AMOLED LTPS薄膜缺陷檢測系統：材料世界網

林耿立、葉佳良、楊富程、蔡偉雄、林友崧 / 工研院量測中心

低溫多晶矽(LTPS)作為AMOLED驅動基板，由於其薄膜電晶體元件直接嵌入在玻璃基板上，具有高亮度、超高解析度與輕薄省電等優點。準分子雷射退火(ELA)是在玻璃基板上形成低溫多晶矽薄膜的主流製程技術，其良率關鍵在於雷射退火時形成的a-Si融化再結晶之不均勻導致，影響後續電晶體的電性測試通過與否。根據ELA製程材料結構特性，薄膜結晶缺陷透過影像檢測如同Mura缺陷，本研究發展晶格繞射光檢測技術，開發一線上LTPS薄膜缺陷自動化掃描檢測設備，提供LTPS背板良品與不良品檢測的整板檢測，並挑選結晶均勻性最佳製程參數回饋至ELA生產機台，協助製程機台參數調校最佳化，可滿足在面板產業之需求。

【內文精選】

前言

主動矩陣式有機發光二極體(Activematrix Organic Light-emitting Diode; AMOLED)，特性為自體發光，省略了彩色濾光片與背光模組等結構，具備輕薄省電、高色彩飽和度、廣視角、影像反應時間快速等優點，常用於高解析度的智慧手表、頭戴式虛擬實境裝置、可撓曲式顯示器等產品。AMOLED驅動基板通常使用低溫多晶矽薄膜(Low Temperature Poly-silicon; LTPS)，其製成的薄膜電晶體具備高電子遷移率(載子遷移率約為非晶矽的100倍)，代表採用尺寸較小的電晶體即可提供足夠的充電能力。因此，當光穿透的有效面積變大(高開口率)，可使用較低的功率達到相同的亮度，並達到超高解析度的要求。

在多晶矽薄膜技術中，最廣泛使用在面板產業的技術以準分子雷射退火(Excimer Laser Annealing; ELA)結晶化製程為主流。由於準分子雷射是一種脈衝式雷射，因此脈衝的特性如掃描的重疊次數、雷射能量密度、準分子雷射使用的次數與時間造成的功率飄移，以及外在環境如基板溫度、平台的震動，都會影響到結晶薄膜品質一致性的偏差。

量測系統設計

1. 系統原理

基於ELA製程雷射功率與LTPS晶粒尺寸的關聯性，正常LTPS中晶粒呈周期性排列整齊，如同光柵一樣，倘若雷射能量功率過大或未達標準，觀察SEM影像可發現晶粒呈線狀排列混亂。晶格水平/垂直方向結構週期與晶粒尺寸均勻性息息相關。這種出現微觀結構不均勻的區域，在ELA製程機台雷射掃描方向稱之為Scan Mura，與雷射光束平行的方向稱之為Shot Mura。

2. 系統架構

本研究發展一套線上LTPS薄膜缺陷自動檢測系統，主要採用繞射角投光成像系統作為基本架構，量測系統實體架構如圖三所示。組成元件包含光學模組與控制系統兩大部分：光學模組由高速CMOS線型相機和影像擷取卡與外部觸發裝置搭配側向LED光源組成。

圖三、線上LTPS薄膜缺陷自動檢測系統架構說明圖

3. LTPS薄膜缺陷影像前處理與Mura瑕疵偵測

(1) 預對位量測演算法

開發一套尋邊演算法，避免框選感興趣區域時，切割到黑邊而影響後續分析結果。由於投光系統成像為高斯分布，無法以單一閥值將ED條紋與背景分割開來，原始影像透過Gamma校正來強化影像對比，執行影像水平方向投影成灰階累積直方圖，使用形態學技術去除ED條紋中間間隔的雜訊，採取形態學的侵蝕(Erosion)膨脹(Dilation)，透過與直方圖影像相減的交集計算，可有效地強化原始影像中灰階梯度較強變化的區域，再利用模板做相似性量測來擬合ED樣本製程邊界，得到本研究之感興趣區域影像，尋邊正確率≥99%。

(3)量測結果

本軟體係由工研院量測中心「LTPS薄膜缺陷檢測機台開發團隊」所開發之應用軟體。基本的架構包含四個部分：系統整合線性伺服控制平台系統、視覺檢測系統、影像處理檢測演算法，以及SECS-GEM半導體通訊協定，實現了產線全自動面板檢測。對於3.5代的LTPS產品檢測可在高速移動中進行同步曝光取像控制，結合影像處理分析高解析度影像，經由演算法測得產品個別區域結晶回火效果(影像灰階)與兩種觀測方向的Mura嚴重性的指標(JND值)，提供數量化紀錄與分析Mura以及推算結晶晶粒主週期/晶格分布(Grain Size)情況，進行快速瑕疵檢測與判別目的。對於OED測試片提供最佳條件製程參數選擇(雷射能量)，整板檢測提供LTPS背板良品與不良品檢測，分析ELA製程造成的薄膜Mura情形，整體量測時間≤6 min/Glass @ G3.5，系統雷射功率再現性≤5 mJ/cm²，整體架構如圖九所示---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。