阵列测试检查装置

12.7　阵列测试检查装置

阵列测试检查装置是TFT阵列制造完成以后，对TFT阵列基板进行电气检查的装置。在G，D端子上加上栅极信号和数据信号，以正常TFT信号（G/D）为参考，测量从被测像素所输出的信号，与正常信号进行比较，从而检出缺陷。如图12.19所示，图（a）是测试原理示意图，图（b）是标准信号曲线与缺陷信号曲线的比较，实线是标准TFT的电流电压特性曲线，虚线是有缺陷的TFT的电流电压曲线。

这里介绍岛津制作所制造的像素慧眼5000（Pixel Scope 5000，PS5000）阵列测试检查装置，如图12.20所示。这个装置一共有7个电子枪，每个电子枪系统都由电子枪、检测器、控制板、计算机组成。最后由终端计算机控制这7个电子枪系统和马达、真空等设备。

1.工作原理

PS5000的数据流如下：电子束/基台扫描、相关系数运算→输出未处理过的数据（以上是数据获得部分）→波形的平滑→各个电子枪获得的波形的归一（这两步是数据处理部分）→归一后的数据输出→缺陷识别→获得缺陷分布数据。

图12.19　TFT特性测试原理示意

图12.20　PS5000阵列测试检查装置

PS5000检测的简单原理是由电子枪发射电子束入射到待测的基板上，1个电子枪系统包括电子枪、探测器、控制板和计算机，探测器检测基板上出射的二次电子信号如图12.21所示。二次电子信号的强弱是由像素上的电压与探测器之间的电压差决定的，因此二次电子量的变化反应了像素上的电压变化。由于检测时保持的真空度不是很高，因此采用闪烁探测器。

PS5000扫描的方式如下：因为有7个电子枪系统，因此基板长边被分为7块，每个电子枪扫描其中的一块，其中每一块又被均分为4个部分（Pass），每个Pass宽47mm，基台沿X轴移动一次，扫描一个Pass。在扫描一个Pass的时候，电子枪是按3mm×47mm区域一块块扫描的，每一个区域重复扫描20次。如果像素的大小是0.1mm×0.3mm的话，那么这个区域中就有10行和470列共4 700个像素。对PS5000来说，一个像素要扫描4点，最后输出的数据是这4个点的平均，那么一个3mm×47mm区域中就要扫18 800个点。扫描一点的时间是0.1μs，那么一个3mm×47mm区域扫描一次用的时间大约是1.8ms。在这样扫描一次前装置还会对像素写入一次信号，写入时间是0.6ms，那么扫描一次的总时间是2.4ms，一个区域扫描完所需的时间就是48ms。一个Pass中共有360个扫描区域，则一个Pass所需时间是17.3s，整个基板所需时间大致就是69s。扫描过程是为了保证一个扫描区域中的20次重复扫描都能扫描在相同点上，电子枪上有X方向和Y方向的偏转电压控制。每一个像素最后得到的波形就由20个数据点构成。虽说也可以减少重复扫描的次数来加快检查的速度，但这就会影响缺陷检出的精度。如何获得一个速度快、精度也符合要求的条件，就需要在工作中不断积累经验。

图12.21　PS5000检测的简单原理

在得到探测器获得的二次电子信号后，ICM会把得到的信号和标准信号相乘并积分获得输出的数据，这个数据称为相关系数。根据这个相关系数的值就可以进行缺陷判定。这样处理降低了噪音，提高了缺陷分辨率。能达到这样的效果是因为一般给像素的信号在扫描周期内是一个一正一负对称的波形，无论是缺陷还是正常的二次电子信号，在积分后得到的数据都是差不多的。但是，如果把二次电子信号乘以一个参照信号后再积分而得到一个相对数值，则缺陷和正常的相对数值就完全不一样了，就可以很容易地区分出缺陷。

在得到相对数值后还要进行平滑和归一化两步处理。平滑处理是为了扣除本底和噪音，归一化是为了将7把电子枪得到的数据统一起来用一个标准判别。平滑是采用中性滤波（median filter）方法，其中有关噪音的阈值是生产线上根据产品决定的。归一化的方法如下：基台上有7块铝板，每次检查前电子枪都会扫描铝板，归一的时候就以这时得到的二次电子数为0，设正常像素的二次电子数为100（二次电子数值相同最多的为正常值），共计255级，如果换算的时候超过255就取为255。

阵列检测装置的Recipe文件主要有以下部分：玻璃基板、基板信息、缺陷类型列表、分类条件、软件掩模板（software mask），重访条件（revisit condition）。基板信息的设定包括：屏的几何参数、长边和短边上的屏的个数以及LU的位置、像素的大小、屏的分辨率、采样点的数目。考虑到电子束从扫描终点回到扫描起点需要一定的时间，横向扫描的点要比实际扫描的点数多加20。LU的颜色、缺陷列表和缺陷分类条件的设定根据产品决定。

为了检查短路、断路等缺陷，驱动输入分为3部分，相对地，探测一个像素的20个点也分为3部分视场1、视场2、视场3，如图12.22所示。前8个点是视场1，接下来8个点是视场2，最后4个点是视场3。

图12.22　驱动输入的3个部分

由这个驱动可以把像素上的电压分为8个部分，第1、第2部分为视场1，第3、第4、第5、第6部分为视场2，第7、第8部分为视场3。

第1部分：1～4周期，这期间像素电压不变，取一个周期的像素为例，见表12.6，其像素信号如图12.22所示。

第2部分：5～8周期，这期间像素电压不变，取一个周期的像素为例，见表12.7。

表12.6　1～4周期中一个周期的像素

表12.7　5～8周期中一个周期的像素

第3部分：9～10周期，取一个周期的像素为例，见表12.8。

第4部分：11～12周期，取一个周期的像素为例，见表12.9。

表12.8　9～10周期中一个周期的像素

表12.9　11～12周期中一个周期的像素

第5部分：13～14周期，取一个周期的像素为例，见表12.10。

第6部分：15～16周期，取一个周期的像素为例，见表12.11。

表12.10　13～14周期中一个周期的像素

表12.11　15～16周期中一个周期的像素

第7部分：17～18周期，取一个周期的像素为例，见表12.12。

第8部分：19～20周期，取一个周期的像素为例，见表12.13。

表12.12　17～18周期中一个周期的像素

表12.13　19～20周期中一个周期的像素

视场1主要检查断路和非短路的缺陷，视场2主要检查横向像素-像素短路和源-源短路，视场3主要检查纵向P-P短路和栅-栅短路。在不同的视场中对信号的积分方式也是不同的，视场1中的相关值是用∫S（t）r（t）dt公式来计算的，其中r（t）是参考Mask中设置的参照信号，视场2、视场3中的相关值是用公式∫S（t）dt来计算的。另外，在驱动中负电平有两个电压，这是为了更好地检出短路缺陷而设计的。更大的负电压则要根据TFT特性确定（TFT打开是根据VG-VS的大小决定，若超过一定数值就会打开，例如，打开条件是VG-VS≥10V，那么栅极电压为-15V，源极电压为-25V时，TFT也是导通的状态。让输入信号更低，就是为了让TFT一直处于写入的状态）。这样能更好地区分出短路缺陷。

根据这3个不同的视场区间，可设定不同的阈值，对缺陷进行分类。例如，在区域视场1，如果检测得到的二次电子信号经过处理后的数值小于阈值，那么可以断定存在断路缺陷。

2.维护

关于装置维护与消耗品的更换。主要是电子枪中灯丝和闪烁探测器中荧光玻璃的更换，更换后需要调整装置的参数设置。

电子枪的灯丝材料为钨，更换灯丝要等电子枪关闭后半小时以上，因为电子枪使用时灯丝温度在1　000℃以上。电子枪的构造如图12.23所示。

图12.23　电子枪构造示意

电子枪可调的参数为：灯丝电流、灯丝外的栅极电压、基准电压、偏转电压值、聚焦电压。

灯丝电流决定灯丝发出的电子量的多少。调换后设定的值要保证电子束的电流达到2 000nA左右。栅极电压也是用来调整电子束电流大小的，加上电压后会使电子从灯丝处出来后能集中起来，栅极的电压可设定的范围是-6 000V＋（-40～-140V），一般使用时设定的范围为比灯丝电压低80～100V。随着电压值的增大，电子束电流先是增大然后又会减小，所以在更换灯丝后，要调整这个参数，找到对应电流极大值时的参数值。

校准和屏蔽部分是用来防止外界电磁场干扰的，由4个线圈组成，一般不使用。

聚焦线圈是用来对灯丝发射的电子束进行聚焦用的，更换电子枪后，这部分参数也要进行调整，调整时把基台移动到电子枪可以扫描对焦用的栅极位置，通过观看SEM图像是否达到最大清晰度来确定聚焦参数。

X偏转和Y偏转是用来控制电子束的偏转电压的，通过改变线圈上的偏转电压可以让电子束在X，Y方向上扫描。

在最下面的栅极盒中还有两块grid，一般上面一块的电压为0V，下面一块的电压为-6V。这一部分的设置主要是为了更好地把TFT上的正常电压与非正常电压区分开来。譬如，当ITO与Grid（设为0V的时候）之间的电压差小于-4V时，探测器检测到的二次电子数目就大致相同了（就是说，ITO上-4V与正常电压-10V的二次电子数目相同），这种情况是由ITO本身材料决定的，那么检查设备就无法区分ITO上-4V到-10V之间的电压，这部分就会都被当成正常的。而如果将grid电压设置为-6V，则ITO上电压为-10V时与grid的电压差是-4V，-9V时电压差就为-3V，那么就可以把正常的和不正常的区分开来。而且，这样最大负电压和最大正电压的对比度也是最大的。如果把电压再设置为比-6V低，那么ITO上的电压为-10V时的二次电子数也相对减少，则对比度就会下降。这个电压值的设定要根据经验、经过反复调试才能得到。

在更换电子枪的灯丝（灯丝）或更换电子枪后，还需要对电子扫描的轨迹进行调整（scan mapping）。这是因为更换灯丝或电子枪后，电子束出射的条件发生了变化，如果沿用原来设定的偏转电压来控制电子束的扫描位置，得到的扫描轨迹并不一定符合实际需要，因此要确定新的扫描位置所对应的偏转电压，就要进行扫描的轨迹调整。扫描的轨迹调整的区域为7mm×50mm，比实际使用的扫描区域（3mm×47mm）要稍微大一点。扫描的轨迹调整一共分为5行11列共55块，分别对每一块进行校正。校正时，使用一块固定在基台上的校正基板，基板上有一个十字标志。扫描轨迹调整时，把这个标志移到要校正的那块区域的正中处，看SEM画面中此标志是否在正中。如果不在正中，要用COGNEX软件进行计算调整偏转电压，然后再判断SEM画面中的标志是否移到这一块的正中，如果是，则这一块的校正就完成了，软件会记下此时的电压，如果不是，继续调整，直到标志调整到正中，这样依次调整55个区域，完成一次扫描轨迹的整个调整工作。

闪烁探测器的结构如图12.24所示，闪烁晶体每年更换一次。

图12.24　闪烁探测器的示意

闪烁晶体的更换步骤如下：通过给主腔和电子枪缓慢注入氮气，解除主检测腔和电子枪真空状态，让其内部的压强升到一个大气压。为了防止装置被损坏，解除真空状态必须缓慢进行。同时还要注意，一定要在分子泵完全停止运行后才能注入氮气。接着把电子枪上的空气阀卸下来，然后把探测器整个取出。

接下来把闪烁晶体从探测器中取出。先把连接在闪烁探测器前的栅极上的导线卸下，然后把栅极拿下来。把连接在闪烁探测器帽上的导线取下，松开固定闪烁探测器帽的螺丝，把它从光导轨上取下来。把闪烁探测器从闪烁探测器帽中拿出来放到桌子上，要把有荧光粉的那一面放在上面，取下的过程中不要让荧光粉掉下来。然后把新的闪烁探测器放入闪烁探测器套中，把闪烁探测器套安装到光导轨上。此时，要用万用表测量闪烁探测器套和输入脚之间的电阻，确认没有断路。接着就可以把探测器装回到装置上。在取下和安装的时候要注意不要让光栅和闪烁探测器、闪烁探测器帽的探测面接触到其他物体。

在检查的时候可能出现的问题是：

（1）探针的位置没有对准。脚（pin）没有接触到引出端子。这种情况一般是由于引出端子做得过小，如果端子做得足够大的话，不会出现这种接触不良的故障。

（2）检出结果无法显示（如某个区域显示全黑）。这是由于终端电脑的内存不够导致的，应关掉一些暂时不用于检查的程序。

（3）同一pass中的各个扫描面积的对比度不均匀。这种情况是由于电子枪的工作状态不稳定造成的。如果供电系统不稳定，或者是灯丝使用时间长，到了接近烧断的状态都可能出现这种故障。一般两个月更换一次灯丝就不会发生这种故障。

（4）扫描区域错位。这是由于7支电子枪没有同步。触发信号由TCM发出传到显示驱动，显示驱动分别发送到7个ICM。理论上触发信号应该是同时送到ICM触发电子枪开始扫描。如果受到外界干扰，7个电子枪的ICM得到的触发信号不同步，那么把7个电子枪扫描的图片组合起来的时候就会出现错误，产生非常多的缺陷。一般来说，会给检查设置一个警报，当缺陷数量超过设定的值，检查装置就会报警，这样就可以马上检查是否是由于噪音导致扫描不同步。

（5）检查结果中出现大的亮点。这可能是闪烁探测器的问题，需要更换。