大尺寸TFT-LCD GOA Channel CD管控方案的研究

武漢京東方光電科技有限公司 熊嘉琪 喬亞崢 劉子源 張 杰 魏 炎 董春壘

郭會斌 向紅偉 林 敏 邱 航 鄭 帥

隨著GOA（Gate On Array）技術(shù)的不斷發(fā)展，GOA技術(shù)在TFT-LCD行業(yè)，尤其在窄邊框TV顯示屏上的應用也愈來愈頻繁，但是由于GOA驅(qū)動電路工藝的不穩(wěn)定性和復雜性，可能會導致顯示不穩(wěn)定的問題，同時隨著TV市場需求的日益增長，GOA產(chǎn)品的工藝穩(wěn)定性對于客戶端的品質(zhì)表現(xiàn)顯得十分重要。本文主要研究了大尺寸TFT-LCD GOA產(chǎn)品GOA區(qū)與AA區(qū)關(guān)鍵參數(shù)Channel CD（Critical Dimension）的均一性問題，并針對GOA區(qū)Channel CD管控的不足，提出一系列管控優(yōu)化方案，包括Mask設(shè)計補正，CD測量過程控制和SPC管控優(yōu)化措施等，并在武漢京東方光電科技有限公司（以下簡稱B17）率先應用，提高了產(chǎn)品GOA工藝的穩(wěn)定性和系統(tǒng)預防監(jiān)控能力。

近年來，隨著TFT-LCD顯示技術(shù)的高速發(fā)展，液晶產(chǎn)品的競爭日益激烈，各廠家為搶占市場開始開發(fā)新技術(shù)。GOA（Gate 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。因其窄邊框，簡潔美觀和低成本低能耗的優(yōu)勢，已慢慢成為各個面板廠家的主要研究方向，其產(chǎn)品也逐步走向TV市場，更加符合面板未來的發(fā)展趨勢。

然而，GOA驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復雜，由多個器件組合設(shè)計，且與陣列基板工藝一起制作完成，易受工藝均一性等因素的影響，與AA（Active Area）區(qū)相比，存在關(guān)鍵參數(shù)Channel CD的差別，引起特性差異，造成顯示不良缺陷，如錯充、黑斑不良、RGB水平Mura等。因此，研究GOA產(chǎn)品工藝均一性、GOA Channel CD補正方案和量產(chǎn)管控方法至關(guān)重要。

1 產(chǎn)品研發(fā)階段的管控

1.1 GOA產(chǎn)品工藝均一性研究

為研究GOA產(chǎn)品Channel CD工藝均一性問題，本文對某75in量產(chǎn)品GOA區(qū)及其附近AA區(qū)Channel FICD（Final Inspection Critical Dimension）進行密集點測試，確認不同區(qū)域Channel CD大小及差異情況，圖1所示為AA、GOA測量點位分布示意圖。

圖1 產(chǎn)品AA/GOA測量點位分布示意圖

圖2 各列單個GOA M8/M10/M3 Channel CD測量結(jié)果

1.1.1 GOA不同TFT Channel CD分析

以某75in量產(chǎn)品為例，測量其單行GOA不同位置TFT M8（外邊）/M10（中部）/M3（內(nèi)邊）Channel FICD，比較GOA內(nèi)各位置CD差異，確定GOA Channel CD監(jiān)控位置。測量結(jié)果如圖2所示，M8/M10/M3在橫向各列均值變化趨勢基本一致，第三列最大，第四列最小，與Glass工藝均一性相關(guān)。各列中三者Channel CD差異控制在0.25μm以內(nèi)，其中M3 CD值相對居中且起到主要充放電功能，最為重要，因此GOA區(qū)以管控M3 Channel CD為準。這也為產(chǎn)品在量產(chǎn)過程SPC管控中，確立GOA Channel CD的測量點位提供依據(jù)。

1.1.2 GOA區(qū)和AA區(qū)工藝均一性分析

對各列GOA區(qū)M3及附近AA區(qū)Channel CD進行測量，圖3所示為AA、GOA區(qū)Channel FICD Mapping示意圖。如圖3所示，當AA區(qū)及GOA區(qū)Channel Mask CD設(shè)計值均為2.8μm時，各列Channel FICD存在0.15～0.25μm的差異，這是由Mask制作精度、Photo段工藝能力差異（Photo Bias）、Etch段工藝差異（Process Bias）等綜合因素引起的。

圖3 Channel FICD Mapping示意圖

圖4 Channel Photo Bias Mapping示意圖

表1 G10.5產(chǎn)品GOA Channel CD設(shè)計端補正方案

表2 倚分析數(shù)據(jù)采集表

圖4所示為AA、GOA區(qū)Channel Photo Bias（Chanel DICDMask CD）Mapping示意圖，GOA區(qū)Channel Photo Bias較AA區(qū)小0.33μm。在曝光過程中，由于GOA區(qū)Pattern密度較AA區(qū)大很多，透過的光線減少，衍射強度也隨之降低，整體曝光能量較AA區(qū)弱，Channel DICD（Develop Inspection Critical Dimension）較小；在顯影過程中，GOA區(qū)顯影液消耗量低于AA區(qū)，使該區(qū)顯影液濃度偏大，從而導致Channel DICD增大。在兩者綜合因素影響下，出現(xiàn)Channel DICD呈GOA區(qū)低于AA區(qū)的現(xiàn)象。

圖5所示為AA、GOA區(qū)Channel Process Bias（Channel FICDDICD）Mapping示意圖，GOA區(qū)Channel Process Bias較AA區(qū)大0.14μm。在刻蝕過程中，GOA區(qū)與AA區(qū)差異主要受刻蝕液濃度影響，由于GOA區(qū)Pattern密度大，刻蝕液消耗量小于AA區(qū)，使該區(qū)刻蝕液濃度偏大，導致Channel Process Bias變大。與Photo段工藝數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，后者為工藝能力差異主要影響因素。

由于Glass不同區(qū)域工藝能力的差異，產(chǎn)品GOA區(qū)與AA區(qū)關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生差異，存在GOA相關(guān)不良隱患。因此，從設(shè)計端及工藝端尋求GOA Channel CD補正方案，降低GOA與AA參數(shù)差異，對提升產(chǎn)品品質(zhì)尤為重要。

表3 線性分析數(shù)據(jù)采集表

表4 R&R分析數(shù)據(jù)采集表

圖5 Channel Process Bias Mapping示意圖

1.2 GOA Channel CD補正方案

本文統(tǒng)計了G10.5不同尺寸產(chǎn)品在無補正條件下的GOA與AA區(qū)Channel CD差異，根據(jù)GOA分布方向及Mask類型歸納出Mask設(shè)計端補正方案，如表1所示。

設(shè)計端GOA Mask CD補正方案可以降低GOA與AA區(qū)Channel FICD的差異，再配合工藝段補正方式，如利用Photo工藝段的LEX-I設(shè)備對GOA區(qū)域進行分區(qū)補正，可進一步提高產(chǎn)品Channel CD均一性，從而消除GOA不良隱患。

2 產(chǎn)品量產(chǎn)階段的管控

2.1 GOA Channel CD測量過程管控

為了確保量產(chǎn)過程中的GOA產(chǎn)品工藝穩(wěn)定，首先要確保生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品的測量和監(jiān)控是值得信賴的。因此，我們針對GOA Channel CD的測量過程進行分析和研究，以確保其測量過程得到有效控制，測量結(jié)果盡可能接近真值。

測量過程控制主要是對影響測量結(jié)果的相關(guān)要素（包括測量人員、量具、被測量工件、程序/方法、環(huán)境以及上述的交互作用關(guān)系等）加以識別并控制，以達到減少或消除其影響的目的。為此我們采用測量系統(tǒng)分析的方法，本文對用于量測GOA Channel CD的測量設(shè)備（關(guān)鍵線寬&殘膜膜厚測量機）進行了研究，通過分析測量系統(tǒng)發(fā)生的變動對工程變動的影響，來判斷測量系統(tǒng)的適合與否，主要分析該測量系統(tǒng)的精密度(Gage R&R)、準確度等，以確保量產(chǎn)中量測數(shù)據(jù)的準確度和精確度。

在此之前，先簡單介紹用于測量GOA Channel CD質(zhì)量特性的量測設(shè)備（關(guān)鍵線寬&殘膜膜厚測量機），該設(shè)備主要用于測量Photo工藝后產(chǎn)品的關(guān)鍵線寬和的PR殘膜厚度(含GOA溝道)，如SDT/HGA mask后的PR殘膜厚度等半成品特性。該設(shè)備主要是采用光的干涉原理，通過設(shè)備的高精度相機等光電系統(tǒng)對測量對象進行掃描，從掃描圖像中提取最佳聚焦圖，從而提取出測量數(shù)據(jù)。下面舉例，對關(guān)鍵線寬&殘膜膜厚測量機在對某款量產(chǎn)品的GOA Channel CD測量過程中的偏移、以及進行重復性和再現(xiàn)性分析。

圖6 偏倚數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖7 線性數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖8 重復性&再現(xiàn)性數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.1.1 偏倚分析

本次偏移分析，測試人員為B17 Array曝光科的設(shè)備工程師，選取生產(chǎn)線中的關(guān)鍵線寬&殘膜膜厚測量機（量具編號：OAEX-002）作為測量設(shè)備，廠商提供的標準件作為樣品，其基準值GOA Channel CD為3.1418um，共測量15次，測量結(jié)果如表2所示，JMP統(tǒng)計學軟件對測量數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果如圖6所示。

均值為3.1425um，偏倚為0.0007um（均值與基準值之差），取α=0.05（95%置信度），數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示偏倚的95%置信區(qū)間上限為0.0018841，偏倚的95%置信區(qū)間下限為-0.000977，結(jié)論為“0”落在偏倚值的95%置信區(qū)間內(nèi)，則偏倚在α水準上是可以接受的。結(jié)論：“0”落在偏移值附近的95%置信度界限內(nèi)，則偏移在5%水準上是可以接受的。

2.1.2 線性分析

本次線性分析，測量人員選擇測量值覆蓋量具的操作范圍的5個樣品（不同規(guī)格產(chǎn)品的廠商標準件作為樣品），每個樣品測量15次，量具量程為2.0～25.0um之間，測試結(jié)果記錄如表3所示，并采用JMP統(tǒng)計學軟件對策了數(shù)據(jù)進行線性分析，結(jié)果如圖7所示。

利用散布圖和JMP統(tǒng)計分析軟件得出bias均值的擬合線。由于量程范圍內(nèi)Bias 95%置信區(qū)間都包含”0”，且“Bias=0”的線包含于bias與參考值擬合線的95%區(qū)間內(nèi)，故判定該測量系統(tǒng)的線性可接受。

2.1.3 重復性和再現(xiàn)性分析

重復性和再現(xiàn)性分析，又稱Gage R&R分析。本次測量共選擇10個樣品（要求樣品在規(guī)格內(nèi)均勻散，即隨機抽取樣品），選擇三名經(jīng)過測量認證合格的人員，按隨機順序?qū)?0個樣件各循環(huán)測量3次，測試結(jié)果記錄如表4所示，并采用JMP統(tǒng)計學軟件對測量數(shù)據(jù)進行R&R分析，結(jié)果如圖8所示。

利用量具R&R的均值圖和JMP分析軟件得出%Gage R&R和可區(qū)分類別數(shù)，根據(jù)量具重復性和再現(xiàn)性的判定可得，其合計量具R&R占研究變異的8.529%＜10%，可區(qū)分類別數(shù)ndc為16＞5，故該測量系統(tǒng)可接受。

經(jīng)過以上針對GOA Channel CD測量系統(tǒng)的偏移、以及進行重復性和再現(xiàn)性分析，可以判定在實際工藝制程中，GOA Channel CD的測量系統(tǒng)發(fā)生的變動對工程變動的影響可以忽略不計。但是，由于考慮測量設(shè)備在實際使用過程中存在儀器老化、磨損和測量設(shè)備機差等情況，故后續(xù)仍需針對測量設(shè)備、人員進行周期性認證，并對同種測量設(shè)備進行Correlation校正，以確保產(chǎn)品量產(chǎn)階段的測量過程是始終得到有效控制的。

圖9 單點超標Alarm界面

2.2 GOA Channel CD的SPC管控

當GOA Channel CD的測量過程得到有效控制后，接下來需要進一步對生產(chǎn)制造過程加以控制。SPC即統(tǒng)計過程控制，主要是通過使用控制圖等統(tǒng)計技術(shù)來分析過程或其輸出，以便采取適當?shù)拇胧┍３纸y(tǒng)計控制狀態(tài)，進一步提升工藝制程能力，最終達到保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。故合理地利用SPC系統(tǒng)對量產(chǎn)階段的GOA Channel CD進行監(jiān)控，對其過程控制是十分必要的。本文針對GOA Channel CD的SPC管控，除了常規(guī)的SPC系統(tǒng)管理外，還分別從SPC管控Rule和控制圖報警能力兩方面探究現(xiàn)有管理的不足，并提出了對應的管控優(yōu)化方案。

2.2.1 GOA Channel CD SPC管控Rule優(yōu)化

根據(jù)GB/T 4091《常規(guī)控制圖》中規(guī)定的八大判異準則，這8個準則觸發(fā)確實可以發(fā)現(xiàn)制程中的異常情況，但是通常為小概率事件。在實際的工藝制程中，僅靠這8個準則是無法完全甄別出制程過程中的細小變異，這一缺點在大尺英寸TV產(chǎn)品上更加顯著，主要是因為大尺英寸TV產(chǎn)品的單張Glass面積更大，測試點位更多，當Glass局部的質(zhì)量特性出現(xiàn)波動時，通常很難識別出來。

因此，我們在原有的SPC系統(tǒng)增加了SRO（單點超標）Alarm管控規(guī)則，從原有的均值超標Alarm管控規(guī)則優(yōu)化為均值和單點值超標均Alarm的管控模式，以便更及時地識別產(chǎn)品異常和風險。例如，某SPC系統(tǒng)重點監(jiān)控項目CD為例，其測量點位有48個，在導入SRO Alarm管控規(guī)則前，無法識別局部區(qū)域異常，而導入SRO Alarm管控規(guī)則后，如圖9顯示，可以看出11點位和21點位超標，可以識別出局部點位的異常。當觸發(fā)SRO Alarm時，系統(tǒng)會自動報警，并郵件知會到對應科室工程師。這樣工程師能第一時間確認產(chǎn)品情況，并對超標原因展開調(diào)查，及時防止局部點位超標的風險品Flow到下個工序，降低公司損失。目前已在GOA Channel CD項目中導入單點超標報警規(guī)則，已成功預警并有效攔截異常50余次。

2.2.2 GOA Channel CD控制圖報警能力優(yōu)化

SPC控制圖的報警能力通常能說明SPC系統(tǒng)的實際應用情況，控制圖報警能力的優(yōu)化對于SPC系統(tǒng)的預警和實際應用過程的管理都是至關(guān)重要的。通過調(diào)研京東方各現(xiàn)地工廠的情況，我們發(fā)現(xiàn)目前控制圖報警方面主要有2個缺點，一方面是部分現(xiàn)地存在控制限未計算，直接將spec內(nèi)縮進行管控，導致控制限過寬，無法偵測制程異常的情況。另一方面則是部分現(xiàn)地存在產(chǎn)線中不同設(shè)備和不同chamber統(tǒng)一管控，未考慮設(shè)備別差異，包含較多干擾變異，從而導致OOC報警率普遍較高，但準確性較低；使得跟蹤分析耗時長，無法第一時間鎖定異常原因，從而導致SPC管控實際效益低。

因此，進行SPC精細化管理：首先提高控制限設(shè)置合理性，由原來按照一定比例壓縮Spec制定控制限優(yōu)化為定期依據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算控制限，以3個月為一個周期，刷取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，清洗數(shù)據(jù)以剔除異常值，依照控制圖類型計算控制限，保證控制限與當前制程能力相匹配。通過查閱SPC手冊可知，常用控制圖的計算公式見圖10所示，公式中的A2，B3，B4，D3和D4為控制限計算的常數(shù)，查手冊系數(shù)表可得。

圖10 控制圖控制限計算公式

其次進行過程能力分層級管理，增加生產(chǎn)設(shè)備別、Chamber過程能力監(jiān)控，實現(xiàn)整體-設(shè)備別-Chamber層級管理，異常發(fā)生時精確至生產(chǎn)最小單元，提高異常分析效率，同時識別相同生產(chǎn)設(shè)備/Chamber制程能力差異，提高過程監(jiān)控準確性。

3 結(jié)論

本文通過對大尺寸TFT-LCD GOA產(chǎn)品存在的工藝均一性問題、GOA Channel CD補正方案和量產(chǎn)管控方法的分析研究，從新產(chǎn)品的研發(fā)過程到量產(chǎn)過程，針對GOA區(qū)域管控的不足，提出對應的一系列管控優(yōu)化方案，主要結(jié)論如下：

（1）Photo段工藝能力差異是導致GOA與AA區(qū)Channel CD不同的主要因素。

（2）根據(jù)G10.5產(chǎn)品GOA分布方向及Mask類型，提出Mask設(shè)計端和工藝端補正方案，降低GOA與AA區(qū)工藝均一性差異。

（3）定期對測量系統(tǒng)進行偏倚、線性以及重復性和再現(xiàn)性分析，確保測量過程得到有效控制。

（4）SPC控制圖Rule新增單點超標管控規(guī)則有助于識別產(chǎn)品局部異常，控制限設(shè)置的合理性和過程能力分層級管理能提高過程監(jiān)控準確性。

本文提出的管控優(yōu)化方案已在B17工廠取得了較好的實際驗證效果，將對同為TFT-LCD行業(yè)的公司具有很大的參考價值。