掃描電鏡結(jié)合能譜儀揭示LCD的失效分析

找出液晶顯示器失敗的原因

SEM 和 EDX 技術(shù)的結(jié)合揭示了為什么 LCD 屏幕中會(huì)出現(xiàn)非活動(dòng)線。

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Mark Woolley 和 Jae Choi，Avaya -- 測(cè)試與測(cè)量世界，2012 年 2 月 29 日下午 2:17:45
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在許多產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的 TFT（薄膜晶體管）LCD 設(shè)備是使用半導(dǎo)體工藝制造的，這些工藝將材料沉積在玻璃基板上。由于尺寸小，TFT LCD 會(huì)遇到許多與半導(dǎo)體 IC 相同的故障模式。檢查 TFT 顯示器的兩種方法，即使用 SEM（掃描電子顯微鏡）和 EDX（能量色散 X 射線光譜）的方法通常僅分析表面。它們的電子束的穿透深度是有限的。

然而，當(dāng)列電壓足夠高時(shí)，電子可以滲透到材料中 1?m。通常，這足以讓您確定底層材料的成分。結(jié)合使用 SEM 和 EDX 技術(shù)可以幫助您確定故障原因。

SEM 使用與源光束中的電子反應(yīng)產(chǎn)生的電子產(chǎn)生黑白圖像。這些圖像顯示了基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但它們幾乎不包含有關(guān)存在的元素的信息。同時(shí)使用 EDX 檢測(cè)器也可以指示樣品中存在哪些元素。將這兩種技術(shù)結(jié)合起來有助于確定故障原因。

彩色 TFT LCD 顯示器是使用在玻璃上形成導(dǎo)體的金屬層制造的。導(dǎo)體將電壓和電流傳送到可視區(qū)域中每個(gè) TFT 的源極和柵極。為了減少導(dǎo)體的數(shù)量，TFT 的源極連接在垂直列中，而柵極連接在水平行中。通過掃描技術(shù)打開單個(gè)像素。

柵極導(dǎo)體沿著玻璃面板的底部布線，朝向左右邊緣，然后沿著邊緣到達(dá)可視區(qū)域中適當(dāng)?shù)木w管行。晶體管的源極導(dǎo)體布線更靠近玻璃面板的中心，并以垂直列連接源極。這使得 TFT 的柵極導(dǎo)體比源極導(dǎo)體更長，并且柵極位于顯示器玻璃面板的更外圍。由于這種布置，柵極導(dǎo)體比源極導(dǎo)體更容易受到損壞。
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目視檢查檢測(cè)到與非活動(dòng)像素行相關(guān)的導(dǎo)體中的缺陷。圖 1 顯示了將信號(hào)傳送到 TFT 柵極的導(dǎo)體區(qū)域。圖像顯示了多個(gè)有缺陷的導(dǎo)體。盡管多根導(dǎo)體損壞，但每個(gè)損壞位置僅影響一根導(dǎo)體。鋒利的儀器可能會(huì)損壞多個(gè)導(dǎo)體，但損壞會(huì)呈一條連續(xù)的線，而不是像這張圖片中看到的那樣分散。
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圖 1 中的每個(gè)導(dǎo)體的寬度為 5?m。損壞非常局部，不是由鑷子等大型工具造成的，因?yàn)殍囎右蟮枚唷?/p>

掃描電鏡分析?

為了產(chǎn)生損傷的圖像，我們使用了具有 20 keV 束能量的 SEM。20 keV 光束使電子穿透表面以下約 1?m。選擇了兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步分析。圖2所示區(qū)域?qū)Ω采w導(dǎo)體的鈍化層有明顯損傷。（由二次電子構(gòu)成的 SEM 圖像。）

圖 3 顯示了一個(gè)導(dǎo)體的異常區(qū)域，該區(qū)域比它的鄰居更暗。由于異常，我們選擇了一個(gè)站點(diǎn)。SEM 發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體上的鈍化層沒有損壞。只有指揮受到影響。

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EDX映射

然后我們將 EDX 映射應(yīng)用于圖 2 所示的區(qū)域。檢測(cè)到的主要元素是硅、鋁和鉬。我們以較低的放大倍數(shù)為這三個(gè)元素制作了地圖。圖 4 顯示了捕獲的圖像和元素圖。

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可以從這張圖片中收集到幾條信息。
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整個(gè)面板是在玻璃上制造的。存在于玻璃中的元素是硅、鈣、氧和鈉。我們從地圖中排除了氧氣，因?yàn)樗苍诙趸柚?。在該區(qū)域的繪圖中，沒有注意到鈉或鈣。這表明玻璃在開始構(gòu)建金屬導(dǎo)體之前涂有鈍化層 (SiO2)。
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鋁和鉬在顯示屏上被映射為白點(diǎn)。區(qū)域越亮，特定于這些元素的 X 射線就越豐富。
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鋁制圖顯示了一段缺少鋁的導(dǎo)體。這從損壞的地點(diǎn)開始，并延伸到地圖的右側(cè)。
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鉬的亮度不如鋁，因?yàn)樵谶@些條件下不易產(chǎn)生特征 X 射線。然而，有一個(gè)確定的區(qū)域幾乎沒有鉬。缺失的鉬位于損壞部位。
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硅圖顯示在導(dǎo)體之間檢測(cè)到的硅量更大。導(dǎo)體中的金屬顯著降低了電子對(duì)它們下面的硅的滲透。僅對(duì)導(dǎo)體頂部鈍化層中的硅進(jìn)行成像。在導(dǎo)體之間，電子可以穿過頂部鈍化層進(jìn)入沉積在玻璃上的鈍化層。
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硅圖中的一個(gè)明亮區(qū)域與缺失的鋁位于同一位置。這表明該區(qū)域缺少鋁金屬化，從而使電子能夠深入滲透到底部鈍化層中。
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然后我們將 EDX 映射應(yīng)用于圖 3 所示的區(qū)域。結(jié)果如圖 5 所示。使用與上述相同的邏輯，我們得出以下結(jié)論：
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在損壞區(qū)域沒有注意到對(duì)頂層鈍化層的損壞。
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有一段相對(duì)較長的鋁缺失部分。
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導(dǎo)體的一小部分也不含鉬。
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鉬沿不會(huì)阻止電子滲透，因此該層很薄。
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鈍化損壞的發(fā)生有多種原因，包括沉積、成像和蝕刻過程中的微粒污染，或生產(chǎn)顯示器所需的后續(xù)制造操作過程中的微粒污染。它甚至可能由于熱損壞而發(fā)生。僅 SEM 就表明了這一點(diǎn)。但是，僅 SEM 并沒有向我們顯示圖 3 中發(fā)生的情況，其中存在開路但沒有損壞鈍化層。

這些故障很可能是在玻璃板上金屬化沉積過程中內(nèi)置于產(chǎn)品中的。像這樣的導(dǎo)體的創(chuàng)建結(jié)合了金屬沉積、光刻膠應(yīng)用、成像、顯影和濕化學(xué)蝕刻的幾個(gè)循環(huán)。在任何這些步驟中，光刻膠的粘附問題或光刻膠下方金屬的蝕刻問題都會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生這些明顯的間隙。?

Mark Woolley 是一位故障分析師，在半導(dǎo)體和電子行業(yè)擁有 30 多年的工作經(jīng)驗(yàn)。他是產(chǎn)品技術(shù)和可靠性實(shí)驗(yàn)室（PTRL 實(shí)驗(yàn)室）的首席分析師。他擁有三項(xiàng)專利，并且是電子和故障分析領(lǐng)域文章的作者。

Jae Choi 博士是 Avaya, Inc. 實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)理。他撰寫了多篇關(guān)于塑料聚合和制造的論文。
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　　審核編輯：ymf