線上電子顯微鏡在面板顯示中的應用

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和柔性顯示引領的高分辨率移動顯示革命對新的顯示檢測技術提出了更高的要求。新一代高像素密度OLED顯示要求在亞微米分辨率檢測區域實現快速、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，透明特性使傳統光學檢測能力面臨挑戰。面板像素尺寸越來越小，分辨率越來越高，自動光學檢測（AOI）在小像素TFT關鍵缺陷檢測和一些受限測試要求中遇到性能不足問題，因為光學光源波長通常為幾百納米，當缺陷達到光源波長尺度時，衍射效應會限制可分辨最小特征[3]。

G6LTPS項目導入的應用材料線上電子顯微鏡系統，可以在不損傷面板的情況下，以行業最高分辨率和檢測效率進行檢測。獨特的低電子技術經證明[4]，當加速電壓≤1KV時，不會對有機層或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，一般測試時工作電壓200V ~1KV。測試缺陷的成分時需要>1KV的工作電壓，但對TFT器件的影響僅限測試點所屬panel，對于玻璃大板其他panel并沒有影響，并不影響整個玻璃大板投入后段生產。該系統的電子束分辨率10nm，遠高于人類的眼睛可以分辨出的最高分辨率，足以應對VR/AR顯示技術路線圖的要求。

1 線上電子顯微鏡系統的構成及其工作原理

如圖1所示，線上電子顯微鏡系統由Loadlock交換腔（含有兩層，上層進片，下層排片）和CHA測試腔（單層）組成。可自動定位由其他檢測工具報告的缺陷和為監控工藝選擇的感興趣區域。該系統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。為減少設備占用空間，該系統使用兩個掃描電子顯微鏡頭，每個鏡頭集成一個EDX，使在線成分分析成為可能，如圖1。該系統的采集效率為<5s每張SEM圖，<10s每個EDX測量點，自動量測晶粒大小70s/點。

圖1 線上電子顯微鏡系統示意圖

2 測試方法

線上電子顯微鏡系統的測試方法與傳統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等檢測設備提供缺陷或異常的坐標，或者測試需求者提供感興趣的坐標點位（如工藝監控點），INLINE SEM根據坐標將待測樣品移動到SEM視野里，然后測試獲得SEM圖、EDX光譜、EDX元素匹配。通過系統自帶算法獲得晶粒尺寸，通過系統自帶工具，測得關鍵尺寸。測得數據可以自動上拋數據庫，實現工藝監控自動化。

圖2 線上電子顯微鏡系統測試方法示意圖

3 結果與討論

■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進入納米分辨率時代。在不損壞材料的情況下測量有機物的能力解決了行業面臨的一個關鍵問題：如何測量小尺寸有機物缺陷和殘留等。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，導致屏幕亂顯。PR殘留通常是曝光和顯影工藝未做好導致，監控ITO2 PR殘留狀況有助于監控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AOI完全不可見。而ITO2刻蝕殘留過多會導致不同像素間的ITO2短接在一起，造成屏幕顯示異常。監控ITO2刻蝕后殘留狀況有助于監控ITO2刻蝕工藝。

圖3

■3.2 LTPS 晶粒尺寸計算

LTPS–TFT由于其高遷移率和后續n型或p型摻雜離子注入形成CMOS的能力而被廣泛應用于AMLCD和AMOLED[5]。LTPS是由準分子激光退火處理（ELA）非晶硅工藝實現的。ELA具有成本競爭力，相對均勻，可擴展到大尺寸玻璃，適合大規模生產等優點[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收集高分辨率SEM圖。高質量的SEM圖像完全描繪了大規模生產ELA工藝下的真實LTPS形態：不同形狀和高度的突起，不同大小晶粒合并組成的晶界，因為晶粒取向差異和晶粒內相對光滑區域的不同而清晰可見。從詳細的形態學研究中可以提取出豐富的信息：單個晶粒的形狀反映了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。由于硅的電子輸運具有強烈的取向依賴性，晶粒取向對TFT遷移率有重要影響[4,7]。

圖4

線上電子顯微鏡開發了兩種算法來評估關鍵的LTPS過程。通過GS（晶粒大?。┧惴ㄓ嬎阋曇埃‵OV）中每個單獨晶粒的大小，如圖4(b)所示。此外，GS算法還提供了平均晶粒大小，晶粒大小標準偏差等統計信息。晶粒大小分布情況如圖4(d)所示。

通過組合GS和PC算法的計算結果實現LTPS ELA工藝在線監控。只有在一定的ELA工藝下才有合適的硅結晶。圖4(e)展示了一個可能的ELA工藝監控示意圖：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，導致晶粒的有序度較低，突起數量較多[8]。在該工藝條件下，OED可以被認為是GS或者PC的拐點。通過設置適當的變化范圍，GS和PC可以用于LTPS ELA工藝在線監控。特別是線上電子顯微鏡檢測周期可以縮短至1小時以內，可以及時反饋線上ELA 工藝的變化，有助于降低工藝波動帶來的良率損失。

■3.3 線上電子顯微鏡在LCD的其他應用案例

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一步確認了顆粒來源，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構成，是PECVD制程產生的。

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（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 結論

線上電子顯微鏡將半導體提升成品率的方法引入顯示領域，獨特的低能量、高分辨率的電子束可以檢測面板制程中的每一個工藝步驟。線上電子顯微鏡分辨率在納米級別，關鍵尺寸量測偏差在1%以內，晶粒尺寸計算結果能夠反映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小時以內，工藝開發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：增強和虛擬現實（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相結合，有望進一步為顯示行業縮短異常反饋和工藝開發周期，極大地提升面板行業新技術應用的響應速度，提升行業競爭力。