线上电子显微镜在面板显示中的应用

韩志慧

（天马显示科技有限公司，福建厦门，361101）

0 引言

近年来OLED和柔性显示引领的高分辨率移动显示革命对新的显示检测技术提出了更高的要求。新一代高像素密度OLED显示要求在亚微米分辨率检测区域实现快速、可靠、无损的全基板在线缺陷检测[1–2]。对于新兴柔性或者透明显示，透明特性使传统光学检测能力面临挑战。面板像素尺寸越来越小，分辨率越来越高，自动光学检测（AOI）在小像素TFT关键缺陷检测和一些受限测试要求中遇到性能不足问题，因为光学光源波长通常为几百纳米，当缺陷达到光源波长尺度时，衍射效应会限制可分辨最小特征[3]。

G6LTPS项目导入的应用材料线上电子显微镜系统，可以在不损伤面板的情况下，以行业最高分辨率和检测效率进行检测。独特的低电子技术经证明[4]，当加速电压≤1KV时，不会对有机层或TFT器件造成影响。该线上电子显微镜，加速电压工作范围200V ~ 15kV，一般测试时工作电压200V ~1KV。测试缺陷的成分时需要>1KV的工作电压，但对TFT器件的影响仅限测试点所属panel，对于玻璃大板其他panel并没有影响，并不影响整个玻璃大板投入后段生产。该系统的电子束分辨率10nm，远高于人类的眼睛可以分辨出的最高分辨率，足以应对VR/AR显示技术路线图的要求。

1 线上电子显微镜系统的构成及其工作原理

如图1所示，线上电子显微镜系统由Loadlock交换腔（含有两层，上层进片，下层排片）和CHA测试腔（单层）组成。可自动定位由其他检测工具报告的缺陷和为监控工艺选择的感兴趣区域。该系统可以检测整张玻璃大板的任意位置，包括不同玻璃的同一位置。为减少设备占用空间，该系统使用两个扫描电子显微镜头，每个镜头集成一个EDX，使在线成分分析成为可能，如图1。该系统的采集效率为<5s每张SEM图，<10s每个EDX测量点，自动量测晶粒大小70s/点。

图1 线上电子显微镜系统示意图

2 测试方法

线上电子显微镜系统的测试方法与传统扫描电子显微镜最大的不同是，不需要裂片制样。如图2所示，由AOI等检测设备提供缺陷或异常的坐标，或者测试需求者提供感兴趣的坐标点位（如工艺监控点），INLINE SEM根据坐标将待测样品移动到SEM视野里，然后测试获得SEM图、EDX光谱、EDX元素匹配。通过系统自带算法获得晶粒尺寸，通过系统自带工具，测得关键尺寸。测得数据可以自动上抛数据库，实现工艺监控自动化。

图2 线上电子显微镜系统测试方法示意图

3 结果与讨论

■3.1 SEM缺陷观察

线上电子显微镜使LTPS、OLED和柔性显示的显示检测行业进入纳米分辨率时代。在不损坏材料的情况下测量有机物的能力解决了行业面临的一个关键问题：如何测量小尺寸有机物缺陷和残留等。图3(a)展示了电子束能量为1KeV的线上电子显微镜的检测下，IC区ITO2光阻（PR）残留SEM图。两根IC间存在PR残留，容易造成后一道制程ITO2刻蚀不完整，留下ITO2刻蚀残留。残留的存在，可能造成后段IC绑定后两根IC短接在一起，导致屏幕乱显。PR残留通常是曝光和显影工艺未做好导致，监控ITO2 PR残留状况有助于监控ITO2曝光和显影工艺。图3(b)展示了电子束能量为1KeV的线上电子显微镜的检测下，ITO2刻蚀后图形，以及细密分布纳米级别ITO刻蚀残留颗粒。这些ITO残留物是透明的，可以小到几纳米，对光学AOI完全不可见。而ITO2刻蚀残留过多会导致不同像素间的ITO2短接在一起，造成屏幕显示异常。监控ITO2刻蚀后残留状况有助于监控ITO2刻蚀工艺。

图3

■3.2 LTPS 晶粒尺寸计算

LTPS–TFT由于其高迁移率和后续n型或p型掺杂离子注入形成CMOS的能力而被广泛应用于AMLCD和AMOLED[5]。LTPS是由准分子激光退火处理（ELA）非晶硅工艺实现的。ELA具有成本竞争力，相对均匀，可扩展到大尺寸玻璃，适合大规模生产等优点[6]。ELA后LTPS的电子迁移率是非晶硅的百倍。

图4 (a)展示了通过线上电子显微镜系统收集高分辨率SEM图。高质量的SEM图像完全描绘了大规模生产ELA工艺下的真实LTPS形态：不同形状和高度的突起，不同大小晶粒合并组成的晶界，因为晶粒取向差异和晶粒内相对光滑区域的不同而清晰可见。从详细的形态学研究中可以提取出丰富的信息：单个晶粒的形状反映了LTPS晶粒晶向情况：例如，（100）生长趋向于正方形，而（111）生长可能为六边形。由于硅的电子输运具有强烈的取向依赖性，晶粒取向对TFT迁移率有重要影响[4,7]。

图4

线上电子显微镜开发了两种算法来评估关键的LTPS过程。通过GS（晶粒大小）算法计算视野（FOV）中每个单独晶粒的大小，如图4(b)所示。此外，GS算法还提供了平均晶粒大小，晶粒大小标准偏差等统计信息。晶粒大小分布情况如图4(d)所示。

通过组合GS和PC算法的计算结果实现LTPS ELA工艺在线监控。只有在一定的ELA工艺下才有合适的硅结晶。图4(e)展示了一个可能的ELA工艺监控示意图：随着ELA能量密度的的增加，LTPS晶粒变得更有序/更大，突起变得越来越小，直到达到最佳能量密度（OED）。OED之后，晶种的成核不是从界面开始的，而是从膜体开始的，导致晶粒的有序度较低，突起数量较多[8]。在该工艺条件下，OED可以被认为是GS或者PC的拐点。通过设置适当的变化范围，GS和PC可以用于LTPS ELA工艺在线监控。特别是线上电子显微镜检测周期可以缩短至1小时以内，可以及时反馈线上ELA 工艺的变化，有助于降低工艺波动带来的良率损失。

■3.3 线上电子显微镜在LCD的其他应用案例

PECVD工艺涵盖了从玻璃上的阻挡层到活性层，再到钝化层，再到OLED的最终薄膜封装（TFE）层等广泛的工艺过程。图5和图6展示了两个典型的CVD异物，均来自PECVD制程。在线上电子显微镜EDX的支持下，异物和薄膜成分分析进一步确认了颗粒来源，例如，EDX光谱（图5（b））展示了来自异物/Si–O/Si–N /Glass膜层中的C、Ca、N、O、Mg、Al、Si峰等。选则的元素匹配展示从左到右：N（来自异物，Si–N），O（来自异物，Si–O），Mg（来自玻璃），Al（来自玻璃）和Si（来自异物，Si–N，Si–O）。所以异物主要由N、O、Si构成，是PECVD制程产生的。

图5

图6

图6 (a)展示了2layer CVD制程后一种典型异物的SEM图。来自异物/Si–O/Si–N /Glass膜层中的C、N、O、F、Mg、Al、Si峰等。元素匹配展示从左到右：O（来自异物，Si–O），F（来自异物），Mg（来自玻璃），Al（来自异物）和Si（来自异物，Si–N，Si–O）。而Si、O、Al、F等最有可能来自与PECVD成膜腔的顶部扩散板末期表面脱落物。这意味着备件寿命到了，需要更换。

4 结论

线上电子显微镜将半导体提升成品率的方法引入显示领域，独特的低能量、高分辨率的电子束可以检测面板制程中的每一个工艺步骤。线上电子显微镜分辨率在纳米级别，关键尺寸量测偏差在1%以内，晶粒尺寸计算结果能够反映ELA工艺变化，基本满足面板新型显示亚微米级检测要求。此外，无需裂片，异常反馈由3天缩短为1小时以内，工艺开发周期由一周缩短到一天，有助于快速提升良率和满足市场新显示需求，例如：增强和虚拟现实（AR，VR），智能车辆，新外形的显示器等。展望未来，线上电子显微镜与FIB相结合，有望进一步为显示行业缩短异常反馈和工艺开发周期，极大地提升面板行业新技术应用的响应速度，提升行业竞争力。