找出液晶顯示器失敗的原因

SEM 和 EDX 技術的結合揭示了為什么 LCD 屏幕中會出現非活動線。

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Mark Woolley 和 Jae Choi，Avaya -- 測試與測量世界，2012 年 2 月 29 日下午 2:17:45
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在許多產品中發現的 TFT（薄膜晶體管）LCD 設備是使用半導體工藝制造的，這些工藝將材料沉積在玻璃基板上。由于尺寸小，TFT LCD 會遇到許多與半導體 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，當列電壓足夠高時，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。結合使用 SEM 和 EDX 技術可以幫助您確定故障原因。

SEM 使用與源光束中的電子反應產生的電子產生黑白圖像。這些圖像顯示了基本的拓撲結構，但它們幾乎不包含有關存在的元素的信息。同時使用 EDX 檢測器也可以指示樣品中存在哪些元素。將這兩種技術結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體的金屬層制造的。導體將電壓和電流傳送到可視區域中每個 TFT 的源極和柵極。為了減少導體的數量，TFT 的源極連接在垂直列中，而柵極連接在水平行中。通過掃描技術打開單個像素。

柵極導體沿著玻璃面板的底部布線，朝向左右邊緣，然后沿著邊緣到達可視區域中適當的晶體管行。晶體管的源極導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 的柵極導體比源極導體更長，并且柵極位于顯示器玻璃面板的更外圍。由于這種布置，柵極導體比源極導體更容易受到損壞。
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目視檢查檢測到與非活動像素行相關的導體中的缺陷。圖 1 顯示了將信號傳送到 TFT 柵極的導體區域。圖像顯示了多個有缺陷的導體。盡管多根導體損壞，但每個損壞位置僅影響一根導體。鋒利的儀器可能會損壞多個導體，但損壞會呈一條連續的線，而不是像這張圖片中看到的那樣分散。
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圖 1 中的每個導體的寬度為 5?m。損壞非常局部，不是由鑷子等大型工具造成的，因為鑷子要大得多。

掃描電鏡分析?

為了產生損傷的圖像，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。選擇了兩個區域進行進一步分析。圖2所示區域對覆蓋導體的鈍化層有明顯損傷。（由二次電子構成的 SEM 圖像。）

圖 3 顯示了一個導體的異常區域，該區域比它的鄰居更暗。由于異常，我們選擇了一個站點。SEM 發現導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 映射應用于圖 2 所示的區域。檢測到的主要元素是硅、鋁和鉬。我們以較低的放大倍數為這三個元素制作了地圖。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，因為它也在二氧化硅中。在該區域的繪圖中，沒有注意到鈉或鈣。這表明玻璃在開始構建金屬導體之前涂有鈍化層 (SiO2)。
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鋁和鉬在顯示屏上被映射為白點。區域越亮，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體。這從損壞的地點開始，并延伸到地圖的右側。
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鉬的亮度不如鋁，因為在這些條件下不易產生特征 X 射線。然而，有一個確定的區域幾乎沒有鉬。缺失的鉬位于損壞部位。
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硅圖顯示在導體之間檢測到的硅量更大。導體中的金屬顯著降低了電子對它們下面的硅的滲透。僅對導體頂部鈍化層中的硅進行成像。在導體之間，電子可以穿過頂部鈍化層進入沉積在玻璃上的鈍化層。
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硅圖中的一個明亮區域與缺失的鋁位于同一位置。這表明該區域缺少鋁金屬化，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 映射應用于圖 3 所示的區域。結果如圖 5 所示。使用與上述相同的邏輯，我們得出以下結論：
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在損壞區域沒有注意到對頂層鈍化層的損壞。
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有一段相對較長的鋁缺失部分。
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導體的一小部分也不含鉬。
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鉬沿不會阻止電子滲透，因此該層很薄。
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鈍化損壞的發生有多種原因，包括沉積、成像和蝕刻過程中的微粒污染，或生產顯示器所需的后續制造操作過程中的微粒污染。它甚至可能由于熱損壞而發生。僅 SEM 就表明了這一點。但是，僅 SEM 并沒有向我們顯示圖 3 中發生的情況，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置于產品中的。像這樣的導體的創建結合了金屬沉積、光刻膠應用、成像、顯影和濕化學蝕刻的幾個循環。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在導體中產生這些明顯的間隙。?

Mark Woolley 是一位故障分析師，在半導體和電子行業擁有 30 多年的工作經驗。他是產品技術和可靠性實驗室（PTRL 實驗室）的首席分析師。他擁有三項專利，并且是電子和故障分析領域文章的作者。

Jae Choi 博士是 Avaya, Inc. 實驗室的經理。他撰寫了多篇關于塑料聚合和制造的論文。
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　　審核編輯：ymf