銅工藝陣列基板上數(shù)據(jù)線和公共電極不可見的短路原因分析及改善

林 忱， 馮玉春， 陳 曦， 湯桂泉， 李 鑫， 周 賀， 劉文瑞， 贠向南

(福州京東方光電科技有限公司，福建 福州 350300)

1 引 言

隨著現(xiàn)階段人們生活水平的提高，對顯示器尺寸、分辨率及刷新頻率提升的需求越來越強烈，顯示器面板從最初的中小尺寸逐漸向大尺寸發(fā)展[1]。因此，在相同尺寸的玻璃基板上的面板數(shù)量也就相應減少。以8.5世代線為例，2 500 mm×2 200 mm的玻璃基板分別只能制作3張1 651 mm(65 in)、2張2 184.4 mm(86 in)、1張2 794 mm(110 in)的面板。

為實現(xiàn)大面積高解析度的液晶顯示，通常需要采用低阻抗金屬材料、高性能開關元件以及高精細加工技術等手段[2]。在低阻抗金屬制作TFT 信號線上，目前研究和使用較多的材料是鋁(Al)，而銅(Cu)相對于鋁具有更低的電阻率(銅～2 μΩ·cm，鋁～4 μΩ·cm)及良好的抗電遷移能力，因此越來越多的液晶面板企業(yè)轉(zhuǎn)而進行銅工藝的研究和制作[3]。

TFT工藝過程中，設備環(huán)境中的灰塵(Particle，PT)、水漬殘留等異常都會造成TFT電路的缺陷。脫落(Peeling)類的缺陷會造成電路開路(Open)，柵極信號線開路，行業(yè)內(nèi)稱之為Gate Line Open，簡稱GO；數(shù)據(jù)信號線的開路，行業(yè)內(nèi)稱之為Data Line Open，簡稱DO。殘留(Remain)類的缺陷會造成電路短路，數(shù)據(jù)信號線和柵極信號線之間的短路，行業(yè)內(nèi)稱之為Data Gate Short，簡稱DGS；數(shù)據(jù)信號線和公共電極信號線之間的短路，行業(yè)內(nèi)稱之為Data Common Short，簡稱DCS；柵極信號線和公共電極信號線之間的短路，行業(yè)內(nèi)稱之為Gate Common Short，簡稱GCS；數(shù)據(jù)信號線之間的短路，行業(yè)內(nèi)稱之為Data Data Short，簡稱DDS；柵極信號線之間的短路，行業(yè)內(nèi)稱之為Gate Gate Short，簡稱GGS。

在TFT基板制作過程中會經(jīng)歷多道檢測工序，包括電學檢測和光學檢測。針對電學檢測到的像素電壓的差異和分布，定位缺陷所在數(shù)據(jù)信號線或柵極信號線，再通過自動光學檢查機掃描定位并記錄該線上的實際缺陷坐標。在后續(xù)維修過程中，通過脈沖激光的輻射燒蝕作用切割分離短路類的缺陷，通過LCVD(利用反應氣體分子對特定波長的激光共振吸收，前驅(qū)體受到激光作用后發(fā)生解離的成膜方法)等方法在大氣氛圍中沉積額外的導電薄膜修復開路類的缺陷，以挽回良率損失[4]。

在銅工藝TFT-LCD的制作過程中，存在不可見類型的DCS異常，電學檢測可以定位缺陷所在數(shù)據(jù)信號線，但光學檢測設備掃描該數(shù)據(jù)信號線時無法查找到真實缺陷，從而造成該異常無法進行修復，導致良率損失。對于1 092.2 mm(43 in)產(chǎn)品，該異常發(fā)生率高達2.95%。隨著顯示器尺寸的大屏化，在同一張TFT基板上發(fā)生相同數(shù)量的缺陷點位就會造成更大的良率損失(例如8.5世代線一張玻璃上能承載10個1 092.2 mm(43 in) 面板或3個1 651 mm(65 in) 面板，若發(fā)生1個缺陷點，則1 092.2 mm(43 in)產(chǎn)品良率損失10%，而1 651 mm(65 in)產(chǎn)品良率損失33%)。該異常形成原因未知且無明確的改善方向，是銅工藝TFT-LCD行業(yè)內(nèi)亟待解決的問題之一。

本文通過切割實驗定位不可見類型的DCS異常實際位置并借助失效模式分析(Failure Analysis，F(xiàn)A)的手段分析異常區(qū)域膜層形貌，基于數(shù)據(jù)和FA分析結(jié)果設計不同灰化工藝時間膜層形貌觀察實驗，探究發(fā)生機理并設計改善驗證方案。改善方案實施后不可見類型的DCS異常改善效果顯著，以1 092.2 mm(43 in)產(chǎn)品為例，不可見類型的DCS異常發(fā)生率由2.95%降低至0.03%。本文的實驗以及數(shù)據(jù)均基于1 092.2 mm(43 in)產(chǎn)品。

2 不可見類型DCS異常失效模式分析

2.1 切割定位實驗

實驗所需設備：精測檢查機(武漢精測)、激光顯微鏡(首爾工程，Borderless_65)。

將面板(Open Cell)與精測檢查機連接并點亮放置于激光顯微鏡平臺上，顯微鏡調(diào)整背光亮度充當背光源，控制精測檢查機將面板顯示畫面調(diào)整為L127灰階畫面。DCS點燈現(xiàn)象為單根漸變暗線，如圖1和圖2所示。

圖1 DCS現(xiàn)象實物圖Fig.1 Actual image of DCS phenomenon

圖2 DCS現(xiàn)象示意圖Fig.2 Simulate image of DCS phenomenon

控制顯微鏡激光鏡頭移動并從面板的Data Pad Opposition(DPO)側(cè)開始以一定間隔距離切割該異常數(shù)據(jù)線。切割第1點時，DPO側(cè)至切割點處的數(shù)據(jù)線被隔離顯示為暗線(DO)，切割點處至Data Pad(DP)側(cè)的數(shù)據(jù)線仍受短路點位影響顯示為漸變暗線(DCS)。切割至第N點時，異常點仍未被隔離，DPO側(cè)至切割點N處顯示為暗線(DO)，DP側(cè)至切割點N處顯示為漸變暗線(DCS)。點燈現(xiàn)象如圖3和圖4所示。

圖3 切割點N處的現(xiàn)象實物圖Fig.3 Actual image of phenomenon of point N

圖4 切割點N處的現(xiàn)象示意圖Fig.4 Simulate image of phenomenon of point N

繼續(xù)控制顯微鏡激光鏡頭切割至第N+1點時，DCS點位被隔離，DPO側(cè)至切割點N+1的數(shù)據(jù)信號線被隔離顯示為暗線(DO)，DP側(cè)至切割點N+1處的數(shù)據(jù)信號線不再受短路點位影響而恢復正常顯示。點燈現(xiàn)象如圖5和圖6所示。

圖5 切割點N+1處的現(xiàn)象實物圖Fig.5 Actual image of phenomenon of point N+1

圖6 切割點N+1處的現(xiàn)象示意圖Fig.6 Simulate image of phenomenon of point N+1

最后使用激光顯微鏡查找面板 TFT側(cè)切割點N至切割點N+1之間的異常數(shù)據(jù)信號線，可發(fā)現(xiàn)TFT側(cè)數(shù)據(jù)信號線和公共電極信號線交界處存在正面不可見、背面可見的小黑點，如圖7和圖8所示。針對20張不可見類型的DCS異常面板進行切割定位實驗觀察，發(fā)現(xiàn)小黑點均如圖8所示位于公共電極信號遠離柵極信號線的一側(cè)。正因為該異常在TFT正面不可見，所以光學檢測設備掃描該數(shù)據(jù)信號線時無法查找到真實缺陷，造成該異常無法進行修復。

圖7 異常點正面圖Fig.7 Front image of abnormal point

圖8 異常點背面圖Fig.8 Back image of abnormal point

2.2 失效模式(FA)分析

借助聚焦離子束-掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)設備對切割定位實驗鎖定的小黑點進行微觀截面形貌分析，可見公共電極信號線Cu金屬部分缺失并伴隨向上生長，導致與數(shù)據(jù)信號線發(fā)生短路，如圖9所示。從微觀形貌圖還可以看出柵極絕緣層/活性層(GI/Active)覆蓋向上生長的Cu膜層，證明Cu膜層異常發(fā)生在柵極絕緣層鍍膜前，即柵極工藝區(qū)間段。

圖9 異常點FIB圖Fig.9 FIB image of abnormal point

借助能譜分析儀(EDS)對圖10中的異常區(qū)域和圖11中的正常區(qū)域進行元素分析，可見公共電極信號線正常區(qū)域主要元素為Cu。異常區(qū)域主要元素為Cu且同時存在少量S元素，判定為Cu的腐蝕產(chǎn)物。

圖10 異常點成分分析。(a)成分分析點位；(b)成分分析結(jié)果。Fig.10 Component analysis of abnormal point. (a) Position of compontent amalysis; (b) Result of component analysis.

圖11 正常點成分分析。(a)成分分析點位；(b)成分分析結(jié)果。Fig.11 Component analysis of normal point. (a) Position of compontent amalysis; (b) Result of component analysis.

3 不可見類型DCS異常發(fā)生機理探究

3.1 數(shù)據(jù)分析

A-Si TFT 8.5世代線主要為4 掩膜版工藝，柵極/公共電極工藝區(qū)間段采用半色調(diào)掩膜版工藝進行制作，具體工藝流程為1stITO 沉積→柵極/公共電極沉積→光刻→1st柵極濕刻→1stITO 濕刻→灰化→2nd柵極濕刻→去膠。收集生產(chǎn)過程中大量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，柵極工藝區(qū)間段灰化工藝設備不同，不可見類型的DCS異常發(fā)生率則不同，且生產(chǎn)線a層灰化設備產(chǎn)出產(chǎn)品不可見類型的DCS異常發(fā)生率明顯高于b層灰化設備。實際測量產(chǎn)線b層相對濕度(RH)為58%，產(chǎn)線a層相對濕度(RH)為60%，存在濕度差異性。

3.2 不同灰化工藝時間形貌觀察實驗

針對異常發(fā)生位置設計不同灰化工藝時間截面形貌觀察實驗。圖12是公共電極信號線截面1位置示意圖，該示意圖采用柵極/公共電極工藝完成后的光學圖片進行展示。圖13中(a)、(b)和(c)分別是未灰化、灰化 40 s和灰化80 s的截面1位置掃描電鏡(SEM)形貌圖。圖14是像素區(qū)截面2位置示意圖，該示意圖采用柵極/公共電極工藝完成后的光學圖片進行展示。圖15中(a)、(b)和(c)分別是未灰化、灰化 40 s和灰化 80 s的截面2位置SEM形貌圖。截面1是正性光刻膠未被曝光的區(qū)域；截面2是半掩模區(qū)域，該區(qū)域正性光刻膠殘留的膜厚比未被曝光的區(qū)域薄。

圖12 截面1位置Fig.12 Position of section 1

圖13 不同灰化工藝時間條件下截面1形貌。(a)未灰化；(b)灰化40 s;(c)灰化80 s。Fig.13 Image of section with different ashing process time. (a) Noashing; (b) Ashing 40 s; (c) Ashing 80 s.

圖14 截面2位置Fig.14 Position of section 2

圖15 不同灰化工藝時間條件下截面2形貌。(a)未灰化；(b)灰化40 s;(c)灰化80 s。Fig.15 Image of section 2 with different ashing time. (a) Noashing; (b) Ashing 40 s; (c) Ashing 80 s.

未灰化時，如果把光刻膠比作“山”，則異常高發(fā)區(qū)域就是三面環(huán)山的設計。光刻膠寬度大于公共電極信號線寬度，呈“屋檐”狀。“屋檐”狀的光刻膠下方容易殘留灰化過程中的反應生成物以及反應氣體(SF6)。

隨著灰化工藝時間的增加，光刻膜厚減薄并伴隨寬度減小。灰化 80 s時，公共電極信號線兩側(cè)已不受光刻膠保護，公共電極信號兩側(cè)表面平整度差，存在反應物殘留的可能性。

3.3 機理探究

銅的化學腐蝕主要來自幾個方面[5]：氧化性的酸性物質(zhì)，如硝酸、濃硫酸等；胺基化合物與Cu形成的絡合物；氧化性的重金屬鹽，如FeCl3；S和含活性S的化合物，形成CuxS。Cusano等[6]用電鏡檢測長時間運行的銅、鉛合金部件，發(fā)現(xiàn)部件的表面形成一層幾納米到幾十納米的腐蝕斑或腐蝕膜。用X射線衍射(XRD)方法分析得到的腐蝕膜主要成分是Cu1.8S，還有少量的CuS和Cu2S，說明潤滑油造成的銅腐蝕主要是由潤滑油中存在的活性硫或使用過程中產(chǎn)生的活性硫引起的[7]。

研究表明，硫腐蝕生成的硫化物易粘著于基體上并凸起向上生長[8]，并且隨著相對濕度(RH)和S濃度增大，腐蝕反應加快[9-10]。

基于以上分析結(jié)果，灰化過程中反應氣體SF6殘留在“屋檐狀”光刻膠下方會對公共電極信號線Cu金屬造成腐蝕，產(chǎn)線濕度高更易加劇腐蝕。腐蝕產(chǎn)物向上生長，后續(xù)柵極絕緣層/活性層鍍膜無法完全覆蓋住腐蝕產(chǎn)物，造成源漏層鍍膜后數(shù)據(jù)信號線與腐蝕產(chǎn)物相連接，最終形成TFT基板膜層正面不可見的DCS異常。

4 改善方向和驗證結(jié)果

4.1 灰化工藝SF6氣體用量

灰化工藝使用氣體是SF6和O2。基于以上機理提出降低S濃度的驗證方案，進行SF6流量為2 400 mL/min和1 000 mL/min條件驗證。SF6氣體用量1 000 mL/min驗證條件較2 400 mL/min驗證條件下不可見類型的DCS異常發(fā)生率降低0.3%。

4.2 產(chǎn)線相對濕度(RH)

實際測量產(chǎn)線b層相對濕度(RH)為58%，產(chǎn)線a層相對濕度(RH)為60%，存在濕度差異性，a層灰化設備產(chǎn)出品的不可見類型的DCS異常發(fā)生率明顯高于b層灰化設備。基于以上機理，提出降低產(chǎn)線相對濕度(RH)的驗證方案。

控制產(chǎn)線相對濕度(RH)至51%～53.5%范圍進行產(chǎn)品驗證，驗證結(jié)果如圖16所示。從圖中可以看出，相對濕度(RH)<52%時，不可見類型的DCS異常發(fā)生率明顯降低。

圖16 相對濕度與不可見類型的DCS異常發(fā)生率關系Fig.16 Relationship between RH and DCS Invisible ratio

4.3 灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時間

基于以上機理提出縮短灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時間的驗證方案，以避免灰化工藝完成后殘留反應氣體以及反應物的產(chǎn)品在高濕度的產(chǎn)線環(huán)境中停留，降低腐蝕發(fā)生的可能性。

控制灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時間處于0～3 h進行產(chǎn)品驗證，驗證結(jié)果如圖17所示。從圖中可以看出，等待時間<1 h時，不可見類型的DCS異常發(fā)生率明顯降低。

圖17 等待時間與不可見類型的DCS異常發(fā)生率關系Fig.17 Relationship between wait time and DCS Invisible ratio

4.4 設計優(yōu)化

前期失效模式分析以及不同灰化工藝時間形貌觀察實驗所觀察到的現(xiàn)象如下：異常發(fā)生區(qū)域均位于公共電極信號線遠離柵線的一側(cè)，該區(qū)域3面均被“屋檐”狀的光刻膠所包圍，“屋檐”狀的光刻膠下方容易殘留灰化過程中的反應生成物以及反應氣體(SF6)，加劇腐蝕。基于該實驗現(xiàn)象進行異常區(qū)設計優(yōu)化，該區(qū)域空間越狹窄越容易殘留灰化反應氣體，采用開槽設計將間距H從16 μm增大至23 μm以擴大該區(qū)域空間。

圖18是設計優(yōu)化前和優(yōu)化后的柵極/公共電極工藝完成后的光學實物圖，圖19是優(yōu)化前和優(yōu)化后的設計圖。

圖18 設計優(yōu)化前(a)和優(yōu)化后(b)的實物圖Fig.18 Actual image before(a) and after(b) optimal design

圖19 優(yōu)化前(a)和優(yōu)化后(b)的設計圖Fig.19 Drawing before(a) and after(b) optimal design

優(yōu)化設計的新掩膜版驗證導入后，不可見類型的DCS異常發(fā)生率降低0.5%。

本文針對銅工藝TFT-LCD的制作過程中遇到的不可見類型的DCS異常，提出切割實驗方案精確定位不可見類型的DCS異常實際位置，基于數(shù)據(jù)和失效模式分析結(jié)果設計不同灰化工藝時間膜層形貌觀察實驗進行發(fā)生機理探究。再依據(jù)以上調(diào)查結(jié)果進行灰化工藝SF6氣體用量、產(chǎn)線相對濕度(RH)、灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時間和設計相關的改善驗證。改善效果如圖20所示，階段1(1 ～5 Month)量產(chǎn)導入產(chǎn)線相對濕度(RH)降低和縮短灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時間的改善措施；階段2(6 ～7 Month)量產(chǎn)導入灰化工藝SF6氣體用量降低的改善措施；階段3(8 ～11 Month)量產(chǎn)導入開槽優(yōu)化設計以增大間距H。 可以得出結(jié)論如下：

圖20 不可見類型的DCS異常發(fā)生率Fig.20 DCS Invisible ratio

(1)降低灰化工藝SF6氣體用量可以減輕S腐蝕對Cu金屬的影響，降低腐蝕反應速率；

(2)降低產(chǎn)線相對濕度(RH)可以減輕S腐蝕對Cu金屬的影響，降低腐蝕反應速率；

(3)縮短灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時間可以避免灰化工藝完成后殘留有反應氣體以及反應物的產(chǎn)品在高濕度的產(chǎn)線環(huán)境中停留，從而達到減輕S腐蝕對Cu金屬的影響的目的；

(4)異常發(fā)生區(qū)域采用開槽設計擴大該處空間以避免灰化反應氣體殘留，從而達到減輕S腐蝕對公共電極信號線Cu金屬的影響的目的。

5 結(jié) 論

灰化過程中反應氣體SF6殘留在光刻膠下方會對公共電極信號線Cu金屬造成腐蝕，產(chǎn)線濕度高更易加劇腐蝕。腐蝕產(chǎn)物向上生長，后續(xù)柵極絕緣層/活性層鍍膜無法完全覆蓋住腐蝕產(chǎn)物，造成源漏層鍍膜后數(shù)據(jù)信號線與腐蝕產(chǎn)物相連接，最終形成TFT基板膜層正面不可見的DCS異常。該異常可以通過降低灰化工藝SF6氣體用量、降低產(chǎn)線相對濕度(RH)、縮短灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時間和優(yōu)化異常發(fā)生區(qū)域開槽設計以增大間距H的措施得以改善。