Dual Gate液晶顯示屏柵極制程斷路缺陷的分析與改善

摘要：文章探究了光刻工序的水汽和ITO刻蝕工序的藥液結晶對Dual Gate產品柵極制程的斷路影響，通過DOE試驗得到影響因子的最佳改善條件，使55寸Dual Gate產品柵極制程的斷路缺陷發生率整體降低36%，為公司帶來80.2萬元的月度收益，能夠對其他高端產品斷路缺陷的改善思路、新工藝設備的設計改進，提供參考。

關鍵詞：雙柵；斷路；試驗設計

Analysis and Improvement of Line Open Defects in Gate Manufacturing Process of Dual Gate LCD

YANG Diyi1， KONG Fanlin1， HU Xingxing1， XIA Yingying1，

HUANG Xiaoping2， WU Chengye1， HAO Jing1， WEN Xin1， MO Yan1

（1. Wuhan BOE Optoelectronic Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430040， China;

2. Chengdu CEC Panda Display Technology Co.， Ltd.， Chengdu 610200， China）

Abstract： This paper explores the impact of aqueous vapor in the photolithography process and crystallization in the ITO etching process on Gate manufacturing process of Dual Gate products， and proposes effective improvement plans. After the introduction of the optimal improvement conditions， the overall occurrence rate of line open defects in Gate process of the 55” UHD Dual Gate product was reduced by 36%， which gives the company a monthly income of 802000 yuan. It can provide important reference value for the improvement of line open defects in high-end products such as Dual Gate/Triple Gate and the design improvement of new process equipment in the future.

Key words： Dual Gate; line open；DOE

1" "研究背景

Dual Gate液晶顯示產品，因其高透過率、高邊效等優勢，具有較高的市場競爭力，正逐漸成為大世代線液晶顯示面板的主力產品[1]。但是，Dual Gate設計會導致線寬較窄，造成柵極制程斷路缺陷的風險更大。柵極制程的斷路缺陷包括Gate Line斷路和Fan-out區斷路兩種，在實際生產中，Fan-out區域產生斷路缺陷的工序和機理長期處于不明確狀態，缺陷改善困難。本文以55寸Dual Gate產品為例，針對Fan-out區臺階型及ITO完好型的失效模式展開研究，有效降低55寸Dual Gate產品柵極制程的斷路缺陷發生率。

2" "Fan-out區斷路缺陷的特征

為了探究產生Fan-out區斷路的原因，使用掃描電鏡觀察Fan-out區斷路缺陷的微觀特征。在4Mask技術中，柵極制程通過Half-tone Mask工藝實現一次光刻即可制出Cu柵極和ITO公共電極，其特點是，在柵極制程結束后，面板上金屬Cu線的下方會存在一層ITO薄膜[2]。

根據Fan-out區斷路時Cu膜及ITO膜的微觀特征，劃分出主要的三種典型的失效模式，包括ITO膜完好型、臺階型、膜層異物型，如表1所示。本文主要針對前兩類缺陷進行分析改善。

3" "Fan-out區斷路影響工序探究

由于TFT-LCD柵極制程復雜，為了縮小改善項目的范圍，先繪制了柵極制程的工段流程圖作為參考工具，如圖1所示。

圖1中，Fan-out區僅在主工序結束時進行光學檢測，為了明確關鍵影響工序，項目成員每天隨機選取200片基板，在各工序結束后，分別進行一次光學抽檢，結果如表2所示。

其中，缺陷形貌指圖1中光學檢測工序得到的光學形貌，抽檢形貌指各主工序結束后拍到的光學形貌。抽檢結果顯示：①臺階型缺陷最早在光刻工序結束后檢測到，抽檢形貌可見PR膠異常；②ITO完好型缺陷最早在ITO刻蝕工序結束后檢測到，抽檢形貌可見明顯PR膠楔形劃傷。明確了臺階型缺陷的關鍵改善工序為光刻工序，ITO完好型缺陷的關鍵改善工序為ITO刻蝕工序。

4" "Fan-out區斷路機理探究

4.1 臺階型缺陷的機理分析

基于臺階型缺陷與光刻工序強相關，進行光刻設備排查，發現基板進入清洗濕區間之前，存在大量水汽與基板表面提前接觸，如圖2所示。

臺階型缺陷在Map上表現為右側聚集，而Map的右側在光刻工序的清洗段處于基板前進端，因此推測該缺陷與基板前進端接觸大量水汽相關性大；

如圖3所示，臺階型缺陷形成機理：基板前進端在光刻工序清洗干區間提前接觸水汽（含CO2等），使Cu表面與PR膠的黏附性變差，產生間隙。在1st Cu刻蝕工序，刻蝕液從間隙處刻入，導致相應位置的Cu膜缺失。在ITO刻蝕工序，Cu膜缺失處的ITO膜層，由于失去Cu膜保護被刻掉。最后在2nd Cu刻蝕工序，Cu膜被進一步刻蝕，從而形成ITO膜較長，Cu膜較短的臺階狀。

根據此機理分析，本文中提出了增大圖2所示的清洗濕區間頂部和側面排氣壓力的改善措施，目的是使水汽盡可能多地被濕區間排氣抽走，降低水汽在干區間提前接觸基板的可能性，從而確保Cu膜與PR膠黏附性無異常，降低臺階型斷路缺陷的產生。

4.2 ITO完好型缺陷的機理分析

基于ITO完好型缺陷與ITO刻蝕工序強相關，進行設備排查，如圖4所示。

通過分析發現，刻蝕濕區間出口處的氣體噴嘴AC上，有藥液結晶聚集，易被氣體吹落，如表2所示，通過分析ITO完好型缺陷，可明顯看到PR膠被某種異物劃傷，推測ITO完好型缺陷與AC上吹落的結晶相關性大。

圖5為ITO完好型缺陷的機理分析：在ITO刻蝕工序PR膠被AC吹落的結晶劃傷導致Cu膜裸露，但由于有Cu膜保護，Cu膜下面的ITO膜層仍保持完好；在2nd Cu刻蝕工序，無PR膠保護的Cu膜被藥液刻蝕，最終形成ITO完好型缺陷。

根據缺陷的形成機理，本文中提出了降低AC PG（風簾吹氣壓力）的改善措施，目的是在減少結晶吹出的同時，減小吹出部分結晶對基板的沖擊力，從而降低PR受損的風險，使ITO完好型缺陷的發生率降低。

5" "確定最佳改善方案

本節借助JMP軟件，進行DOE試驗設計[3-4]。選取光刻工序頂部排氣、側面排氣以及ITO刻蝕工序的AC PG為DOE試驗因子。頂部排氣和側面排氣的當前水平分別為170 Pa和800 Pa，設置為低水平，將排氣極限200 Pa和1 000 Pa設置為高水平。ITO刻蝕濕區間出口處的氣體噴嘴不能完全關閉，取可接受的45 kPa為AC PG低水平，以當前值55 kPa為高水平，進行3因子2水平的全因子試驗，如表3所示。

基于表4的試驗結果，建立3個獨立因子加上3個交互因子的模型，得到各因子的顯著性分析結果，如圖6。結果顯示，頂部排氣、側面排氣、AC PG以及頂部排氣*側面排氣的顯著性檢定P值小于0.05，為顯著因子。頂部排氣*AC PG和側面排氣*AC PG交互因子的檢定P值大于0.05，交互作用不顯著，可進行優化去除。

為了確保試驗的重復性，對全因子試驗做一次重復驗證，表4為JMP軟件設計的全因子DOE試驗條件及相應條件下的Fan-out缺陷發生率。

去除非顯著因子后的模型，預測值與實際值的關系如圖7所示，決定系數RSq=0.91＞0.8，說明該模型可以解釋91%的變異。

圖8針對擬合模型的殘差進行分析，殘差的正態分位數圖近似為一條直線，且Shapiro-Wilk和Anderson-darling正態性檢驗P值均大于0.05，說明殘差服從正態分布。由殘差的規律性分析可以看出，殘差與預測值無關，且具有獨立性。分析結果表明，優化后的模型有較良好的預測能力。

如圖9所示，用預測刻畫器得到模型的最佳改善條件為頂部排氣：200 Pa、側面排氣：1 000 Pa、AC PG：45 kPa。在此條件下，Fan-out區斷路缺陷率的理論最小值為1.17%。經過量產驗證，該條件下的Fan-out區的實際缺陷率為1.19%，與模型預測值無較大差異。

如圖10所示，DOE最佳改善條件的量產導入，使得Fan-out區斷路缺陷率由改善前的1.84%，下降到改善后的1.19%，下降35%，效果明顯。而在同一個生產制程中，不同位置斷路缺陷產生的原因大都是相同的，在工藝層面改善Fan-out區斷路缺陷的同時，Gate Line斷路缺陷率也得到同步改善，面板有效顯示區的Gate Line斷路缺陷同步由1.17%下降到0.74%，下降37%，從而使55 Dual Gate產品柵極制程的斷路缺陷發生率整體下降36%。

6" "結束語

本文根據微觀形貌特征，對Fan-out區斷路缺陷細化分類，通過光學追蹤結果明確臺階型和ITO完好型斷路的源頭工序，在分析缺陷產生的機理后，采用DOE試驗，得到了最佳的工藝改善條件，使55寸Dual Gate產品柵極制程的斷路缺陷發生率整體下降36%，能夠對后續Dual Gate/Triple Gate等高端產品斷路缺陷的改善思路、新工藝設備的設計改進，提供重要的參考價值。

參考文獻

[1] 王小元，方琰，王武等．ADS雙柵線結構高透像素設計[J]．液晶與顯示，2019，34（06）：543-548.

[2] 鄭志強．TFT-LCD四次光刻工藝改善研究[D]．廣州：華南理工大學，2019.

[3] 賀杰，王曙敦．基于DOE的液晶屏質量缺陷原因診斷研究[J]．電子質量，2023（07）：45-49.

[4] 李愿愿，程再軍，顏華生等．液晶顯示屏擠壓漏光的分析及改善[J]．液晶與顯示，2022，37（04）：475-482.

作者簡介：楊迪一（1992-），男，湖北襄陽人，碩士，主要從事液晶顯示行業中新產品導入和不良分析改善研究，通信作者。