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）技術的不斷發展，GOA技術在TFT-LCD行業，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驅動電路工藝的不穩定性和復雜性，可能會導致顯示不穩定的問題，同時隨著TV市場需求的日益增長，GOA產品的工藝穩定性對于客戶端的品質表現顯得十分重要。本文主要研究了大尺寸TFT-LCD GOA產品GOA區與AA區關鍵參數Channel CD（Critical Dimension）的均一性問題，并針對GOA區Channel CD管控的不足，提出一系列管控優化方案，包括Mask設計補正，CD測量過程控制和SPC管控優化措施等，并在武漢京東方光電科技有限公司（以下簡稱B17）率先應用，提高了產品GOA工藝的穩定性和系統預防監控能力。

近年來，隨著TFT-LCD顯示技術的高速發展，液晶產品的競爭日益激烈，各廠家為搶占市場開始開發新技術。GOA（Gate On Array）技術是將柵極驅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勢，已慢慢成為各個面板廠家的主要研究方向，其產品也逐步走向TV市場，更加符合面板未來的發展趨勢。

然而，GOA驅動電路結構復雜，由多個器件組合設計，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）區相比，存在關鍵參數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產品工藝均一性、GOA Channel CD補正方案和量產管控方法至關重要。

1 產品研發階段的管控

1.1 GOA產品工藝均一性研究

為研究GOA產品Channel CD工藝均一性問題，本文對某75in量產品GOA區及其附近AA區Channel FICD（Final Inspection Critical Dimension）進行密集點測試，確認不同區域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測量結果

1.1.1 GOA不同TFT Channel CD分析

以某75in量產品為例，測量其單行GOA不同位置TFT M8（外邊）/M10（中部）/M3（內邊）Channel FICD，比較GOA內各位置CD差異，確定GOA Channel CD監控位置。測量結果如圖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。各列中三者Channel CD差異控制在0.25μm以內，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區以管控M3 Channel CD為準。這也為產品在量產過程SPC管控中，確立GOA Channel CD的測量點位提供依據。

1.1.2 GOA區和AA區工藝均一性分析

對各列GOA區M3及附近AA區Channel CD進行測量，圖3所示為AA、GOA區Channel FICD Mapping示意圖。如圖3所示，當AA區及GOA區Channel Mask CD設計值均為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產品GOA Channel CD設計端補正方案

表2 倚分析數據采集表

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

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

由于Glass不同區域工藝能力的差異，產品GOA區與AA區關鍵參數產生差異，存在GOA相關不良隱患。因此，從設計端及工藝端尋求GOA Channel CD補正方案，降低GOA與AA參數差異，對提升產品品質尤為重要。

表3 線性分析數據采集表

表4 R&R分析數據采集表

圖5 Channel Process Bias Mapping示意圖

1.2 GOA Channel CD補正方案

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

設計端GOA Mask CD補正方案可以降低GOA與AA區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設備對GOA區域進行分區補正，可進一步提高產品Channel CD均一性，從而消除GOA不良隱患。

2 產品量產階段的管控

2.1 GOA Channel CD測量過程管控

為了確保量產過程中的GOA產品工藝穩定，首先要確保生產過程中對產品的測量和監控是值得信賴的。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，測量結果盡可能接近真值。

測量過程控制主要是對影響測量結果的相關要素（包括測量人員、量具、被測量工件、程序/方法、環境以及上述的交互作用關系等）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分析的方法，本文對用于量測GOA Channel CD的測量設備（關鍵線寬&殘膜膜厚測量機）進行了研究，通過分析測量系統發生的變動對工程變動的影響，來判斷測量系統的適合與否，主要分析該測量系統的精密度(Gage R&R)、準確度等，以確保量產中量測數據的準確度和精確度。

在此之前，先簡單介紹用于測量GOA Channel CD質量特性的量測設備（關鍵線寬&殘膜膜厚測量機），該設備主要用于測量Photo工藝后產品的關鍵線寬和的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。該設備主要是采用光的干涉原理，通過設備的高精度相機等光電系統對測量對象進行掃描，從掃描圖像中提取最佳聚焦圖，從而提取出測量數據。下面舉例，對關鍵線寬&殘膜膜厚測量機在對某款量產品的GOA Channel CD測量過程中的偏移、以及進行重復性和再現性分析。

圖6 偏倚數據分析結果

圖7 線性數據分析結果

圖8 重復性&再現性數據分析結果

2.1.1 偏倚分析

本次偏移分析，測試人員為B17 Array曝光科的設備工程師，選取生產線中的關鍵線寬&殘膜膜厚測量機（量具編號：OAEX-002）作為測量設備，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，測量結果如表2所示，JMP統計學軟件對測量數據處理分析結果如圖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），數據分析結果顯示偏倚的95%置信區間上限為0.0018841，偏倚的95%置信區間下限為-0.000977，結論為“0”落在偏倚值的95%置信區間內，則偏倚在α水準上是可以接受的。結論：“0”落在偏移值附近的95%置信度界限內，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（不同規格產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，測試結果記錄如表3所示，并采用JMP統計學軟件對策了數據進行線性分析，結果如圖7所示。

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

2.1.3 重復性和再現性分析

重復性和再現性分析，又稱Gage R&R分析。本次測量共選擇10個樣品（要求樣品在規格內均勻散，即隨機抽取樣品），選擇三名經過測量認證合格的人員，按隨機順序對10個樣件各循環測量3次，測試結果記錄如表4所示，并采用JMP統計學軟件對測量數據進行R&R分析，結果如圖8所示。

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

經過以上針對GOA Channel CD測量系統的偏移、以及進行重復性和再現性分析，可以判定在實際工藝制程中，GOA Channel CD的測量系統發生的變動對工程變動的影響可以忽略不計。但是，由于考慮測量設備在實際使用過程中存在儀器老化、磨損和測量設備機差等情況，故后續仍需針對測量設備、人員進行周期性認證，并對同種測量設備進行Correlation校正，以確保產品量產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制造過程加以控制。SPC即統計過程控制，主要是通過使用控制圖等統計技術來分析過程或其輸出，以便采取適當的措施保持統計控制狀態，進一步提升工藝制程能力，最終達到保證產品質量的目的。故合理地利用SPC系統對量產階段的GOA Channel CD進行監控，對其過程控制是十分必要的。本文針對GOA Channel CD的SPC管控，除了常規的SPC系統管理外，還分別從SPC管控Rule和控制圖報警能力兩方面探究現有管理的不足，并提出了對應的管控優化方案。

2.2.1 GOA Channel CD SPC管控Rule優化

根據GB/T 4091《常規控制圖》中規定的八大判異準則，這8個準則觸發確實可以發現制程中的異常情況，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產品上更加顯著，主要是因為大尺英寸TV產品的單張Glass面積更大，測試點位更多，當Glass局部的質量特性出現波動時，通常很難識別出來。

因此，我們在原有的SPC系統增加了SRO（單點超標）Alarm管控規則，從原有的均值超標Alarm管控規則優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品異常和風險。例如，某SPC系統重點監控項目CD為例，其測量點位有48個，在導入SRO Alarm管控規則前，無法識別局部區域異常，而導入SRO Alarm管控規則后，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SRO Alarm時，系統會自動報警，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品情況，并對超標原因展開調查，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控制圖報警能力優化

SPC控制圖的報警能力通常能說明SPC系統的實際應用情況，控制圖報警能力的優化對于SPC系統的預警和實際應用過程的管理都是至關重要的。通過調研京東方各現地工廠的情況，我們發現目前控制圖報警方面主要有2個缺點，一方面是部分現地存在控制限未計算，直接將spec內縮進行管控，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地存在產線中不同設備和不同chamber統一管控，未考慮設備別差異，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：首先提高控制限設置合理性，由原來按照一定比例壓縮Spec制定控制限優化為定期依據生產數據計算控制限，以3個月為一個周期，刷取生產數據，清洗數據以剔除異常值，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，查手冊系數表可得。

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，增加生產設備別、Chamber過程能力監控，實現整體-設備別-Chamber層級管理，異常發生時精確至生產最小單元，提高異常分析效率，同時識別相同生產設備/Chamber制程能力差異，提高過程監控準確性。

3 結論

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

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

（2）根據G10.5產品GOA分布方向及Mask類型，提出Mask設計端和工藝端補正方案，降低GOA與AA區工藝均一性差異。

（3）定期對測量系統進行偏倚、線性以及重復性和再現性分析，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則有助于識別產品局部異常，控制限設置的合理性和過程能力分層級管理能提高過程監控準確性。

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