曼光谱，拉曼光的光谱在激发光光谱的30nm以内，选择激发光的波长小于荧光的波长的20～40nm，从而使得拉曼光的光谱与荧光的光谱能够分开。考虑到共振拉曼谱，激光器的光子能量要在电子能级附近，例如对于GaN的共振拉曼激发，激发光的波长需在338nm左右，如果要测量发光在460nm的InGaN共振拉曼，激发光的波长在421nm左右。若测量反斯托克斯共振拉曼峰，所需的激光的波长能够更靠近材料荧光的波长，因为反斯托克斯拉曼散射光子能量高于荧光的光子能量，不受荧光的干扰。
第一空间滤波器包括第一透镜、第一滤光狭缝和第二透镜；平行的激发光由第一透镜汇聚至第一滤光狭缝处，第一滤光狭缝去除杂散光，再经第二透镜汇聚成平行光出射。第二空间滤波器包括第三透镜、第二滤光狭缝和第四透镜；平行的激发光由第三透镜汇聚至第二滤光狭缝处，第二滤光狭缝去除杂散光，再经第四透镜汇聚成平行光出射。
扫描振镜包括X轴振镜、Y轴振镜和平场透镜，Z激发光光束依次经过X轴振镜、Y轴振镜和平场透镜后出射，从而分别沿X轴和Y轴扫描。商用的共焦显微拉曼仪器采用了振镜技术，扫描速度有所提高，但是因为拉曼光谱仪器灵敏度的问题，典型的速度为几分钟每帧，在这种速度下若一个小时20帧，而10倍激光扫描光场的范围典型为400μm×400μm，则检测micro LED单元的数量大约15×15＝225只/帧，每小时能够测量的数量是4.5K只，远远不能满足micro LED阵列巨量测试的需求。
扫描振镜和三维高速位移台能够逐点快速自动调节光斑和样品位置，实现逐点光激发和收集。一般地，共焦显微镜提供光源和收集点的共轭，减少焦外的杂散光。扫描振镜对视场内的点进行快速扫描，扫描速度一般需要大于每秒10帧(500像素×500像素)，使得一小时可检测的micro LED数量可以达到810万只。XY位移方向移动样品的位置，一般步长是移动一帧样品对应的距离，Z方向可以对焦点位置进行调节，或对样品进行分层扫描。样品表面形貌的聚焦可以通过增加1种照明光源用于z方向的自动微调。
本发明采用多面棱镜结合CCD面阵探测器阵，帧扫描速度能够达到10帧/秒，大大提高扫描速度。虽然电光偏转器可以达到1000帧/秒的速度，但是鉴于拉曼信号微弱和增强技术的困难，更大的扫描速率意味着更小的测试积分时间，拉曼信号信噪比将变差。
多面棱镜采用多面柱体棱镜，具有底面和多个棱面；入射面为底面，出射面具有N个倾斜角度不同的平面，从而变成N束角度不同的平行光，从而将扫描速度提高N倍，N为10～20的自然数，均匀分布在激光扫描场(DuoScan)内(注意不是物镜光场)。这样每小时检测的LED单元的数量能够在原810万只的基础上增加10～20倍达到1亿只，即能够测量4～5片6英寸的micro LED芯片阵列上的所有LED单元。使用一维阵列的一个考虑是采用多面棱镜得到，多面棱镜很容易精确加工；另一个要素是能够通过二维的CCD面阵探测器阵得到一维排列的光斑阵列的光谱。10～20的光斑数足以保证光斑之间距离足够大，在CCD面阵探测器上不存在相互干扰。相比文献CN201810712095.8，本发明将多面棱镜与CCD面阵探测器结合，从而将一维排列的光斑阵列采用二维面阵的CCD面阵探测器接收，得到每一个光斑的光谱分布，不需要复杂的激光频率调制和信号解调技术，即能够得到光学性质和电学性质。并且采用第一CCD面阵探测器和第二CCD面阵探测器分别接收荧光和拉曼光，以防CCD面阵探测器在同时测量荧光和拉曼光时出现饱和。
光路切换装置采用可移动反射镜，当反射镜移出光路，荧光和拉曼光由目镜收集进入至CCD摄像机；当反射镜以45°放置在光路中，荧光和拉曼光进入多通道光谱仪。
纵向柱透镜和横向柱透镜均采用柱透镜，二者的光轴互相垂直，并都垂直于光路，从而对光斑进行整形，整形后的光斑为矩形。整形后的光斑，再通过棱镜分光计后，正好完全落在CCD面阵探测器上。
多通道光谱仪中采用棱镜分光计而摒弃光栅，从而消除光栅光谱仪中的光栅所造成的次峰杂散谱。
商用的共焦显微拉曼光谱仪已经在陷波滤波片、焦点追踪、倾斜激光束、多级单色仪等方向已经做了许多的工作，成像质量得到了显著的改善，杂散光抑制水平达到50cm-1左右。不同于现有的商用仪器，本发明的激发光采用多焦点并行测量方案，入射光束角度有一定的1～3°的偏转，以保证激光扫描场(DuoScan)范围增加，提高测试速度。以布儒斯特斯特角入射使得平行偏振面的激发光全部进入样品，散射光被物镜收集至探测光路，从而减少激发光对整个光路的影响。进一步，本发明通过双柱面透镜把圆形的散射光斑整形成矩形，提高收集光路的效率，减少杂散光。并且，还采用长焦距的棱镜分光计代替现有的光栅分光系统，彻底消灭源自光栅次峰的杂散谱，从而大大提高拉曼散射信噪比。
本发明的另一个目的在于提出一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测方法。
本发明的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测方法，采用斯托克斯拉曼结合荧光测量或者采用反斯托克斯拉曼结合荧光测量，包括以下步骤：
1)激光器发出平行的激发光，激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm，或者激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20nm以内；
2)激发光经第一空间滤波器去除杂散光，经多面棱镜变成多束角度不同的平行光，之后经过第一分束片；
3)多束角度不同的平行光经扫描振镜，由物镜聚焦，形成多个一维排列的光斑；
4)micro LED芯片阵列作为样品位于物镜的焦平面放置在XYZ三维高速样品台上；一维排列的光斑阵列的激发光以布儒斯特角入射到样品上，所有平行于偏振面的激发光都透射到样品的内部而不是由表面反射，从而激发拉曼光，并且光致发光产生荧光，一维排列的光斑阵列同时照射到多个micro LED芯片单元上，产生的拉曼光和荧光也为一维排列的光斑阵列；
5)荧光和拉曼光返回物镜，再依次经过扫描振镜和第一分束片，通过光路切换装置控制，由目镜收集进入至CCD摄像机，观察样品的表面形态；
6)或者，荧光和拉曼光通过光路切换装置控制，经过第二空间滤波器滤除杂散光后，依次经过纵向柱透镜和横向柱透镜对光斑进行整形，变成矩形的光斑；
7)经第二分束片分成方向不同的两束光，两束光分别进入多通道光谱仪的第一通道和第二通道；
8)第一束光经第一棱镜分光计进行分光，只保留荧光，保留的荧光由第一CCD面阵探测器接收；荧光为一维排列的光斑阵列，第一CCD面阵探测器为二维排列的像素，荧光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到荧光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的microLED芯片单元的扫描位置的荧光光谱，第一CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱；
9)如果激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm，则采用斯托克斯拉曼结合荧光测量，第二束光经第二棱镜分光计进行分光，只保留斯托克斯拉曼光，由于激发光的波长小于其所激发样品产生的荧光的波长20～40nm，同时斯托克斯拉曼光的波长在激发光波长的30nm以内，因此能够将荧光与斯托克斯拉曼光的光谱分开，由第二CCD面阵探测器接收；
或者，如果激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20nm以内，则采用反斯托克斯拉曼结合荧光测量，第二束光经第二棱镜分光计进行分光，只保留反斯托克斯拉曼光，由于激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长，同时反斯托克斯拉曼光的波长小于激发光波长，从而能够将荧光与反斯托克斯拉曼光的光谱分开，由第二CCD面阵探测器接收；
10)拉曼光为一维排列的光斑阵列，第二CCD面阵探测器为二维排列的像素，拉曼光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到拉曼光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的拉曼光光谱，第二CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的拉曼光光谱；
11)通过控制扫描振镜，重复步骤1)～10)，一维排列的光斑阵列的激发光完成所对应的多个micro LED芯片单元的扫描；
12)进一步控制扫描振镜，重复步骤1)～11)，一维排列的光斑阵列的激发光完成micro LED芯片阵列的一帧的扫描；
13)通过控制XYZ三维高速样品台，将样品移到下一帧，重复步骤1)～12)，从而完成对micro LED芯片阵列的扫描，得到micro LED芯片阵列的荧光光谱和拉曼光谱；
14)通过荧光光谱得到光学性质，通过拉曼光谱得到电学性质，并根据光学性质和电学性质对micro LED芯片阵列进行分类。
本发明的优点：
本发明将多面棱镜与CCD面阵探测器结合，从而将一维排列的光斑阵列采用二维面阵的CCD面阵探测器接收，得到每一个光斑的光谱分布，不需要复杂的激光频率调制和信号解调技术，即能够得到光学性质和电学性质，极大地提高扫描速度；采用低于光致发光峰值20～40nm的激发光或者反斯托克斯拉曼测量消除光致发光的影响；采用布儒斯特角入射、双柱面透镜光束整形并采用棱镜分光计减少光栅引起的次峰杂散谱，使得杂散谱的抑制水平显著提升；将光致发光检测和拉曼检测结合，光致发光检测提供发光波长和亮度信息，拉曼检测给出电学性质，弥补了光致发光检测准确度不足的问题。
附图说明
图1为本发明的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置的一个实施例的结构框图；
图2为本发明的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置的扫描振镜的示意图；
图3为本发明的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置的多通道光谱仪的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
在本实施例中，采用斯托克斯拉曼结合荧光测量。一般的拉曼测试针对的是振动的斯托克斯峰的测量，测试样品拉曼散射的光子波长高于入射光波长30nm以内。
在本实施例中，micro LED芯片阵列为一片6英寸的外延片，制备得到20μm尺寸的LED芯片单元约2千万只。设定每一帧的扫描范围为400μm×400μm，则一帧有20×20个＝400个LED芯片单元，单点扫描帧速为10帧/秒，若采用一维激光点阵照明，激发光为20个光斑，则帧速达到200帧/秒。1秒可测LED芯片单元数达到8万只，1小时可以达到2.88亿只，能够测量14片以上的6英寸micro LED芯片阵列，远高于现有的EL逐点测量的速度。
如图1所示，本实施例的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置包括：激光器、第一空间滤波器、多面棱镜、第一分束片、扫描振镜、物镜、XYZ三维高速样品台、控制系统、光路切换装置、目镜、CCD摄像机、第二空间滤波器、纵向柱透镜、横向柱透镜、第二分束片、第一棱镜分光计、第一CCD面阵探测器、第二棱镜分光计和第二CCD面阵探测器；其中，控制系统分别连接至激光器、光路切换装置、扫描振镜、CCD摄像机、XYZ三维高速样品台和多通道光谱仪的第一和第二CCD面阵探测器；激光器发出平行的激发光，激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm；激发光经第一空间滤波器去除杂散光，经多面棱镜变成多束角度不同的平行光，之后经过第一分束片；多束角度不同的平行光经扫描振镜，由物镜聚焦，形成多个一维排列的光斑；micro LED芯片阵列作为样品位于物镜的焦平面放置在XYZ三维高速样品台上；一维排列的光斑阵列的激发光以布儒斯特角入射到样品上，所有平行于偏振面的激发光都透射到样品的内部而不是由表面反射，从而激发拉曼光，并且光致发光产生荧光，一维排列的光斑阵列同时照射到多个micro LED芯片单元上，产生的拉曼光和荧光也为一维排列的光斑阵列；由于激发光的波长小于其所激发样品产生的荧光的波长20～40nm，同时斯托克斯拉曼光的波长在激发光波长的30nm以内，从而能够将荧光与斯托克斯拉曼光的光谱分开；荧光和拉曼光由物镜吸收，再依次经过扫描振镜和第一分束片，通过光路切换装置控制，光路切换装置采用可移动反射镜，由目镜收集进入至CCD摄像机，观察样品的表面形态；或者，荧光和拉曼光通过光路切换装置控制，经过第二空间滤波器滤除杂散光后，依次经过纵向柱透镜和横向柱透镜对光斑进行整形，变成矩形的光斑，经第二分束片分成方向不同的两束光，之后两束光分别进入多通道光谱仪的第一通道和第二通道；第一通道包括第一棱镜分光计和第一CCD面阵探测器，第二通道包括第二棱镜分光计和第二CCD面阵探测器；第一束光经第一棱镜分光计进行分光，保留荧光并去除拉曼光等其他光，保留的荧光由第一CCD面阵探测器接收；荧光为一维排列的光斑阵列，第一CCD面阵探测器为二维排列的像素，荧光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到荧光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱，第一CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱；第二束光经第二棱镜分光计进行分光，保留斯托克斯拉曼光并去除荧光等其他光，保留的斯托克斯拉曼光由第二CCD面阵探测器接收；斯托克斯拉曼光为一维排列的光斑阵列，第二CCD面阵探测器为二维排列的像素，斯托克斯拉曼光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到斯托克斯拉曼光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的斯托克斯拉曼光光谱，第二CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的斯托克斯拉曼光光谱；通过控制扫描振镜，一维排列的光斑阵列的激发光完成所对应的多个LED芯片单元的扫描，进一步控制扫描振镜，一维排列的光斑阵列的激发光完成micro LED芯片阵列的一帧的扫描，然后控制XYZ三维高速样品台，实现对micro LED芯片阵列的下一帧的扫描，从而完成对micro LED芯片阵列的扫描，得到micro LED芯片阵列的荧光光谱和斯托克斯拉曼光谱，通过荧光光谱得到光学性质，通过斯托克斯拉曼光谱得到电学性质，并根据光学性质和电学性质对micro LED芯片阵列进行分类。
如图2所示，扫描振镜包括X轴振镜261、Y轴振镜262和平场透镜263。
一般情况下荧光强度是拉曼光的100万倍，其探测的灵敏度和杂散光的抑制要求差异较大。如图3所示，激发光激发的荧光和拉曼光经第二分束片分别进入荧光测试通道和拉曼光测试通道。第二分束片根据荧光和拉曼光的光强比值来进行光的分配，并且控制系统根据荧光和拉曼光的光强比值设定不同的积分时间。若仅有电子能级的共振，拉曼光光强比荧光弱103～104以上，拉曼测试的散射光通量及积分时间的乘积也需达到荧光测量的103～104倍。若是表面等离激元共振，拉曼光的强度增强至荧光强度相同量级或更高,不需要考虑增加拉曼光的通量或积分时间。
实施例2
在本实施例中，采用反斯托克斯拉曼结合荧光测量。反斯托克斯拉曼测试针对的是振动的反斯托克斯峰的测量，测试样品拉曼散射的光子波长小于激发光波长。反斯托克斯拉曼散射强度比斯托克斯拉曼强度低一个量级，但是因为光谱范围避开了光致发光的范围，可以显著提高信噪比。
在本实施例中，micro LED芯片阵列为一片6英寸的外延片，制备得到20μm尺寸的LED芯片单元约2千万只。设定每一帧的扫描范围为400μm×400μm，则一帧有20×20个＝400个LED芯片单元，单点扫描帧速为10帧/秒，若采用一维激光点阵照明，激发光为20个光斑，则帧速达到200帧/秒。1秒可测LED芯片单元数达到8万只，1小时可以达到2.88亿只，能够测量14片以上的6英寸micro LED芯片阵列，远高于现有的EL逐点测量的速度。
如图1所示，本实施例的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置包括：激光器、第一空间滤波器、多面棱镜、第一分束片、扫描振镜、物镜、XYZ三维高速样品台、控制系统、光路切换装置、目镜、CCD摄像机、第二空间滤波器、纵向柱透镜、横向柱透镜、第二分束片、第一棱镜分光计、第一CCD面阵探测器、第二棱镜分光计和第二CCD面阵探测器；其中，控制系统分别连接至激光器、光路切换装置、扫描振镜、CCD摄像机、XYZ三维高速样品台和多通道光谱仪；激光器发出平行的激发光，激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长；激发光经第一空间滤波器去除杂散光，经多面棱镜变成多束角度不同的平行光，之后经过第一分束片；多束角度不同的平行光经扫描振镜，由物镜聚焦，形成多个一维排列的光斑；micro LED芯片阵列作为样品位于物镜的焦平面放置在XYZ三维高速样品台上；一维排列的光斑阵列的激发光以布儒斯特角入射到样品上，所有平行于偏振面的激发光都透射到样品的内部而不是由表面反射，从而激发拉曼光，并且光致发光产生荧光，一维排列的光斑阵列同时照射到多个micro LED芯片单元上，产生的拉曼光和荧光也为一维排列的光斑阵列；由于激发光的波长小于其所激发样品产生的荧光的波长，同时反斯托克斯拉曼光的波长小于激发光波长，从而能够将荧光与反斯托克斯拉曼光的光谱分开；荧光和拉曼光由物镜吸收，再依次经过扫描振镜和第一分束片，通过光路切换装置控制，光路切换装置采用可移动反射镜，由目镜收集进入至CCD摄像机，观察样品的表面形态；或者，荧光和拉曼光通过光路切换装置控制，经过第二空间滤波器滤除杂散光后，依次经过纵向柱透镜和横向柱透镜对光斑进行整形，变成矩形的光斑，经第二分束片分成方向不同的两束光，之后两束光分别进入多通道光谱仪的第一通道和第二通道；第一通道包括第一棱镜分光计和第一CCD面阵探测器，第二通道包括第二棱镜分光计和第二CCD面阵探测器；第一束光经第一棱镜分光计进行分光，保留荧光并去除拉曼光等其他光，保留的荧光由第一CCD面阵探测器接收；荧光为一维排列的光斑阵列，第一CCD面阵探测器为二维排列的像素，荧光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到荧光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱，第一CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱；第二束光经第二棱镜分光计进行分光，保留反斯托克斯拉曼光并去除荧光等其他光，保留的反斯托克斯拉曼光由第二CCD面阵探测器接收；反斯托克斯拉曼光为一维排列的光斑阵列，第二CCD面阵探测器为二维排列的像素，拉曼光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到反斯托克斯拉曼光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的反斯托克斯拉曼光光谱，第二CCD面阵探测器同时得到多个对应的microLED芯片单元的扫描位置的反斯托克斯拉曼光光谱；通过控制扫描振镜，一维排列的光斑阵列的激发光完成所对应的多个LED芯片单元的扫描，进一步控制扫描振镜，一维排列的光斑阵列的激发光完成micro LED芯片阵列的一帧的扫描，然后控制XYZ三维高速样品台，实现对micro LED芯片阵列的下一帧的扫描，从而完成对micro LED芯片阵列的扫描，得到microLED芯片阵列的荧光光谱和反斯托克斯拉曼光谱，通过荧光光谱得到光学性质，通过反斯托克斯拉曼光谱得到电学性质，并根据光学性质和电学性质对micro LED芯片阵列进行分类。
一般情况下反斯托克斯拉曼光强度比普通斯托克斯拉曼光低一个量级，荧光强度是反斯托克斯拉曼光的100万倍以上，其探测的灵敏度和杂散光的抑制要求差异较大。如图3所示，激发光激发的荧光和拉曼光经第二分束片分别进入荧光测试通道和拉曼光测试通道。第二分束片根据荧光和反斯托克斯拉曼光的光强比值来进行光的分配，并且控制系统根据荧光和反斯托克斯拉曼光拉曼光的光强比值设定不同的积分时间。若仅有电子能级的共振，反斯托克斯拉曼光光强比荧光弱104～105以上，但是因为反斯托克斯拉曼光信噪比的提高，拉曼测试的散射光通量及积分时间的乘积可以小于荧光测量的103～104倍。若是表面等离激元共振，拉曼光的强度增强至荧光强度相同量级或更高，不需要考虑增加拉曼光的通量或积分时间。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置，其特征在于，采用斯托克斯拉曼结合荧光测量或者采用反斯托克斯拉曼结合荧光测量，所述micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置包括：激光器、第一空间滤波器、多面棱镜、第一分束片、扫描振镜、物镜、XYZ三维高速样品台、控制系统、光路切换装置、目镜、CCD摄像机、第二空间滤波器、纵向柱透镜、横向柱透镜、第二分束片和多通道光谱仪；其中，控制系统分别连接至激光器、光路切换装置、扫描振镜、CCD摄像机、XYZ三维高速样品台和多通道光谱仪；多通道光谱仪包括第一通道和第二通道；第一通道包括第一棱镜分光计和第一CCD面阵探测器，第二通道包括第二棱镜分光计和第二CCD面阵探测器；激光器发出平行的激发光，激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm，或者激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20nm以内；激发光经第一空间滤波器去除杂散光，经多面棱镜变成多束角度不同的平行光，经第一分束片后再通过扫描振镜，由物镜聚焦，形成多个一维排列的光斑；micro LED芯片阵列作为样品放置在XYZ三维高速样品台上；一维排列的光斑阵列的激发光以布儒斯特角入射到样品上，平行于偏振面的激光全部透射进入样品，减少了反射光的损耗，从而激发拉曼光，并且光致发光产生荧光，一维排列的光斑阵列同时照射到多个micro LED芯片单元上，产生的拉曼光和荧光也为一维排列的光斑阵列；荧光和拉曼光进入物镜，再经过扫描振镜和第一分束片后，通过光路切换装置控制，由目镜收集进入至CCD摄像机，观察样品的表面形态；或者，荧光和拉曼光通过光路切换装置控制，经过第二空间滤波器滤除杂散光后，依次经过纵向柱透镜和横向柱透镜对光斑进行整形，变成矩形的光斑，经第二分束片分成方向不同的两束光，之后两束光分别进入多通道光谱仪的第一通道和第二通道；第一束光经第一棱镜分光计进行分光，只保留荧光，并由第一CCD面阵探测器接收；荧光为一维排列的光斑阵列，第一CCD面阵探测器为二维排列的像素，荧光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到荧光的每一个波长以及对应的亮度信息，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱，第一CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱；对于激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm，则采用斯托克斯拉曼结合荧光测量，第二束光经第二棱镜分光计进行分光，只保留斯托克斯拉曼光，由于激发光的波长小于其所激发样品产生的荧光的波长20～40nm，同时斯托克斯拉曼光的波长在激发光波长的30nm以内，因此能够将荧光与斯托克斯拉曼光的光谱分开，由第二CCD面阵探测器接收；或者，对于激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20nm以内，则采用反斯托克斯拉曼结合荧光测量，第二束光经第二棱镜分光计进行分光，只保留反斯托克斯拉曼光，由于激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长，同时反斯托克斯拉曼光的波长小于激发光波长，从而能够将荧光与反斯托克斯拉曼光的光谱分开，由第二CCD面阵探测器接收；拉曼光为一维排列的光斑阵列，第二CCD面阵探测器为二维排列的像素，拉曼光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到拉曼光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的拉曼光光谱，第二CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的拉曼光光谱；通过控制扫描振镜，一维排列的光斑阵列的激发光完成所对应的多个micro LED芯片单元的扫描，进一步控制扫描振镜，一维排列的光斑阵列的激发光完成micro LED芯片阵列的一帧的扫描，然后控制XYZ三维高速样品台，实现对microLED芯片阵列的下一帧的扫描，从而完成对micro LED芯片阵列的扫描，得到micro LED芯片阵列的荧光光谱和拉曼光谱，通过荧光光谱得到光学性质，通过拉曼光谱得到电学性质，并根据光学性质和电学性质对micro LED芯片阵列进行分类。
2.如权利要求1所述的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置，其特征在于，所述第一空间滤波器包括第一透镜、第一滤光狭缝和第二透镜；平行的激发光由第一透镜汇聚至第一滤光狭缝处，第一滤光狭缝去除杂散光，再经第二透镜汇聚成平行光出射。
3.如权利要求1所述的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置，其特征在于，所述第二空间滤波器包括第三透镜、第二滤光狭缝和第四透镜；平行的激发光由第三透镜汇聚至第二滤光狭缝处，第二滤光狭缝去除杂散光，再经第四透镜汇聚成平行光出射。
4.如权利要求1所述的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置，其特征在于，所述扫描振镜包括X轴振镜、Y轴振镜和平场透镜，Z激发光光束依次经过X轴振镜、Y轴振镜和平场透镜后出射，从而分别沿X轴和Y轴扫描。
5.如权利要求1所述的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置，其特征在于，所述多面棱镜采用多面柱体棱镜，具有底面和多个棱面；入射面为底面，出射面具有N个倾斜角度不同的平面，从而变成N束角度不同的平行光，N为10～20的自然数。
6.如权利要求1所述的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置，其特征在于，所述光路切换装置采用可移动反射镜，当可移动反射镜移出光路，荧光和拉曼光由目镜收集进入至CCD摄像机；当可移动反射镜以45°放置在光路中，荧光和拉曼光进入多通道光谱仪。
7.如权利要求1所述的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置，其特征在于，所述纵向柱透镜和横向柱透镜均采用柱透镜，二者的光轴互相垂直，并都垂直于光路，从而对光斑进行整形，整形后的光斑为矩形。
8.一种如权利要求1所述的micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
1)激光器发出平行的激发光，激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm，或者激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20nm以内；
2)激发光经第一空间滤波器去除杂散光，经多面棱镜变成多束角度不同的平行光，之后经过第一分束片；
3)多束角度不同的平行光经扫描振镜，由物镜聚焦，形成多个一维排列的光斑；
4)micro LED芯片阵列作为样品位于物镜的焦平面放置在XYZ三维高速样品台上；一维排列的光斑阵列的激发光以布儒斯特角入射到样品上，所有平行于偏振面的激发光都透射到样品的内部而不是由表面反射，从而激发拉曼光，并且光致发光产生荧光，一维排列的光斑阵列同时照射到多个micro LED芯片单元上，产生的拉曼光和荧光也为一维排列的光斑阵列；
5)荧光和拉曼光返回物镜，再依次经过扫描振镜和第一分束片，通过光路切换装置控制，由目镜收集进入至CCD摄像机，观察样品的表面形态；
6)或者，荧光和拉曼光通过光路切换装置控制，经过第二空间滤波器滤除杂散光后，依次经过纵向柱透镜和横向柱透镜对光斑进行整形，变成矩形的光斑；
7)经第二分束片分成方向不同的两束光，两束光分别进入多通道光谱仪的第一通道和第二通道；
8)第一束光经第一棱镜分光计进行分光，只保留荧光，保留的荧光由第一CCD面阵探测器接收；荧光为一维排列的光斑阵列，第一CCD面阵探测器为二维排列的像素，荧光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到荧光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱，第一CCD面阵探测器同时得到多个对应的micro LED芯片单元的扫描位置的荧光光谱；
9)对于激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20～40nm，则采用斯托克斯拉曼结合荧光测量，第二束光经第二棱镜分光计进行分光，只保留斯托克斯拉曼光，由于激发光的波长小于其所激发样品产生的荧光的波长20～40nm，同时斯托克斯拉曼光的波长在激发光波长的30nm以内，因此能够将荧光与斯托克斯拉曼光的光谱分开，由第二CCD面阵探测器接收；
或者，对于激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长20nm以内，则采用反斯托克斯拉曼结合荧光测量，第二束光经第二棱镜分光计进行分光，只保留反斯托克斯拉曼光，由于激发光的波长小于其激发样品产生的荧光波长，同时反斯托克斯拉曼光的波长小于激发光波长，从而能够将荧光与反斯托克斯拉曼光的光谱分开，由第二CCD面阵探测器接收；
10)拉曼光为一维排列的光斑阵列，第二CCD面阵探测器为二维排列的像素，拉曼光的每一个光斑分别对应CCD面阵探测器的一列像素，将光斑按照波长分开，不同的波长对应至这一列像素的不同位置上，得到拉曼光的每一个波长的强度和亮度，从而得到对应的microLED芯片单元的扫描位置的拉曼光光谱，第二CCD面阵探测器同时得到多个对应的microLED芯片单元的扫描位置的拉曼光光谱；
11)通过控制扫描振镜，重复步骤1)～10)，一维排列的光斑阵列的激发光完成所对应的多个micro LED芯片单元的扫描；
12)进一步控制扫描振镜，重复步骤1)～11)，一维排列的光斑阵列的激发光完成microLED芯片阵列的一帧的扫描；
13)通过控制XYZ三维高速样品台，将样品移到下一帧，重复步骤1)～12)，从而完成对micro LED芯片阵列的扫描，得到micro LED芯片阵列的荧光光谱和拉曼光谱；
14)通过荧光光谱得到光学性质，通过拉曼光谱得到电学性质，并根据光学性质和电学性质对micro LED芯片阵列进行分类。
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