線上電子顯微鏡在面板顯示中的應(yīng)用

韓志慧

（天馬顯示科技有限公司，福建廈門，361101）

0 引言

近年來OLED和柔性顯示引領(lǐng)的高分辨率移動(dòng)顯示革命對新的顯示檢測技術(shù)提出了更高的要求。新一代高像素密度OLED顯示要求在亞微米分辨率檢測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)快速、可靠、無損的全基板在線缺陷檢測[1–2]。對于新興柔性或者透明顯示，透明特性使傳統(tǒng)光學(xué)檢測能力面臨挑戰(zhàn)。面板像素尺寸越來越小，分辨率越來越高，自動(dòng)光學(xué)檢測（AOI）在小像素TFT關(guān)鍵缺陷檢測和一些受限測試要求中遇到性能不足問題，因?yàn)楣鈱W(xué)光源波長通常為幾百納米，當(dāng)缺陷達(dá)到光源波長尺度時(shí)，衍射效應(yīng)會(huì)限制可分辨最小特征[3]。

G6LTPS項(xiàng)目導(dǎo)入的應(yīng)用材料線上電子顯微鏡系統(tǒng)，可以在不損傷面板的情況下，以行業(yè)最高分辨率和檢測效率進(jìn)行檢測。獨(dú)特的低電子技術(shù)經(jīng)證明[4]，當(dāng)加速電壓≤1KV時(shí)，不會(huì)對有機(jī)層或TFT器件造成影響。該線上電子顯微鏡，加速電壓工作范圍200V ~ 15kV，一般測試時(shí)工作電壓200V ~1KV。測試缺陷的成分時(shí)需要>1KV的工作電壓，但對TFT器件的影響僅限測試點(diǎn)所屬panel，對于玻璃大板其他panel并沒有影響，并不影響整個(gè)玻璃大板投入后段生產(chǎn)。該系統(tǒng)的電子束分辨率10nm，遠(yuǎn)高于人類的眼睛可以分辨出的最高分辨率，足以應(yīng)對VR/AR顯示技術(shù)路線圖的要求。

1 線上電子顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

如圖1所示，線上電子顯微鏡系統(tǒng)由Loadlock交換腔（含有兩層，上層進(jìn)片，下層排片）和CHA測試腔（單層）組成?？勺詣?dòng)定位由其他檢測工具報(bào)告的缺陷和為監(jiān)控工藝選擇的感興趣區(qū)域。該系統(tǒng)可以檢測整張玻璃大板的任意位置，包括不同玻璃的同一位置。為減少設(shè)備占用空間，該系統(tǒng)使用兩個(gè)掃描電子顯微鏡頭，每個(gè)鏡頭集成一個(gè)EDX，使在線成分分析成為可能，如圖1。該系統(tǒng)的采集效率為<5s每張SEM圖，<10s每個(gè)EDX測量點(diǎn)，自動(dòng)量測晶粒大小70s/點(diǎn)。

圖1 線上電子顯微鏡系統(tǒng)示意圖

2 測試方法

線上電子顯微鏡系統(tǒng)的測試方法與傳統(tǒng)掃描電子顯微鏡最大的不同是，不需要裂片制樣。如圖2所示，由AOI等檢測設(shè)備提供缺陷或異常的坐標(biāo)，或者測試需求者提供感興趣的坐標(biāo)點(diǎn)位（如工藝監(jiān)控點(diǎn)），INLINE SEM根據(jù)坐標(biāo)將待測樣品移動(dòng)到SEM視野里，然后測試獲得SEM圖、EDX光譜、EDX元素匹配。通過系統(tǒng)自帶算法獲得晶粒尺寸，通過系統(tǒng)自帶工具，測得關(guān)鍵尺寸。測得數(shù)據(jù)可以自動(dòng)上拋數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)工藝監(jiān)控自動(dòng)化。

圖2 線上電子顯微鏡系統(tǒng)測試方法示意圖

3 結(jié)果與討論

■3.1 SEM缺陷觀察

線上電子顯微鏡使LTPS、OLED和柔性顯示的顯示檢測行業(yè)進(jìn)入納米分辨率時(shí)代。在不損壞材料的情況下測量有機(jī)物的能力解決了行業(yè)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題：如何測量小尺寸有機(jī)物缺陷和殘留等。圖3(a)展示了電子束能量為1KeV的線上電子顯微鏡的檢測下，IC區(qū)ITO2光阻（PR）殘留SEM圖。兩根IC間存在PR殘留，容易造成后一道制程ITO2刻蝕不完整，留下ITO2刻蝕殘留。殘留的存在，可能造成后段IC綁定后兩根IC短接在一起，導(dǎo)致屏幕亂顯。PR殘留通常是曝光和顯影工藝未做好導(dǎo)致，監(jiān)控ITO2 PR殘留狀況有助于監(jiān)控ITO2曝光和顯影工藝。圖3(b)展示了電子束能量為1KeV的線上電子顯微鏡的檢測下，ITO2刻蝕后圖形，以及細(xì)密分布納米級別ITO刻蝕殘留顆粒。這些ITO殘留物是透明的，可以小到幾納米，對光學(xué)AOI完全不可見。而ITO2刻蝕殘留過多會(huì)導(dǎo)致不同像素間的ITO2短接在一起，造成屏幕顯示異常。監(jiān)控ITO2刻蝕后殘留狀況有助于監(jiān)控ITO2刻蝕工藝。

圖3

■3.2 LTPS 晶粒尺寸計(jì)算

LTPS–TFT由于其高遷移率和后續(xù)n型或p型摻雜離子注入形成CMOS的能力而被廣泛應(yīng)用于AMLCD和AMOLED[5]。LTPS是由準(zhǔn)分子激光退火處理（ELA）非晶硅工藝實(shí)現(xiàn)的。ELA具有成本競爭力，相對均勻，可擴(kuò)展到大尺寸玻璃，適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[6]。ELA后LTPS的電子遷移率是非晶硅的百倍。

圖4 (a)展示了通過線上電子顯微鏡系統(tǒng)收集高分辨率SEM圖。高質(zhì)量的SEM圖像完全描繪了大規(guī)模生產(chǎn)ELA工藝下的真實(shí)LTPS形態(tài)：不同形狀和高度的突起，不同大小晶粒合并組成的晶界，因?yàn)榫ЯＨ∠虿町惡途Я?nèi)相對光滑區(qū)域的不同而清晰可見。從詳細(xì)的形態(tài)學(xué)研究中可以提取出豐富的信息：單個(gè)晶粒的形狀反映了LTPS晶粒晶向情況：例如，（100）生長趨向于正方形，而（111）生長可能為六邊形。由于硅的電子輸運(yùn)具有強(qiáng)烈的取向依賴性，晶粒取向?qū)FT遷移率有重要影響[4,7]。

圖4

線上電子顯微鏡開發(fā)了兩種算法來評估關(guān)鍵的LTPS過程。通過GS（晶粒大小）算法計(jì)算視野（FOV）中每個(gè)單獨(dú)晶粒的大小，如圖4(b)所示。此外，GS算法還提供了平均晶粒大小，晶粒大小標(biāo)準(zhǔn)偏差等統(tǒng)計(jì)信息。晶粒大小分布情況如圖4(d)所示。

通過組合GS和PC算法的計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)LTPS ELA工藝在線監(jiān)控。只有在一定的ELA工藝下才有合適的硅結(jié)晶。圖4(e)展示了一個(gè)可能的ELA工藝監(jiān)控示意圖：隨著ELA能量密度的的增加，LTPS晶粒變得更有序/更大，突起變得越來越小，直到達(dá)到最佳能量密度（OED）。OED之后，晶種的成核不是從界面開始的，而是從膜體開始的，導(dǎo)致晶粒的有序度較低，突起數(shù)量較多[8]。在該工藝條件下，OED可以被認(rèn)為是GS或者PC的拐點(diǎn)。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)淖兓秶珿S和PC可以用于LTPS ELA工藝在線監(jiān)控。特別是線上電子顯微鏡檢測周期可以縮短至1小時(shí)以內(nèi)，可以及時(shí)反饋線上ELA 工藝的變化，有助于降低工藝波動(dòng)帶來的良率損失。

■3.3 線上電子顯微鏡在LCD的其他應(yīng)用案例

PECVD工藝涵蓋了從玻璃上的阻擋層到活性層，再到鈍化層，再到OLED的最終薄膜封裝（TFE）層等廣泛的工藝過程。圖5和圖6展示了兩個(gè)典型的CVD異物，均來自PECVD制程。在線上電子顯微鏡EDX的支持下，異物和薄膜成分分析進(jìn)一步確認(rèn)了顆粒來源，例如，EDX光譜（圖5（b））展示了來自異物/Si–O/Si–N /Glass膜層中的C、Ca、N、O、Mg、Al、Si峰等。選則的元素匹配展示從左到右：N（來自異物，Si–N），O（來自異物，Si–O），Mg（來自玻璃），Al（來自玻璃）和Si（來自異物，Si–N，Si–O）。所以異物主要由N、O、Si構(gòu)成，是PECVD制程產(chǎn)生的。

圖5

圖6

圖6 (a)展示了2layer CVD制程后一種典型異物的SEM圖。來自異物/Si–O/Si–N /Glass膜層中的C、N、O、F、Mg、Al、Si峰等。元素匹配展示從左到右：O（來自異物，Si–O），F(xiàn)（來自異物），Mg（來自玻璃），Al（來自異物）和Si（來自異物，Si–N，Si–O）。而Si、O、Al、F等最有可能來自與PECVD成膜腔的頂部擴(kuò)散板末期表面脫落物。這意味著備件壽命到了，需要更換。

4 結(jié)論

線上電子顯微鏡將半導(dǎo)體提升成品率的方法引入顯示領(lǐng)域，獨(dú)特的低能量、高分辨率的電子束可以檢測面板制程中的每一個(gè)工藝步驟。線上電子顯微鏡分辨率在納米級別，關(guān)鍵尺寸量測偏差在1%以內(nèi)，晶粒尺寸計(jì)算結(jié)果能夠反映ELA工藝變化，基本滿足面板新型顯示亞微米級檢測要求。此外，無需裂片，異常反饋由3天縮短為1小時(shí)以內(nèi)，工藝開發(fā)周期由一周縮短到一天，有助于快速提升良率和滿足市場新顯示需求，例如：增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR，VR），智能車輛，新外形的顯示器等。展望未來，線上電子顯微鏡與FIB相結(jié)合，有望進(jìn)一步為顯示行業(yè)縮短異常反饋和工藝開發(fā)周期，極大地提升面板行業(yè)新技術(shù)應(yīng)用的響應(yīng)速度，提升行業(yè)競爭力。