TFT－LCD產(chǎn)業(yè)中GOA單元不良的研究

張小祥，頡芳霞，劉 正，郭總杰，袁劍峰，邵喜斌

（1.北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176；2.江南大學(xué) 江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

1 引 言

隨著薄膜晶體管－液晶顯示器（TFT－LCD）的發(fā)展，液晶產(chǎn)品的競爭越來越激烈，各個廠家開始開發(fā)新技術(shù)來占領(lǐng)市場。GOA（Gate driver on Array）技術(shù)是將柵極驅(qū)動器集成在玻璃基板上，形成對面板的掃描［1－2］。由于其低成本、低功耗、窄邊框等優(yōu)點，逐步成為各個廠家研究的新方向［3］。在GOA技術(shù)的發(fā)展過程中，大多主要集中在驅(qū)動電路方面的研究，來解決大尺寸與高分辨率應(yīng)用方面的問題［4－6］，而關(guān)于GOA產(chǎn)品制造過程中的不良鮮有文獻報道。

作為另一種新技術(shù)SSM（single slit mask）技術(shù)，由于窄溝道、高開口率等優(yōu)點，也逐步應(yīng)用在各個產(chǎn)品中［7］。SSM技術(shù)與GOA技術(shù)的結(jié)合使用能得到更窄邊框的產(chǎn)品，但是在array制作過程中 GOA區(qū)域容易發(fā)生ESD （Electro－Static discharge）、溝道橋接（Channel Bridge）與溝道開裂（Channel Open）等不良，嚴重影響產(chǎn)品的良率。本文主要針對8.5代線中GOA產(chǎn)品制造過程中Array工藝出現(xiàn)的主要不良進行分析與改善。

2 GOA單元ESD不良

2.1 現(xiàn)象描述

在4次掩膜板干法刻蝕工藝中，在GOA區(qū)域發(fā)生嚴重的ESD現(xiàn)象，所有面板的發(fā)生率為5.4%，主要集中發(fā)生在整張玻璃基本的中心區(qū)域，中間面板的發(fā)生率為95%，嚴重影響產(chǎn)品的良率。如圖1所示，GOA單元連線處的金屬由于ESD的發(fā)生被熔化，導(dǎo)致GOA單元失效。

圖1 GOA單元ESDFig.1 GOA Unit ESD

2.2 分析與驗證

圖2和圖3分別為GOA區(qū)域發(fā)生ESD的俯視圖和三維圖像，從圖中可以看出，由于ESD的發(fā)生，1處位置的金屬線已經(jīng)被熔化，2處位置的有源層被擊穿。圖4和圖5分別為位置1處和2處的ESD區(qū)域的剖面圖，圖中左邊為正常的形貌高度，右邊為ESD發(fā)生位置的形貌高度。金屬線熔化的區(qū)域（位置1）相比正常的區(qū)域高度差為0.400μm，而此區(qū)域金屬沉積的厚度約為0.395μm，比較可以知道金屬已經(jīng)被全部熔化。有源層擊穿的區(qū)域（位置2）相比正常的區(qū)域高度差為0.12μm，而此區(qū)域的溝道厚度約為0.1μm，比較可以知道溝道有源層被擊穿。位置1和2處的絕緣層都沒有被擊穿，推測可以知道，ESD只是發(fā)生在源漏極刻蝕工藝當層，而不是層間擊穿［8］。

圖2 ESD發(fā)生俯視圖Fig.2 ESD top view

圖3 ESD發(fā)生區(qū)域的三維圖像Fig.3 ESD 3Dmap

圖4 ESD發(fā)生區(qū)域的剖面圖（位置1）Fig.4 Profile of ESD area（Position 1）

圖5 ESD發(fā)生區(qū)域的剖面圖（位置2）Fig.5 Profile of ESD area（Position 2）

圖6為ESD發(fā)生區(qū)域GOA單元的構(gòu)造圖，最右邊為電容C1，由Gate層和SD層的金屬組成，長度為356μm，寬度為200μm。連接電容一側(cè)的金屬寬為36.8μm，連接M3單元一側(cè)的金屬寬為10μm，M3單元的金屬寬為5μm。在干法刻蝕過程中，GOA單元處的電容容易存儲電荷，靜電釋放過程中產(chǎn)生的瞬間電流通過金屬走線傳遞到M3單元。由圖6可以知道，金屬線較細的一端（M3單元）相比較金屬線較粗的一端（連接電容單元）的電阻更大，電容端傳遞的瞬間大電流產(chǎn)生的焦耳能將金屬線熔化，同時將溝道有源層擊穿。

圖6 ESD發(fā)生區(qū)域的GOA單元構(gòu)造Fig.6 GOA unit structure on ESD area

為了驗證電容處釋放的瞬間電流導(dǎo)致ESD的產(chǎn)生，我們選取了3張玻璃基板，在源漏極曝光顯影后，用TFT－LCD維修設(shè)備的激光器將金屬線的上光刻膠燒掉，然后再進行兩濕兩干的工藝。圖7為電容和M3單元連線切斷的圖片，可以看出經(jīng)過激光器燒掉光刻膠后，連線處被斷開。將3張玻璃基板進行檢查，沒有發(fā)生ESD。

圖7 電容和M3單元連線切斷圖Fig.7 Cutting figure between capacitance and M3unit

2.3 改善措施與效果

根據(jù)ESD發(fā)生原因的分析，將電容結(jié)構(gòu)與其它單元斷開或者能迅速將靜電釋放出來，能避免ESD的發(fā)生。圖8為電容與M3單元連線的設(shè)計示意圖，（a）為原有的設(shè)計結(jié)構(gòu)，（b）為改善后的設(shè)計結(jié)構(gòu)。改善后的設(shè)計是將電容與M3單元的連接的金屬線加寬，然后與M3的每個TFT連接，這樣電容處傳遞過來的瞬間大電流能迅速釋放出來，不會導(dǎo)致連線處的金屬線被熔化。GOA連線的設(shè)計從（a）變?yōu)椋╞）設(shè)計后，此處ESD的發(fā)生從5.4%下降為0.04%。

圖8 電容和M3單元連線的設(shè)計示意圖Fig.8 Attachment design between capacitance and M3unit

3 GOA單元溝道不良

3.1 現(xiàn)象描述

GOA產(chǎn)品GOA區(qū)域的圖案密度較高，在TFT－LCD制造過程中，由于顯影作用的影響，容易發(fā)生溝道處的橋接以及開裂的不良。溝道橋接容易發(fā)生在基板的中心區(qū)域，而溝道開裂容易發(fā)生在基板的下邊區(qū)域。溝道橋接和開裂的發(fā)生率為13.4%，嚴重影響產(chǎn)品的良率。圖9為GOA區(qū)域溝道不良圖片，圖（a）為溝道橋接，圖（b）為溝道開裂。

圖9 GOA區(qū)域溝道不良圖片F(xiàn)ig.9 Channel defects on GOA area

3.2 分析與驗證

通過對基板中心區(qū)域溝道橋接的區(qū)域確認，發(fā)現(xiàn)GOA區(qū)域面板（Panel）一側(cè)容易發(fā)生溝道橋接，而相鄰的面板（Panel）的一側(cè)沒有發(fā)生溝道橋接，并且相鄰AA（Active Area）區(qū)域也沒有溝道橋接的發(fā)生。溝道橋接與溝道處光刻膠偏厚有關(guān)，在灰化工藝過程中，溝道處的光刻膠沒有完全灰化，導(dǎo)致金屬殘留，發(fā)生溝道橋接不良。DICD（Develop Inspection Critical Dimension）與溝道處光刻膠的厚度成正比關(guān)系，為了快速測試溝道的光刻膠厚度，用DICD的變化來間接反映光刻膠的厚度，DICD偏大，表示溝道處光刻膠厚度偏厚，DICD偏小，表示溝道處光刻膠厚度偏薄。圖10為DICD測試的位置，面板的上下兩側(cè)為GOA區(qū)域，中間為AA區(qū)域。從Panel 1的一側(cè)的左邊一直測試到Panel 2的右側(cè)，GOA區(qū)域和AA區(qū)域分別測試164點。

圖10 DICD測試的位置Fig.10 DICD measurement position

為了驗證顯影效應(yīng)的影響，將正常顯影和翻轉(zhuǎn)180°顯影的玻璃基板進行了對比。圖11為DICD隨測試點位變化的曲線圖，圖（a）為玻璃基板正常顯影，圖（b）為玻璃基板翻轉(zhuǎn)顯影。玻璃基板正常顯影時，靠進面板空白區(qū)的Panel 1的一側(cè)DICD變化平緩，而靠進面板空白區(qū)的Panel 2的一側(cè)DICD變化有明顯上翹的趨勢，并且GOA上翹的趨勢比AA區(qū)域明顯。玻璃基板翻轉(zhuǎn)180度顯影后，上翹的趨勢變?yōu)镻anel 1側(cè)，GOA上翹的趨勢比AA區(qū)域依然明顯。上翹的區(qū)域DICD較大，表明此處溝道光刻膠的厚度較厚，容易發(fā)生溝道橋接不良。

8.5 代線顯影單元為水平的噴涂顯影，玻璃基板水平通過顯影單元。圖12為顯影過程機理的示意圖，圖上方表示AA區(qū)域的密度分布，圖下方表示GOA區(qū)域的密度分布。玻璃基板以圖12所示方向通過顯影單元，由于面板間空白區(qū)的存在，在顯影過程中需要消耗大量的顯影液，導(dǎo)致空白區(qū)域的顯影液濃度迅速降低。由于顯影液濃度差的存在，AA和GOA區(qū)的顯影液擴散到面板間的空白區(qū)域，導(dǎo)致靠近面板空白區(qū)的AA和GOA區(qū)的顯影濃度不足，出現(xiàn)如圖11所示靠近面板間空白區(qū)域DICD上翹的趨勢。而由于GOA區(qū)域的圖案密度比AA區(qū)域高，瞬間消耗的顯影液少，此時瞬間GOA區(qū)域的顯影液濃度比AA區(qū)域要高，故GOA區(qū)域與面板間空白區(qū)域的顯影液的濃度差比AA區(qū)域與面板間空白區(qū)域的濃度差更大，其擴散的吉布斯自由能更大，擴散速度更快，導(dǎo)致GOA區(qū)域更多的顯影液流向面板間的空白區(qū)域，出現(xiàn)如圖11所示GOA區(qū)域上翹的趨勢比AA區(qū)域明顯，導(dǎo)致GOA區(qū)域溝道橋接不良的發(fā)生。當面板間空白區(qū)通過顯影噴嘴下方時，新的顯影液使空白區(qū)接近顯影飽和，故另一側(cè)面板沒有受到面板間空白區(qū)域的影響，DICD變化比較平緩，沒有發(fā)生溝道橋接不良的問題。

圖11 DICD隨測試點位變化的曲線圖Fig.11 DICD curve by site

圖12 顯影過程機理示意圖Fig.12 Mechanism diagram of development process

圖13為玻璃基板上DICD的分布圖，圖（a）為玻璃基板正常顯影，圖（b）為玻璃基板翻轉(zhuǎn)顯影。

圖13 玻璃基板DICD分布圖Fig.13 Distribution profile of DICD

從圖中可以看出，圖（a）中的下邊區(qū)域明顯DICD偏小，表明此處溝道的厚度偏薄，容易發(fā)生溝道開裂不良。翻轉(zhuǎn)顯影后，圖（b）中的上邊區(qū)域有變薄的趨勢。8.5代線顯影沖洗單元玻璃基板以傾斜5°的方式進行顯影沖洗，下邊偏薄是由于沖洗的顯影液聚集在玻璃基板的下邊緣，而GOA區(qū)域圖案密度高，導(dǎo)致GOA區(qū)域顯影充足，出現(xiàn)溝道處光刻膠偏薄，導(dǎo)致溝道開裂不良的發(fā)生。

3.3 改善措施與效果

通過以上對溝道處橋接和開裂不良原因的分析，顯影單元的顯影和沖洗方向，面板間的空白區(qū)，以及GOA區(qū)域圖案密度較高是影響不良的主要原因。針對溝道橋接的問題，通過減少面板間的空白區(qū)以及在GOA單元的兩側(cè)增加測試GOA單元，來平衡局部的顯影液濃度，防止溝道橋接不良的發(fā)生。針對溝道開裂不良的問題，通過調(diào)整減壓干燥（Vacuum Dry）抽氣曲線以及優(yōu)化軟烘（Soft Bake）底角的溫度，來提高玻璃基板底角的溝道厚度，防止溝道開裂不良的發(fā)生。通過以上設(shè)計和工藝的調(diào)整，將溝道橋接和開裂不良降低到了1.22%以下。

4 結(jié) 論

通過對TFT－LCD制造過程中GOA單元ESD不良，溝道橋接和開裂不良的失效分析、實驗驗證以及改善，主要結(jié)論如下：

（1）GOA區(qū)域ESD的發(fā)生與電容瞬間釋放電流過大和連接金屬線較細相關(guān)，瞬間電流過大產(chǎn)生的焦耳能將金屬熔化以及將導(dǎo)電的有源層擊穿。通過連線的設(shè)計優(yōu)化，將電容釋放的電流分散到M3的各個TFT單元，ESD從5.4%降低到0.04%以下。

（2）GOA區(qū)域的溝道橋接和開裂與顯影單元的顯影和沖洗方向，面板間的空白區(qū)，以及GOA區(qū)域圖案密度較高相關(guān)。通過優(yōu)化GOA區(qū)域的圖案密度，調(diào)整減壓干燥抽氣曲線，以及優(yōu)化軟烘底角溫度，溝道橋接和開裂不良13.4%降低到1.22%以下。

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