LTPS TP精益化管控研究

鄂爾多斯市源盛光電有限責任公司 蘇海東 王成龍 姚 磊 閆 雷 李 峰 李 凱 高 云

低溫多晶硅工藝作為薄膜晶體管顯示器的主流工藝被各大面板廠商所采用。但是復雜的工藝制程導致基板形變較大，這就導致出現(xiàn)相應的光學類的不良，如串色，漏光，透過率低等。為了實現(xiàn)陣列基板和彩膜基板的高精度對位，本文研究了影響陣列基板總節(jié)距(Total Pitch，TP)均一性的工藝因素。首先，通過跟蹤測試LTPS-TFT工藝每步TP結(jié)果，將TP變化量大的工藝分為3類，即：Mask工藝，鍍膜工藝與高溫工藝。其次深入分析說明這些工藝影響TP的原因和管控TP的常規(guī)做法。最后針對影響TP的工藝介紹了精益化的管理方法。結(jié)果表明，生產(chǎn)中采用TP精益化管理方法，將薄膜晶體管陣列工藝的TP Range由2ppm以上縮小到1.1ppm以下，對位精度工程能力由0.94提升到1.68.這一水平滿足了無串色，高透過率的要求。該精益化管理方法可以推廣應用于其他LTPS生產(chǎn)線中。

TFT-LCD因具備高畫質(zhì)，質(zhì)量輕，價格低廉等優(yōu)異的性能，作為顯示器件的主力軍廣泛應用于智能手機，平板顯示，穿戴產(chǎn)品，投影顯示，車載物聯(lián)等各類消費電子產(chǎn)品中。隨著應用領域不斷地拓展，人們對于顯示畫面的的品質(zhì)也提出了更高的要求。而LTPS TFT產(chǎn)品相較于a-Si TFT產(chǎn)品具有電子遷移率高，集成度高和邊框窄，分辨率高，顯示畫面細膩，能耗低，響應速度快，因而倍受消費者的青睞。同時，LTPS制程工藝復雜，需要多道鍍膜工藝和高溫工藝制程，這就使得較a-Si工藝發(fā)生更大的基板形變。這些較大的基板形變會導致TP發(fā)生變化，Cell工藝中對位(Alignment Inspection，AI)精度發(fā)生惡化，這就會導致顯示效果的瑕疵，如串色不良，漏光不良，產(chǎn)品透過率下降，漏光等問題。目前對于曝光工藝影響TP的研究較多，但對于整個LTPS產(chǎn)線TP管控的研究則相對較少。通過研究TP影響因素，并針對各個影響因素找到進行管控，對提高對位精度有著重要的意義。

1 影響TP的工藝分析

圖1 LTPS-TFT TP趨勢圖

TP為面板制造工序中產(chǎn)生的、玻璃基板上兩點之間距離的變化，是監(jiān)控曝光精度的重要指標。其監(jiān)控方式為在固定位置設計圖形Mark，經(jīng)過曝光工藝之后量取Mark實際中心位置與設計值中心位置的坐標差異，其差值為該層工序的TP。根據(jù)其監(jiān)控方式可知，曝光圖形偏移程度，玻璃基板整體的形變均會影響TP的變化。圖1為跟蹤LTPS-TFT制程工藝，將單步工藝TP變化大于0.5ppm的工藝篩選出，得出的TP變化量圖。根據(jù)影響TP變化的因素，可將影響工藝分為3類：Mask工藝，鍍膜工藝，高溫工藝。

1.1 Mask工藝

Mask工藝為影響TP的直接因素，通過曝光補償可以改變產(chǎn)品Pattern的大小和在基板上的位置。通常首道Mask工藝需要對整個TFT制程的TP進行反饋補償，以保證產(chǎn)品Pattern最終位置。成熟的生產(chǎn)線已知每步工藝影響TP的均值，根據(jù)產(chǎn)品工藝流程首層到Final的TP變化規(guī)律，以及Cell對位要求TFT基板最終的TP均值，會在首道Mask工藝進行TP平均值反饋補償。一般地，會在產(chǎn)品驗證階段，首先根據(jù)經(jīng)驗在首道Mask進行一次補償，測試得到Final TP數(shù)據(jù)并和設計需求值進行比對，在下一次產(chǎn)品投入再進行第二次反饋補償。

圖2 應力作用導致基板變形示意圖

圖3 基板收縮率與熱處理溫度的變化關(guān)系

1.2 鍍膜工藝

鍍膜工藝是影響TP的關(guān)鍵因素。金屬層用作信號的傳輸，通過曝光刻蝕，最終只留下線路，影響TP較小。而絕緣膜層一般除了過孔處被刻蝕掉外，大部分留下基板上，因此對于TP影響較大。薄膜生長過程中由于晶格失配、雜質(zhì)介入、晶格重構(gòu)、相變等產(chǎn)生的內(nèi)應力和基底與膜層熱膨脹系數(shù)差異導致的熱應力共同作用基板發(fā)生形變，導致TP變化。根據(jù)應力的性質(zhì)可知，壓應力會使基板發(fā)生擴張，而張應力會使基板發(fā)生收縮，如圖2所示。根據(jù)實驗結(jié)果，總節(jié)距（TP）與薄膜應力(s)，薄膜厚度(tf)的關(guān)系服從以下方程：

即厚度為1000?，應力為100Mpa的薄膜作用于基板，其TP變化為-0.1826ppm左右。

1.3 高溫工藝

玻璃基板經(jīng)過高溫處理會發(fā)生致密化過程，即基板經(jīng)過高溫工藝會發(fā)生形變，導致尺寸減小。其尺寸減小程度取決于玻璃制作工藝，成分，是否進行前期退火處理，退火溫度，退火時間以及冷卻速率等。一般地，為了使生產(chǎn)過程中基板形變盡量小，顯示面板廠購買的玻璃會經(jīng)過前退火處理。即使這樣，在后期的高溫工藝中，仍然有基板形變的發(fā)生，但其收縮量相較于未退火處理過的玻璃基板小得多。LTPS工藝制程中，高溫工藝有脫氫工藝(De-Hydrogen)，準分子激光退火工藝（Excimer Laser Anneal），氫化工藝(Hydrogen)，固化工藝（Curing），最終退火工藝(Final Anneal)以及鍍膜高溫工藝等。為了得到一般顯示面板行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)用玻璃的退火收縮曲線，實驗采用250℃-550℃，每間隔50℃作為一個梯度，分別在退火爐內(nèi)處理1Hour后得到的玻璃基板收縮量曲線。如圖3所示，可見在LTPS工藝中，對于高溫工藝的管控有很大的必要性。

2 精益化TP管控方式

對于成熟的工藝制程路線，我們知道每一步工序TP的變化量，從而在基準層進行相應量的補正。但在實際批量生產(chǎn)過程中，有設備別，chamber別的差異，簡單的按照TP變化量的平均值進行補正，不管控制程TP的均一性已經(jīng)很難滿足生產(chǎn)的要求。所以我們不僅要對TP變化的平均值需要管控，還要對其均一性進行管控。實際過程中，玻璃基板的形變和Mark及Pattern的形變在玻璃基板上并不是均一規(guī)則的，所以對于TP圖形的管控也很重要。下面根據(jù)影響TP的主要工藝分別進行精益化管控的說明。

2.1 Mask工藝

圖4 9個樣品TP圖形

圖5 TP平均值圖形與補償圖形

圖6 EGA數(shù)據(jù)和TP數(shù)據(jù)的匹配性

一般地，目前常規(guī)的Mask工藝補正TP的方式為根據(jù)Final TP的結(jié)果來反推首層Mask的平均補正值。由于Glass在各個區(qū)域形變不均一，這樣對于基板上TP圖形不規(guī)則的變化無法進行補償，該方法在Cell制程中無法保證各個點的對位精度。現(xiàn)提出一種新的圖形補正方式。首先在產(chǎn)品開發(fā)階段，采用分層抽樣方法，抽取樣品并測試得出該樣本的Final TP圖形（為明顯表征TP的變化規(guī)律，我們將除基準外的各個樣品的TP圖形放大10000倍）。實驗中，抽取了9個樣本，如圖4所示，選取一個曝光Shot，我們發(fā)現(xiàn)，雖然每個樣本的TP平均值有差異，但是其在圖形上有一定的規(guī)律性：局部區(qū)域，樣本之間的TP圖形相對于其他區(qū)域一致性的放大或縮小。這樣，我們可以求得這9個樣品每個點位的平均值，根據(jù)其值進行反向的TP圖形補償。如圖5，Average為9個樣品的每個點位求得平均值的TP圖形，設基準圖形上的任一點坐標為（x，y），樣品平均值對應的點位的坐標為（x1，y1），定義Δx=x1-x，Δy=y1-y，其對應點位的補償值坐標(x2，y2)， 其中x2=x1+Δx，y=y1+Δy。這樣將這一組TP數(shù)值經(jīng)過處理反饋給曝光機，在產(chǎn)品首層Mask工藝進行補償。采用該種補償方式，根據(jù)批量生產(chǎn)的數(shù)據(jù)Final TP Range由2.0ppm縮小到1.5ppm，AI Cpk由0.94提升到1.48，極大提高了對位精度。

2.2 鍍膜工藝的TP管控

圖7 脫氫爐溫度控制區(qū)域示意圖

在顯示面板行業(yè)中，主流的非金屬膜層沉積使用等離子增強型化學氣相沉積(PECVD)。由于熱膨脹系數(shù)的差異引起的熱應力和薄膜生長過程中產(chǎn)生的本征應力一起影響基板的收縮與擴張，基板的收縮和擴張引起電子線路Pattern或Mark的變化導致TP發(fā)生變化。而一般鍍膜設備由多個腔室（Chamber）組成，由于硬件的差異和生產(chǎn)過程中運動部件的漂移，導致設備鍍膜環(huán)境發(fā)生微小的變化，這些情況會導致各個Chamber成膜應力的差異。一般地，常規(guī)管控方式為在設備周期性維護后進行應力監(jiān)控和鍍膜后TP監(jiān)控，根據(jù)應力和TP結(jié)果再針對設備進行調(diào)節(jié)。其特點為調(diào)整周期較長，數(shù)據(jù)量少，因此在連續(xù)生產(chǎn)過程中會發(fā)生TP漂移，不同時間進行的產(chǎn)品TP差異較大。根據(jù)曝光機設備對位原理和經(jīng)驗數(shù)據(jù)證明，曝光工藝過程中的Enhanced Global Alignment Data（EGA Data）數(shù)據(jù)能很好的反應TP.圖6為同一批次產(chǎn)品，按照A/B/C Chamber分別進行9片產(chǎn)品，在對應曝光工藝輸出的EGA數(shù)據(jù)和鍍膜后測試的TP數(shù)據(jù)關(guān)系，從圖中可以看出，EGA數(shù)據(jù)和TP有很好的匹配性。這樣在生產(chǎn)過程中，我們通過當前層Mask工藝中的EGA Data以鍍膜設備Chamber劃分，可以實現(xiàn)快速精確的調(diào)整不同鍍膜腔室引起的TP不均一問題。通過此種管控方式，可將在長期生產(chǎn)過程中單步鍍膜工藝的TP Range由0.8ppm降低到0.4ppm以下。

2.3 高溫工藝

由圖1可知，影響TP的工藝中，高溫工藝占很大部分。脫氫工藝由于溫度高，時間長，對TP的影響最大。如圖6所示，常規(guī)的管控方式以溫度均一性為導向，將測溫玻璃分層放入Furnace中，調(diào)節(jié)從Top Zoom到Ass Zoom各溫控區(qū)域的溫度。結(jié)果表明，以溫度均一性為導向調(diào)控工藝，在Furnace內(nèi)位于不同Slot的Glass TP的均一性并不好，約為1.2ppm左右。而以TP均一性為導向，根據(jù)測試脫氫爐內(nèi)不同Slot的Glass TP圖形進行比對，針對局部的收縮擴張量大小來調(diào)整不同控制區(qū)域的溫度來補償TP.通過補償之后再用測溫玻璃測試，其同樣滿足Glass上溫度均一性的規(guī)格。根據(jù)這種調(diào)控方式，測得經(jīng)過脫氫爐的TP Range小于0.7ppm。

3 總結(jié)

綜上所述，為了實現(xiàn)TFT基板和CF基板的高精度對位，本文調(diào)查了顯示面板TFT制造工藝段影響TP的工藝，按照影響方式將其分為Mask工藝，鍍膜工藝與高溫工藝。對于Mask工藝，通過對其深入分析，創(chuàng)新地提出了一種根據(jù)Final TP形狀在首道Mask反向進行TP補償?shù)姆绞剑搱D形補正方式相比于傳統(tǒng)的平均值補正方式，能夠極大的提高對位精度；對于非金屬鍍膜工藝，研究了鍍膜引起的TP變化與對應該道Mask制程EGA Data的一致性，提出了通過EGA Data調(diào)節(jié)TP差異的方法，該調(diào)節(jié)方式相比于鍍膜后測試應力和TP的方法，其特點為調(diào)節(jié)快速，數(shù)據(jù)量大，量產(chǎn)適用性優(yōu)異；對于高溫工藝，提出以TP圖形和均一性為導向的調(diào)節(jié)方式，相比于傳統(tǒng)的以溫度均一性為導向的方法，該方法能極大提升高溫工藝的TP均一性。通過以上精益化TP管控方式，將批量生產(chǎn)的TFT Final TP Range由2ppm左右調(diào)整到1.1ppm以下，極大地提高了Cell對位精度，為無串色，高透過率，高光學均一性的優(yōu)異顯示性能打下了基礎。

文章創(chuàng)新點：

傳統(tǒng)的TFT TP補償方法為通過得到Final TP平均值，然后根據(jù)產(chǎn)品工藝流程首層到Final的TP變化規(guī)律，以及Cell對位要求TFT基板最終的TP均值，在首道Mask工藝進行TP平均值反饋補償。由于Glass在各個區(qū)域形變不均一，該方法在Cell制程中，對位時無法保證各個點的精度，導致可能出現(xiàn)顯示類的不良。很難滿足消費者對于顯示畫面高品質(zhì)的要求。精益化的管控方法為得到Final TP的圖形和基準圖形進行比對，通過計算得到補償圖形，然后將其反饋給曝光機在首道Mask進行補償，這樣能夠保證每個點的對位精度。對于鍍膜工藝影響的管控，傳統(tǒng)的方法為設備周期維護保養(yǎng)后測試應力和TP然后進行設備調(diào)整，本文通過研究EGA和TP的一致性關(guān)系，提出了通過曝光工藝EGA數(shù)據(jù)調(diào)整成膜TP的方式，相比于傳統(tǒng)方式其特點為調(diào)節(jié)快速，數(shù)據(jù)量大，量產(chǎn)適用性優(yōu)異。對于高溫工藝，提出以TP圖形和均一性為導向的調(diào)節(jié)方式，相比于傳統(tǒng)的以溫度均一性為導向的方法，該方法能極大提升高溫工藝的TP均一性。

通過上述精益化TP管控方式，將批量生產(chǎn)的TFT Final TP Range由2ppm左右調(diào)整到1.1ppm以下，極大地提高了Cell對位精度，為無串色，高透過率，高光學均一性的優(yōu)異顯示性能打下了基礎。