TFT-LCD摩擦工藝ESD研究與改善

高榮榮, 周保全, 江 橋, 滕 玲, 陳維誠, 左愛翠, 郭紅光, 韓基挏

(合肥京東方光電科技有限公司 Cell分廠，安徽 合肥 230012)

1 引 言

TFT-LCD制程過程中摩擦工藝很容易發(fā)生ESD,這種ESD對TFT器件影響較大，可以燒毀TFT器件溝道使面板點(diǎn)亮?xí)r產(chǎn)生異常[1]，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)同時(shí)變相增加了面板成本，所以ESD需要從根本上改善。

本文以6G工廠中生產(chǎn)的317.5 mm(12.5 in)產(chǎn)品為例，研究在摩擦過程中ESD問題。ESD容易導(dǎo)致面板區(qū)域多個(gè)連續(xù)TFT器件溝道燒毀，面板點(diǎn)燈狀態(tài)表現(xiàn)為半截亮線。通過不良分析和實(shí)驗(yàn)測試找出工藝和設(shè)計(jì)改善方法，從根本上解決摩擦過程中ESD問題。

2 ESD現(xiàn)象與特點(diǎn)

2.1 ESD器件燒毀現(xiàn)象

面板在點(diǎn)亮?xí)r可以看到ESD燒毀TFT器件溝道產(chǎn)生的一條短亮線，短亮線所有畫面下均可見，目鏡(×20)觀察短亮線為像素發(fā)亮，一般為連讀幾個(gè)像素都會發(fā)亮，宏觀表現(xiàn)為一條短的亮線，如圖1所示。

圖1 亮線現(xiàn)象Fig.1 Phenomenon of data open

顯微鏡確認(rèn)短亮線區(qū)域TFT器件溝道有異常痕跡(圖2)，且FIB確認(rèn)可見TFT溝道區(qū)域內(nèi)部膜層有燒毀現(xiàn)象(圖3)。

圖2 亮線顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Microscope phenomenon of data open

圖3 靜電燒毀FIB圖片F(xiàn)ig.3 FIB picture of ESD

3 ESD原理

摩擦工藝中，摩擦布摩擦TFT玻璃基板，由于TTF基板上有金屬層。摩擦布和TFT基板摩擦過程中產(chǎn)生靜電，當(dāng)靜電積累到一定程度發(fā)生放電，放電瞬間產(chǎn)生的大電流燒毀TFT器件[2]，導(dǎo)致TFT器件無法正常工作，在面板點(diǎn)亮?xí)r，異常器件的像素區(qū)域表現(xiàn)為發(fā)亮，表現(xiàn)在面板上為短亮線。

摩擦工藝是TFT-LCD行業(yè)中使液晶分子配向工藝[3]，即摩擦布在TFT基板上高速運(yùn)轉(zhuǎn)相互摩擦，最終摩擦布使TFT玻璃基板上的配向膜具有配向能力[4],液晶分子可以按照一定順序排列在配向膜上，如圖4所示。

圖4 摩擦工藝示意圖Fig.4 Rubbing process

在摩擦工藝中，摩擦輥的轉(zhuǎn)速1 200 r/min，基板前進(jìn)的速度為50 mm/s, 摩擦布的壓入量為0.4 μm[5]，實(shí)際摩擦工藝中摩擦布和玻璃基板高速摩擦?xí)r容易產(chǎn)生大量摩擦靜電，靜電在基板上釋放過程中容易燒毀玻璃基板上的TFT器件溝道[6]。對玻璃基板上TFT器件燒毀的線路進(jìn)行確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)異常放電的原因?yàn)門FT基板IC交界位置處有大塊金屬，大塊金屬電容較大，摩擦過程中聚集大量電荷容易放電產(chǎn)生大電流，燒毀線路上比較薄弱的器件溝道位置即發(fā)生ESD。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)測試在TFT-LCD 6G工廠中進(jìn)行，選取317.5 mm(12.5 in)產(chǎn)品為例進(jìn)行測試，每次實(shí)驗(yàn)測試都是單變量測試，實(shí)驗(yàn)中除了測試變量外其他生產(chǎn)工藝均相同，最后樣品做成產(chǎn)品形式，再點(diǎn)燈對樣品進(jìn)行ESD發(fā)生與否判定,同時(shí)對不良樣品顯微鏡確認(rèn)器件溝道是否有燒毀痕跡，最后綜合統(tǒng)計(jì)ESD的發(fā)生率。

4.1 工藝影響

4.1.1 摩擦設(shè)備濕度對ESD 的影響

在摩擦工藝中，設(shè)備濕度影響摩擦過程中產(chǎn)生的靜電。我們對摩擦設(shè)備的濕度進(jìn)行測試驗(yàn)證，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如表1所示。

表1 不同濕度設(shè)計(jì)Tab.1 Design of different humidity

4.1.2 設(shè)備機(jī)臺涂布防靜電液對ESD的影響

設(shè)備機(jī)臺涂布防靜電液形成極薄的透明膜，提供持久高效的靜電耗散功能，對摩擦設(shè)備機(jī)臺涂布防靜電液和不涂布防靜電液進(jìn)行測試驗(yàn)證，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如表2所示。

表2 機(jī)臺涂布防靜電液設(shè)計(jì)Tab.2 Design of electrostatic prevention

4.1.3 摩擦布壽命對ESD影響

選取摩擦布不同壽命對玻璃基板進(jìn)行摩擦，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如表3所示。

表3 不同摩擦布壽命設(shè)計(jì)Tab.3 Design of different rubbing clothing lift time

4.2 設(shè)計(jì)影響

ESD放電源頭是TFT基板上IC中間位置大塊金屬在摩擦工藝中產(chǎn)生大量電荷，電荷對周邊金屬信號線放電，燒毀與輸入信號線連接的TFT器件溝道，導(dǎo)致面板點(diǎn)亮?xí)r產(chǎn)生短亮線,對面板畫質(zhì)產(chǎn)生影響。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)把懸空大塊金屬變?yōu)樾K金屬，且小塊金屬的排列為交錯(cuò)排列，如圖5所示,防止在摩擦過程中積累大量電荷發(fā)生ESD。

圖5 大塊金屬設(shè)計(jì)變更示意圖Fig.5 Design change of floating large metal

5 結(jié)果與討論

5.1 工藝方面

5.1.1 摩擦設(shè)備濕度對ESD影響結(jié)果

從圖6可以看出，摩擦設(shè)備濕度增加，ESD發(fā)生率降低。當(dāng)濕度達(dá)到64RH%時(shí)，ESD發(fā)生率0.51%。

圖6 不同濕度對應(yīng)ESD發(fā)生率Fig.6 Result of different humidity

當(dāng)濕度等于64RH%，空氣的相對濕度增加，玻璃基板表面增加水膜，使表面電阻率大大降低，靜電荷就不易積聚，積累電荷量變少。摩擦過程中產(chǎn)生的ESD減小[7]，最終對TFT器件的損傷減小，產(chǎn)品不良率降低。

當(dāng)濕度等于58RH%，摩擦工藝中產(chǎn)生的靜電不易消散，有可能形成高電位。容易在摩擦過程中產(chǎn)生ESD[8]。所以當(dāng)摩擦設(shè)備濕度較低時(shí)容易發(fā)生ESD，損害玻璃基板上的TFT器件。

5.1.2 設(shè)備機(jī)臺涂布防靜電液對ESD的影響

從圖7可以看出，摩擦設(shè)備機(jī)臺涂布防靜電液， ESD發(fā)生率明顯降低為1.2%。

圖7 有無防靜電液ESD發(fā)生率Fig.7 Result of electrostatic prevention

玻璃基板放置在設(shè)備機(jī)臺上，如圖8所示。機(jī)臺上涂布防靜電液時(shí)，防靜電液涂在玻璃基板背面，可以形成極薄的透明膜，提供持久高效的靜電耗散功能，能有效消除摩擦產(chǎn)生的靜電積聚[9]，所以涂布防靜電液后ESD比例明顯降低。

圖8 摩擦設(shè)備涂布防靜電液Fig.8 Anti-static fluid on EQP stage

5.1.3 不同摩擦布壽命對ESD影響

從圖9可以看出，隨著摩擦布壽命增加，ESD發(fā)生率升高。

圖9 摩擦布壽命對應(yīng)ESD發(fā)生率Fig.9 Result of rubbing clothing lift time

隨著摩擦布壽命的增加，摩擦布的布毛經(jīng)過多次摩擦后可能積累了電荷或者是材質(zhì)有一定變化， ESD發(fā)生率明顯升高。

5.2 設(shè)計(jì)方面

5.2.1 玻璃基板懸空的大塊金屬對ESD影響

從圖10可以看出，設(shè)計(jì)方面上IC中間位置的大塊金屬變更為小塊金屬，不良率降低為0%。

圖10 大塊金屬變更ESD發(fā)生率Fig.10 Result of floating large metal

大塊金屬變?yōu)樾K金屬時(shí)，平行版電容器電容變小，儲存電荷的能力變小，電容公式如下：

(1)

變更前電容：

(2)

(3)變更后電容：

(3)

其中:S為金屬交錯(cuò)面積，大塊金屬變更為小塊金屬后，S變小導(dǎo)致C變小。電容器容量變小[10]。摩擦過程中金屬上聚集電荷變少則不容易發(fā)生ESD。

6 結(jié) 論

G6工廠生產(chǎn)12.5 FHD產(chǎn)品通過設(shè)計(jì)變更將TFT基板上IC中間位置大塊金屬變更為小塊金屬，從而降低在摩擦過程中的靜電積累， ESD發(fā)生率由20%下降到0%。

通過對摩擦工藝ESD研究，找出設(shè)計(jì)方面和工藝方面改善摩擦靜電的方案。設(shè)計(jì)方面可以盡量避免大塊金屬的設(shè)計(jì), 大塊金屬在摩擦過程中容易積累電荷發(fā)生ESD，燒毀線路，造成產(chǎn)品不可恢復(fù)的損害。工藝方面可以通過提升設(shè)備濕度，以及機(jī)臺涂布防靜電液或者管控摩擦布的壽命等方法降低摩擦過程中ESD。ESD的理論分析與研究結(jié)果為后續(xù)摩擦靜電提供了改善方向，提高產(chǎn)品品質(zhì)，增加公司效益。