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器件溝道使面板點亮時產生異常[1]，嚴重影響產品品質同時變相增加了面板成本，所以ESD需要從根本上改善。

本文以6G工廠中生產的317.5 mm(12.5 in)產品為例，研究在摩擦過程中ESD問題。ESD容易導致面板區域多個連續TFT器件溝道燒毀，面板點燈狀態表現為半截亮線。通過不良分析和實驗測試找出工藝和設計改善方法，從根本上解決摩擦過程中ESD問題。

2 ESD現象與特點

2.1 ESD器件燒毀現象

面板在點亮時可以看到ESD燒毀TFT器件溝道產生的一條短亮線，短亮線所有畫面下均可見，目鏡(×20)觀察短亮線為像素發亮，一般為連讀幾個像素都會發亮，宏觀表現為一條短的亮線，如圖1所示。

圖1 亮線現象Fig.1 Phenomenon of data open

顯微鏡確認短亮線區域TFT器件溝道有異常痕跡(圖2)，且FIB確認可見TFT溝道區域內部膜層有燒毀現象(圖3)。

圖2 亮線顯微鏡照片Fig.2 Microscope phenomenon of data open

圖3 靜電燒毀FIB圖片Fig.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基板摩擦過程中產生靜電，當靜電積累到一定程度發生放電，放電瞬間產生的大電流燒毀TFT器件[2]，導致TFT器件無法正常工作，在面板點亮時，異常器件的像素區域表現為發亮，表現在面板上為短亮線。

摩擦工藝是TFT-LCD行業中使液晶分子配向工藝[3]，即摩擦布在TFT基板上高速運轉相互摩擦，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，摩擦輥的轉速1 200 r/min，基板前進的速度為50 mm/s, 摩擦布的壓入量為0.4 μm[5]，實際摩擦工藝中摩擦布和玻璃基板高速摩擦時容易產生大量摩擦靜電，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器件燒毀的線路進行確認，發現異常放電的原因為TFT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生大電流，燒毀線路上比較薄弱的器件溝道位置即發生ESD。

4 實驗設計

本文實驗測試在TFT-LCD 6G工廠中進行，選取317.5 mm(12.5 in)產品為例進行測試，每次實驗測試都是單變量測試，實驗中除了測試變量外其他生產工藝均相同，最后樣品做成產品形式，再點燈對樣品進行ESD發生與否判定,同時對不良樣品顯微鏡確認器件溝道是否有燒毀痕跡，最后綜合統計ESD的發生率。

4.1 工藝影響

4.1.1 摩擦設備濕度對ESD 的影響

在摩擦工藝中，設備濕度影響摩擦過程中產生的靜電。我們對摩擦設備的濕度進行測試驗證，設計實驗如表1所示。

表1 不同濕度設計Tab.1 Design of different humidity

4.1.2 設備機臺涂布防靜電液對ESD的影響

設備機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，對摩擦設備機臺涂布防靜電液和不涂布防靜電液進行測試驗證，設計實驗如表2所示。

表2 機臺涂布防靜電液設計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行摩擦，設計實驗如表3所示。

表3 不同摩擦布壽命設計Tab.3 Design of different rubbing clothing lift time

4.2 設計影響

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，導致面板點亮時產生短亮線,對面板畫質產生影響。

產品設計時把懸空大塊金屬變為小塊金屬，且小塊金屬的排列為交錯排列，如圖5所示,防止在摩擦過程中積累大量電荷發生ESD。

圖5 大塊金屬設計變更示意圖Fig.5 Design change of floating large metal

5 結果與討論

5.1 工藝方面

5.1.1 摩擦設備濕度對ESD影響結果

從圖6可以看出，摩擦設備濕度增加，ESD發生率降低。當濕度達到64RH%時，ESD發生率0.51%。

圖6 不同濕度對應ESD發生率Fig.6 Result of different humidity

當濕度等于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。摩擦過程中產生的ESD減小[7]，最終對TFT器件的損傷減小，產品不良率降低。

當濕度等于58RH%，摩擦工藝中產生的靜電不易消散，有可能形成高電位。容易在摩擦過程中產生ESD[8]。所以當摩擦設備濕度較低時容易發生ESD，損害玻璃基板上的TFT器件。

5.1.2 設備機臺涂布防靜電液對ESD的影響

從圖7可以看出，摩擦設備機臺涂布防靜電液， ESD發生率明顯降低為1.2%。

圖7 有無防靜電液ESD發生率Fig.7 Result of electrostatic prevention

玻璃基板放置在設備機臺上，如圖8所示。機臺上涂布防靜電液時，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發生率升高。

圖9 摩擦布壽命對應ESD發生率Fig.9 Result of rubbing clothing lift time

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

5.2 設計方面

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，設計方面上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發生率Fig.10 Result of floating large metal

大塊金屬變為小塊金屬時，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為金屬交錯面積，大塊金屬變更為小塊金屬后，S變小導致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生ESD。

6 結 論

G6工廠生產12.5 FHD產品通過設計變更將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發生率由20%下降到0%。

通過對摩擦工藝ESD研究，找出設計方面和工藝方面改善摩擦靜電的方案。設計方面可以盡量避免大塊金屬的設計, 大塊金屬在摩擦過程中容易積累電荷發生ESD，燒毀線路，造成產品不可恢復的損害。工藝方面可以通過提升設備濕度，以及機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果為后續摩擦靜電提供了改善方向，提高產品品質，增加公司效益。