助力折疊手機持續開發 分析檢測功不可沒

作者 : 雷秀玲、邱珮如,作者依序為閎康科技專案管理處主任工程師、技術行銷處副理

2021年三星Galaxy Z系列折疊手機的成功銷量讓手機市場為之驚豔,這波潮流也帶動折疊手機市場的持續投入。閎康科技透過拆解手機,以及進一步的分析檢測來觀察轉軸設計,帶領各位一同深入探討關鍵元件的先進製程趨勢。

2021年三星Galaxy Z系列折疊手機的成功銷量讓手機市場為之驚豔,這波潮流也帶動折疊手機市場的持續投入。除了價格的考量,消費者更關注的是折疊手機的耐用性與功能規格,閎康科技透過拆解手機,以及進一步的分析檢測來觀察轉軸設計,帶領各位一同深入探討關鍵元件的先進製程趨勢。

有別於單螢幕的直立式手機,折疊螢幕手機最顯著的外觀特徵就是折疊區域的轉軸鉸鏈及軟性面板。首先透過非破壞性的3D X-Ray掃描,透視內部元件的組合方式,以及轉軸運作時的型態。接著再拆解折疊手機,取出內部的關鍵元件進行更進一步的分析。舉例來說,藉由掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM),可以觀察折疊面板剖面的細微結構,以及內部每層的厚度;接著使用飛行時間式二次離子質譜儀(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry,TOF-SIMS)來獲得OLED層與TFT層的元素成份。

此外,旗艦機種所使用的手機鏡頭、內部的CMOS影像感測器(CIS)與最新製程的NAND快閃記憶體(flash),也都是非常值得觀察的部份。相機鏡頭的CMOS結構可以使用SEM進行觀察,得到畫素層與邏輯晶片層的相對位置關係;而NAND快閃記憶體的橫截面結構,則可以透過聚焦式離子束顯微鏡(Focused Ion Beam Microscope,FIB)進行樣品製備,再搭配具有原子解析度的穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)及能量色散X射線譜(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,EDS),就能夠清楚鑑別奈米級的NAND string多層膜,完成結構觀察及成份分佈(EDS Mapping)分析。

轉軸鉸鏈分析

折疊螢幕手機與單螢幕手機外觀最明顯的差異就在於螢幕折疊功能,其中的關鍵元件即是用來支撐手機開合與螢幕連接的轉軸。轉軸內部鉸鏈是由多個精密元件經過繁雜的組裝而成,而這也是使得鉸鏈成本居高不下的原因。2021年已有手機廠商在進行將鏡頭組安裝到鉸鏈的專利申請,用以加大外部螢幕顯示,由此可知轉軸設計也是折疊手機的重要研發方向。

我們知道X光可穿透大多數的物質,因此X光檢測是以非破壞的方式,來探索物體的內部構造。閎康科技使用的3D X-Ray檢測技術,利用旋轉樣品的方式得到樣品各種不同方位的二維X光影像,再配合電腦演算將這些二維影像組合成三維X光斷層影像,因此3D X-Ray無疑是最適合用來透視折疊手機轉軸內部鉸鏈結構的利器。

圖1為折疊螢幕手機轉軸的3D X-Ray影像,金屬鉸鏈的立體結構影像清晰可見,在3D X-Ray掃描過程中可以對立體影像進行各種方向的旋轉,利用不同視角進行觀察。此外,也可以透過軟體的截面觀察功能,檢視不同位置的鉸鏈截面,例如在立體影像上隨意選擇位置(圖1範例選擇ABC三平面),軟體即可顯示這些所選平面位置的橫截面影像,方便觀察轉軸鉸鍊及軟性面板的相對位置,在不破壞樣品的前提下,進行樣品的失效分析。

 

圖1:折疊手機之轉軸鉸鏈的3D-X Ray影像。

 

折疊面板分析

折疊螢幕手機的另一個關鍵元件是折疊面板,軟板材料無疑扮演了折疊面板的主要角色。折疊螢幕手機採用軟性AMOLED螢幕(Active-matrix organic light-emitting diode,主動矩陣有機發光二極體),展現其軟性可撓的特質,相對於LCD螢幕需要背光板,AMOLED具備輕薄、低耗能、顏色鮮豔與螢幕反應更快等優點。AMOLED的結構(圖2)主要包含OLED層、TFT層,以及軟性基板層,OLED層又可簡單區分成陰極層、有機發光層及陽極層。

 

圖2:AMOLED結構簡圖。

 

由於折疊面板每一層材料都必須可彎曲折疊,目前市場主流的軟性基板層使用透光性較高的透明聚醯亞胺軟性薄膜(Polyimide,PI),在折疊動作下可能產生有機膜層分離或脆裂。因此用於防止水氣、氧氣入侵面板內部使有機材料劣化,進而造成顯示故障的多層薄膜封裝技術,是折疊手機的另一個技術發展的重點。

圖3是折疊面板經過製備後的剖面SEM影像,由圖3(a)可以清楚看到OLED層位於TFT array上方,OLED層厚度在50um以下。另外TFT array由多個重複的電極單元組成,用來調控畫素點使之發光,電極單元經量測的長度為60μm,也代表了畫素點的大小。圖3(b)為電極單元經過放大倍率的SEM影像。

 

圖3:(a) AMOLED結構的剖面SEM影像,(b) TFT array的SEM影像。

 

而TFT array層的平面排列方式,則可以藉由TOF-SIMS的Ti+、In+二次離子影像來觀察(圖4),不同層結構的特徵TOF-SIMS離子影像結果可以應用於AMOLED在有機與無機材料、汙染物與製程不良上的分析研究。

 

圖4:TFT層的TOF-SIMS離子影像。

 

晶片分析(CMOS & flash)

  • CMOS

在手機CIS追求高畫素、小畫素的趨勢下,背照式(BSI)加堆疊式結構亦已成為市場主流。Galaxy Z Flip3鏡頭主要有兩顆後攝鏡頭加上一顆前攝鏡頭,主攝、廣角和前攝分別為SONY IMX 563、IMX 258、IMX 374。圖5(a)為影像感測器去除Micro Lens後的SEM剖面圖,可以看到從上到下是由畫素層和邏輯晶片層貼合而成。畫素層包含了光電二極體(photodiodes,PD)和wiring,從SEM影像顯示出背照式CIS和堆疊式CIS結構,光電二極體,以及畫素電晶體(pixel transistors)位於同一層。畫素層和邏輯晶片層的製程改進持續推進CIS技術的發展,日前業界已研發出感光效果高於傳統兩倍的堆疊式CMOS影像感測器,為雙層電晶體畫素(two-layer transistor pixels)結構,其設計將光電二極體以及畫素電晶體兩者設置在不同層,是這類鏡頭在硬體上的一大重大突破。

 

圖5:CIS的剖面SEM影像。

 

  • Flash

折疊手機除了要有高效處理性能,大容量的資料儲存晶片也是重要配備之一,以符合新一代的應用需求,3D NAND快閃記憶體需要持續創新製程架構,才能達到5G、AR/VR和AI等新興應用對於資料儲存的龐大需求。在圖7(a)範例中的晶片的型號為Samsung-KLUDG4UHDC-B0E1-128GB,從X-Ray影像可看出裡面有四個晶粒,將晶片經過delayer處理後,就可直接觀察晶粒外觀(圖7 (b))。聚焦離子束顯微鏡(Focus Ion Beam Microscope,FIB)利用質量比電子大上許多的鎵(Ga)或是氙(Xe)離子,在試片上特定位置,以轟擊(bombardment)或噴濺(sputtering)進行選擇性研磨(selective milling),達到定點加工和切割試片的目的,因此可以做到奈米等級的精確定位與切割,以及TEM試樣薄片製作。TEM則是將高能量電子束投射到超薄樣品上,產生立體角散射成像,適合用於觀察樣品的精細結構。

 

圖6:Samsung-KLUDG4UHDC-B0E1-128GB快閃記憶體晶片(藍框處)。

 

圖7:(a)晶片正面與背面光學影像與X-Ray影像,(b)晶片經過delayer後顯示4個晶粒,(c)FIB在晶片的下刀位置之光學影像與TEM分析位置。

 

圖8(a)為NAND經過FIB處理後的截面TEM影像,經過計算得知為136 gate layers,堆疊層數增加可以提升3D NAND快閃記憶體儲存容量。如何保持結構的穩定性也是製程上的挑戰,例如替代層堆疊(模組層)、WL階梯最佳化、垂直通道孔HAR蝕刻和ALD層製程、ONO切割、犧牲層去除、替換閘極填充、CSL溝槽輪廓、晶片翹曲和相關製程均勻性等等。

 

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圖8:(a)NAND的TEM圖,(b)及(c) NAND string不同倍率的TEM圖,(d)NAND string的元素EDS成像圖,清晰顯現NAND string通道多晶矽環的交替沉積氧化物與氮化物薄膜結構。

 

EDS能量色散X射線譜(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)在半導體結構與故障分析的領域中,因其使用的便利性一直扮演著非常重要的角色,在結構組成或缺陷來源的層別上往往都離不開EDS元素分析的功能。閎康科技新購入的EDS detector是架設在TEM上,其無窗式的設計使輕元素的偵測效能有顯著的提升,超大面積的構造則為偵測效率帶來加分的效果,尤其在元素的濃度層別上具有優異的辨別能力(圖8(d))。

隨著相關技術的日趨成熟,許多手機大廠均投入折疊手機市場,發表各類型的折疊螢幕手機。因應各種電子產品日益精進的製程發展,閎康科技以20年以上的分析技術與經驗為基礎,持續不斷地研發與更新分析機台設備硬體,能夠徹底解決產業界各種疑難雜症,提供客戶及產官學各界良好的分析服務與品質。

(本文由閎康科技提供)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年3月號

 

 

 

 

 

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