CN113495062A - 用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统，包含一提供激光束的激光光源、一供放置待测工件且能够进行位移的测量载台、一具有X‑Y光学扫描镜头的振镜扫描模块、一视觉模块、一光谱仪以及一控制单元；当激光束投射至待测工件上将产生一光致荧光的响应光束，且视觉模块与光谱仪所连接的分光镜组，皆设于该激光束与响应光束的传递途径上；以此，经由该视觉模块以检视并调整相关构件的设定状态，继而该控制单元将驱使该X‑Y光学扫描镜头与该测量载台协同位移，使该激光束对应地投射在所欲扫描的位置上，再由该光谱仪记录其响应光束的光谱信号；本系统将择点反复进行激光束的投射与其光谱信号的记录，进而完成大面积择点扫描的测量作业。

Description

用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统

技术领域

本发明有关一种测量系统，尤指应用振镜扫描模块与测量载台的协同位移，使激光束得以择点扫描，并以光谱仪记录其响应光谱信号的一种显微光致荧光扫描测量系统及其方法。

背景技术

发光二极管LED(Light-Emitting Diode)为一种能发光的半导体电子零件，其外观呈椭圆形，尺寸仅为一颗绿豆大小，但发光只有其中的晶粒(Die)部分；目前商业上是先成长晶棒，切割成晶圆，再使用“有基金属化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition)”成长不同材料的磊晶(单晶薄膜)，并在磊晶上制作发光二极管元件结构，最后再切割成一颗颗的晶粒，封装成发光二极管LED元件。

LED晶粒的尺寸大约1毫米(mm)，只能用来制作单色发光二极管指示牌或是大尺寸的电视墙；但随着技术的演进，厂商已开发出“微发光二极管(Micro LED)”边长小于10微米(μm)的晶粒，而Micro LED是一种直接利用RGB三原色LED作为自发光显示点像素，直接种在晶圆上的显示技术；其原理主要是将LED结构设计进行薄膜化、微小化与阵列化，并将LED缩小到至少原本LED的1％，使其具备低功耗、高亮度、超高分辨率与色彩饱和度等特性。

光致荧光(Photoluminescence,PL)，是利用一激光光源作为激发源，将其照射在发光二极管表面以产生一对应的光致荧光，并经由光学镜组收光，再进入到光谱仪来分析其亮度与特定的波长；换言之，在磊晶未经切割封装前，即应用光致荧光的原理，辅以光谱仪的测量与分析，来取得LED磊晶的光致荧光频谱，一方面可供判定其磊晶的制程合格率，也可供制造商判定制程条件是否落在规范内，以及预估最终成品的质量状态。

目前，业界检测LED磊晶的频谱作法之一为：将传统自动光学检测(AutomatedOptical Inspection,AOI)的白光源改为外挂式激光激发源(侧打式)，进行大面积激发待测工件，并辅以X-Y平移台以实现大面积的测绘；但是，发光二极管表面受到一外挂激光光源侧向激发后，光学镜组将收到一个大范围区域内的晶粒同时产生光致荧光(约数百微米至数十毫米等级)，这将造成一平均结果，使信噪比(Signal-to-noise ratio,S/N)降低；即后续光谱仪所分析的频谱特征强度为一大面积下的平均值，虽然辅以X-Y平移台能取得待测工件大面积的光致荧光频谱分布图，但由于测量结果为一平均值，因此该频谱分布图往往仅能供作参考；此问题将在检测Micro LED的晶粒时更显严重，这是由于当检测的目标为一微小晶粒时，平均一大面积下的频谱数据将使欲检测的晶粒频谱特定强度因平均而下降，信噪比(Signal-to-noise ratio,S/N)的降低，将使得该晶粒的频谱特定强度辨识不易，进而影响后续的分析。

现有检测LED磊晶频谱的另一种作法为：将激光激发光束导入一聚焦镜组，聚焦激光光斑后再激发于待测工件其小范围区域内的晶粒，并辅以X-Y平移台以实现大面积测绘；但是，将激光激发光源导入一聚焦镜组，虽能缩小激发光斑的大小(达到数十至数百微米)，进而改善大面积下其频谱特征强度辨识不易的缺失，但实现大面积测绘仍采用传统的X-Y平移台，由于轴向位移的机构属于机械式，其每一动作的位移速度慢，因此将影响待测工件的检测速度。

现有检测LED磊晶频谱的又一种作法为：将某些架构改用电荷耦合器件(Charge-coupled device,CCD)而非使用光谱仪来分析待测工件的光致荧光频谱；由于必须选用具特定波段的光学滤波片，以满足不同待测工件其所需对应的光致荧光频谱，因此势必增加各式相对应的光学滤波片以供置换，进而造成设备购置成本的上升。

由于微发光二极管单位面积内的晶粒至少数以千计，且晶粒间的亮度品级亦有差别，故而微发光二极管采用现有大区域的检测模式，将无法满足其磊晶品级的管控；再者，仅用X-Y轴向位移的载台机构以实现大面积测绘，其过长的检测时间亦将无法满足量产模式的需求；因此，如何以光致荧光进行快速且大面积小区域的扫描与判定，便成为本发明所要思考发展的课题。

发明内容

本发明的主要目的，在于应用振镜扫描模块与测量载台的协同位移，并以光致荧光进行择点扫描与记录，使LED磊晶片达到精确分类的一种显微光致荧光扫描与测量系统及其方法。

为达上述目的，本发明公开一种用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统，其包含：一激光光源，以提供一激光束作为待测工件的激发光源；一测量载台，位于该激光光源的相对侧，其具有一供放置待测工件的工作平台，且该工作平台至少可进行X、Y两个轴向的位移；一振镜扫描模块，设置于该工作平台的上方，且位于该激光束的传递途径上，其具有一X-Y光学扫描镜头及光学反射镜片，且通过该光学反射镜片的反射及X-Y光学扫描镜头的聚焦，进而实现激光光斑的聚焦与产生对应的角度移转，使该激光束偏转并聚焦在该待测工件所欲的扫描点上，则该待测工件产生一光致荧光的响应光束，并经该X-Y光学扫描镜头的收光与该光学反射镜片的反射，以供进行响应光束的频谱分析。

一视觉模块，连接一第一分光镜组，且该第一分光镜组位于该激光束与响应光束的传递途径上，使该视觉模块可用以检视该激光束投射于所欲的扫描点及该响应光束的相对位置状态；一光谱仪，连接一第二分光镜组，且该第二分光镜组位于该激光束与响应光束的传递途径上，使该光谱仪可用以记录各扫描点的光谱信号；以及一控制单元，电性连接该测量载台、振镜扫描模块、视觉模块与该光谱仪。

以此，待测工件放置于该工作平台上，通过该视觉模块以检视并调整相关构件的设定状态，继而该控制单元将驱使该X-Y光学扫描镜头与该位移机构协同位移，使该激光束对应地投射在所欲的扫描点上，并操作该光谱仪以记录各扫描点所响应的光谱信号，进而完成大面积择点扫描的测量作业。

在本发明一实施例中，该激光光源包括一激光光机及光束转折器，该光束转折器设置于该激光光机所投射激光束的传递途径上，用以调整其激光束的反射方向。

在本发明一实施例中，该视觉模块包括一镜头及一CCD，该镜头与CCD设置在该第一分光镜组的上方，用以检视该激光束与该响应光束的影像。

在本发明一实施例中，该扫描与测绘测量的方法包括如下步骤：a)将待测工件放置于该测量载台的工作平台上；b)通过该视觉模块的检视，驱使该控制单元驱动该测量载台进行归零动作；c)通过该视觉模块的检视，驱使该控制单元驱动该工作平台位移，使该激光束对正该待测工件所欲的扫描区域；d)该控制单元偏转该振镜扫描模块的光学反射镜片，使该激光束偏转并聚焦在该待测工件所欲的扫描点；e)该控制单元驱动该光谱仪以记录各扫描点的光谱信号；f)反复进行步骤d与e，直到完成记录所欲扫描区域内所有扫描点的光谱信号，接续执行步骤g；g)反复进行步骤c至f，直到完成记录该待测工件所有所欲扫描区域的光谱信号，则执行步骤h；h)完成该工件的扫描。

根据前述特征，本发明“用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统”，应用测量载台进行所欲扫描区域的位移，再通过该振镜扫描模块进行区域内各点的择点扫描；由于测量载台主要在进行大区域的移动，没有高精度位移的要求，因此适用低成本的机械式位移机构；而区域内进行逐点的扫描，则应用振镜扫描模块的X-Y光学扫描镜头的聚焦与光学反射镜片的角度偏转，将可达成精确位移与灵敏的反应速度；因此，通过测量载台与振镜扫描模块的协同位移，本系统将可达到最佳的机构组合与快速测量的作业效益。

附图说明

图1为本发明的测量系统示意图。

图2为本发明的测量系统组合正视图。

图3为本发明振镜扫描模块的作业示意图。

图4为本发明的测量方法程序图。

附图标记说明：10-架体；20-激光光源；21-激光光机；22-光束转折器；30-测量载台；31-工作平台；32-位移机构；40-振镜扫描模块；41-X-Y光学扫描镜头；42-光学反射镜片；50-视觉模块；51-第一分光镜组；52-镜头；53-CCD；60-光谱仪；61-第二分光镜组；70-控制单元；L1-激光束；M-待测工件；P-扫描点；R1-响应光束；S-扫描视野区域。

具体实施方式

首先，本发明公开一种用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统，如图1～图2所示，包含：一架体10；一激光光源20，以提供一激光束L1作为待测工件M的激发光源，该激光光源20包括一激光光机21及光束转折器22，分别设置于该架体10上，且该光束转折器22设置于该激光光机21所投射激光束L1的传递途径上，用以调整激光束L1的反射方向，并减少该激光光源20的占用空间；本实施例中该光束转折器22配置有2台，因此激光束L1经过2次反射后才转向水平方向投射，这种作法将使该激光光源20占用最少的空间，且使其激光束L1的调整更为灵活方便；一测量载台30，设置于该架体10上，且位于该激光光源20的相对侧，其具有一可供放置待测工件M的工作平台31，及一可进行X、Y两个轴向位移的位移机构32；本实施例中该位移机构32还包括一Z轴的位移功能，使该工作平台31可配合激光束L1的投射焦距来升降其高度；由于该位移机构32的轴向位移功能为应用现有的技术，非本发明的主要诉求，其动作原理与方式则不再赘述；一振镜扫描模块40，设置于该架体10上且位于该工作平台31的上方，以及该激光束L1的传递途径上，其具有一X-Y光学扫描镜头41及光学反射镜片42，该激光束L1则通过该光学反射镜片42的反射，将其水平投射的方向转向下方，再通过该X-Y光学扫描镜头41的聚焦，进而实现激光光斑的聚焦与产生对应的角度移转，该激光束L1偏转并聚焦在该待测工件M所欲的扫描点上，则该待测工件M将产生一光致荧光的响应光束R1，并经该X-Y光学扫描镜头41的收光与该光学反射镜片42的反射，使响应光束R1朝向水平方向传递，以供进行频谱分析。

承上，一视觉模块50，连接一设置于该架体10上的第一分光镜组51，且该第一分光镜组51位于该激光束L1与响应光束R1的传递途径上，使该视觉模块50可用以检视该激光束L1投射于所欲的扫描点及该响应光束R1的位置与光斑状态；该视觉模块50还包括一镜头52及一CCD53，且该镜头52与该CCD53设置在该第一分光镜组51的上方，用以撷取该响应光束R1的影像；本实施例中也可进一步连接一自动光学检查装置(AOI analysis)，以提升视觉检视的精确度；一光谱仪60，连接一设置于该架体10上的第二分光镜组61，且该第二分光镜组61位于该激光束L1与响应光束R1的传递途径上，使该光谱仪60可用以记录各扫描点的光谱信号；以及一控制单元70，设置于该架体10上，且电性连接该测量载台30、振镜扫描模块40、视觉模块50与该光谱仪60。

以此，待测工件M放置于该工作平台31上，该激光光机21送出一激光束L1经该光束转折器22转向水平方向，再经该光学反射镜片42的折射，使该水平方向的激光束L1转向下方的工作平台31，通过该视觉模块50以检视并调整相关构件的设定状态，继而该控制单元70将驱使测量载台30的工作平台31进行所欲扫描区域的位移，扫描区域定位后，再通过该振镜扫描模块40的光学反射镜片42进行角度偏转，使该激光束L1逐一对应地投射在所欲的扫描点上，并操作该光谱仪60以记录其所响应的光谱信号，本实施例中该扫描区域内共计有9个扫描点，如图3所示；图中，每个正方形表示该测量载台30位移后该X-Y光学扫描镜头41的扫描视野区域S，通过该光学反射镜片42的分别偏转，将使该激光束L1自左上角第1点至右下角第9点逐一对应地投射在所欲的扫描点P上，每一点的扫描其光致荧光的响应光束R1，将经由该X-Y光学扫描镜头41的收光与该光学反射镜片42的反射，由该光谱仪60记录其光谱信号；当完成该扫描视野区域S中的各扫描点P的扫描与信号的记录后，该测量载台30将再一次的位移至新的扫描视野区域S，并逐一反复进行各扫描点P的扫描与记录，也可选择性地择点进行扫描与记录，如此连续性地且逐一地在各扫描视野区域S反复进行，进而完成大面积择点扫描的测量作业。

在本发明一实施例中，该扫描与测绘测量的方法，如图4所示：S101，首先将待测工件M放置于该测量载台30的工作平台31上；S102，通过该视觉模块50的检视，驱动该测量载台30进行归零动作；S103，驱动该测量载台30位移，使该激光束L1对正该待测工件M所欲的扫描区域；S104，偏转该振镜扫描模块40的光学反射镜片42，使该激光束L1偏转并聚焦在该待测工件M所欲的扫描点；S105，驱动该光谱仪60以记录该扫描点的光谱信号；S106，判定区域内各点是否扫描完毕，若否则反复进行S104～S106，若是则执行S107；S107，判定待测工件M所有区域是否扫描完毕，若否则反复进行S103～S107，若是则执行S108；S108，完成待测工件M的测量。

依照前述的作业程序，整理如下步骤，包括：a)将待测工件M放置于该测量载台30的工作平台31上；b)通过该视觉模块50的检视，驱使该控制单元70驱动该测量载台30进行归零动作；c)通过该视觉模块50的检视，驱使该控制单元70驱动该工作平台31位移，使该激光束L1对正该待测工件M所欲的扫描区域；d)该控制单元70偏转该振镜扫描模块40的光学反射镜片42，使该激光束L1偏转并聚焦在该待测工件M所欲的扫描点；e)该控制单元70驱动该光谱仪60以记录该扫描点的光谱信号；f)反复进行步骤d与e，直到完成记录所欲扫描区域内所有扫描点的光谱信号，接续执行步骤g；g)反复进行步骤c至f，直到完成记录该待测工件M所有所欲扫描区域的光谱信号，则执行步骤h；h)完成该待测工件M的扫描。

本发明应用测量载台30进行所欲扫描区域的位移，再通过该振镜扫描模块40进行区域内各点的扫描；由于测量载台30主要在进行大区域的移动，没有高精度位移的要求，因此适用低成本的机械式位移机构；而区域内进行的逐点扫描，则应用振镜扫描模块40的X-Y光学扫描镜头41的聚焦与光学反射镜片42的角度偏转，将可达成精确位移与灵敏的反应速度；因此，通过测量载台30与振镜扫描模块40的协同位移，本系统将可达到最佳的机构组合与快速测量的作业效益。

上述所公开的图式、说明，仅为本发明的较佳实施例，大凡熟悉此项技艺人士，依本案精神范畴所作的修饰或等效变化，仍应包括在本案权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统，其特征在于，包含：

一架体；

一激光光源，设置于该架体的一侧，以提供一激光束作为待测工件的激发光源；

一测量载台，设置于该架体上，且位于该激光光源的相对侧，其具有一工作平台及位移机构，使放置于该工作平台上的待测工件，至少进行X、Y两个轴向的位移；

一振镜扫描模块，设置于该工作平台的上方，且位于该激光束的传递途径上，其具有一X-Y光学扫描镜头及光学反射镜片，且通过该光学反射镜片的反射及X-Y光学扫描镜头的聚焦，进而实现激光光斑的聚焦与产生对应的角度移转，使该激光束偏转并聚焦在该待测工件所欲的扫描点上，且令该激光束投射至该待测工件上产生一光致荧光的响应光束，而该响应光束进一步经该X-Y光学扫描镜头的收光与该光学反射镜片的反射，以供进行频谱分析；

一视觉模块，连接一设置于该架体上的第一分光镜组，且该第一分光镜组位于该激光束与响应光束的传递途径上，使该视觉模块用以检视该激光束投射于所欲扫描位置及该响应光束的相对位置状态；

一光谱仪，连接一设置于该架体上的第二分光镜组，且该第二分光镜组位于该激光束与响应光束的传递途径上，使该光谱仪用以记录各扫描点的光谱信号；

一控制单元，设置于该架体上，且电性连接该测量载台、振镜扫描模块、视觉模块与该光谱仪。

2.如权利要求1所述的用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统，其特征在于，该激光光源包括一激光光机及光束转折器，该光束转折器设置于该激光光机所投射激光束的传递途径上，用以调整其激光束的反射方向。

3.如权利要求1所述的用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统，其特征在于，该视觉模块包括一镜头及一CCD，该镜头与该CCD设置在该第一分光镜组的上方，用以检视该激光束与该响应光束的影像。

4.如权利要求1所述的用于大面积显微光致荧光扫描与测绘测量的系统，其特征在于，扫描与测绘测量的方法包括如下步骤：

a)将待测工件放置于该测量载台的工作平台上；

b)通过该视觉模块的检视，驱使该控制单元驱动该测量载台进行归零动作；

c)通过该视觉模块的检视，驱使该控制单元驱动该工作平台位移，使该激光束对正该待测工件所欲的扫描区域；

d)该控制单元偏转该振镜扫描模块的光学反射镜片，使该激光束偏转并聚焦在该待测工件所欲的扫描点；

e)该控制单元驱动该光谱仪以记录各扫描点的光谱信号；

f)反复进行步骤d与e，直到完成记录所欲扫描区域内所有扫描点的光谱信号，接续执行步骤g；

g)反复进行步骤c至f，直到完成记录该待测工件所有所欲扫描区域的光谱信号，则执行步骤h；

h)完成该工件的扫描。

Images