扫描电镜结合能谱仪揭示LCD的失效分析

找出液晶显示器失败的原因

SEM 和 EDX 技术的结合揭示了为什么 LCD 屏幕中会出现非活动线。

 

Mark Woolley 和 Jae Choi，Avaya -- 测试与测量世界，2012 年 2 月 29 日下午 2:17:45
 

在许多产品中发现的 TFT（薄膜晶体管）LCD 设备是使用半导体工艺制造的，这些工艺将材料沉积在玻璃基板上。由于尺寸小，TFT LCD 会遇到许多与半导体 IC 相同的故障模式。检查 TFT 显示器的两种方法，即使用 SEM（扫描电子显微镜）和 EDX（能量色散 X 射线光谱）的方法通常仅分析表面。它们的电子束的穿透深度是有限的。

然而，当列电压足够高时，电子可以渗透到材料中 1?m。通常，这足以让您确定底层材料的成分。结合使用 SEM 和 EDX 技术可以帮助您确定故障原因。

SEM 使用与源光束中的电子反应产生的电子产生黑白图像。这些图像显示了基本的拓扑结构，但它们几乎不包含有关存在的元素的信息。同时使用 EDX 检测器也可以指示样品中存在哪些元素。将这两种技术结合起来有助于确定故障原因。

彩色 TFT LCD 显示器是使用在玻璃上形成导体的金属层制造的。导体将电压和电流传送到可视区域中每个 TFT 的源极和栅极。为了减少导体的数量，TFT 的源极连接在垂直列中，而栅极连接在水平行中。通过扫描技术打开单个像素。

栅极导体沿着玻璃面板的底部布线，朝向左右边缘，然后沿着边缘到达可视区域中适当的晶体管行。晶体管的源极导体布线更靠近玻璃面板的中心，并以垂直列连接源极。这使得 TFT 的栅极导体比源极导体更长，并且栅极位于显示器玻璃面板的更外围。由于这种布置，栅极导体比源极导体更容易受到损坏。
 

 

目视检查检测到与非活动像素行相关的导体中的缺陷。图 1 显示了将信号传送到 TFT 栅极的导体区域。图像显示了多个有缺陷的导体。尽管多根导体损坏，但每个损坏位置仅影响一根导体。锋利的仪器可能会损坏多个导体，但损坏会呈一条连续的线，而不是像这张图片中看到的那样分散。
 

图 1 中的每个导体的宽度为 5?m。损坏非常局部，不是由镊子等大型工具造成的，因为镊子要大得多。

扫描电镜分析 

为了产生损伤的图像，我们使用了具有 20 keV 束能量的 SEM。20 keV 光束使电子穿透表面以下约 1?m。选择了两个区域进行进一步分析。图2所示区域对覆盖导体的钝化层有明显损伤。（由二次电子构成的 SEM 图像。）

图 3 显示了一个导体的异常区域，该区域比它的邻居更暗。由于异常，我们选择了一个站点。SEM 发现导体上的钝化层没有损坏。只有指挥受到影响。

 

EDX映射

然后我们将 EDX 映射应用于图 2 所示的区域。检测到的主要元素是硅、铝和钼。我们以较低的放大倍数为这三个元素制作了地图。图 4 显示了捕获的图像和元素图。

 

可以从这张图片中收集到几条信息。
 

 

整个面板是在玻璃上制造的。存在于玻璃中的元素是硅、钙、氧和钠。我们从地图中排除了氧气，因为它也在二氧化硅中。在该区域的绘图中，没有注意到钠或钙。这表明玻璃在开始构建金属导体之前涂有钝化层 (SiO2)。
 

铝和钼在显示屏上被映射为白点。区域越亮，特定于这些元素的 X 射线就越丰富。
 

铝制图显示了一段缺少铝的导体。这从损坏的地点开始，并延伸到地图的右侧。
 

钼的亮度不如铝，因为在这些条件下不易产生特征 X 射线。然而，有一个确定的区域几乎没有钼。缺失的钼位于损坏部位。
 

硅图显示在导体之间检测到的硅量更大。导体中的金属显着降低了电子对它们下面的硅的渗透。仅对导体顶部钝化层中的硅进行成像。在导体之间，电子可以穿过顶部钝化层进入沉积在玻璃上的钝化层。
 

硅图中的一个明亮区域与缺失的铝位于同一位置。这表明该区域缺少铝金属化，从而使电子能够深入渗透到底部钝化层中。
 

然后我们将 EDX 映射应用于图 3 所示的区域。结果如图 5 所示。使用与上述相同的逻辑，我们得出以下结论：
 

在损坏区域没有注意到对顶层钝化层的损坏。
 

有一段相对较长的铝缺失部分。
 

导体的一小部分也不含钼。
 

钼沿不会阻止电子渗透，因此该层很薄。
 

 

钝化损坏的发生有多种原因，包括沉积、成像和蚀刻过程中的微粒污染，或生产显示器所需的后续制造操作过程中的微粒污染。它甚至可能由于热损坏而发生。仅 SEM 就表明了这一点。但是，仅 SEM 并没有向我们显示图 3 中发生的情况，其中存在开路但没有损坏钝化层。

这些故障很可能是在玻璃板上金属化沉积过程中内置于产品中的。像这样的导体的创建结合了金属沉积、光刻胶应用、成像、显影和湿化学蚀刻的几个循环。在任何这些步骤中，光刻胶的粘附问题或光刻胶下方金属的蚀刻问题都会在导体中产生这些明显的间隙。 

Mark Woolley 是一位故障分析师，在半导体和电子行业拥有 30 多年的工作经验。他是产品技术和可靠性实验室（PTRL 实验室）的首席分析师。他拥有三项专利，并且是电子和故障分析领域文章的作者。

Jae Choi 博士是 Avaya, Inc. 实验室的经理。他撰写了多篇关于塑料聚合和制造的论文。
 

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