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(duì)顯示器尺寸、分辨率及刷新頻率提升的需求越來越強(qiáng)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(yīng)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(shí)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(guān)元件以及高精細(xì)加工技術(shù)等手段[2]。在低阻抗金屬制作TFT 信號(hào)線上，目前研究和使用較多的材料是鋁(Al)，而銅(Cu)相對(duì)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(jìn)行銅工藝的研究和制作[3]。

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

在TFT基板制作過程中會(huì)經(jīng)歷多道檢測(cè)工序，包括電學(xué)檢測(cè)和光學(xué)檢測(cè)。針對(duì)電學(xué)檢測(cè)到的像素電壓的差異和分布，定位缺陷所在數(shù)據(jù)信號(hào)線或柵極信號(hào)線，再通過自動(dòng)光學(xué)檢查機(jī)掃描定位并記錄該線上的實(shí)際缺陷坐標(biāo)。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(yīng)氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)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(dǎo)電薄膜修復(fù)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(xué)檢測(cè)可以定位缺陷所在數(shù)據(jù)信號(hào)線，但光學(xué)檢測(cè)設(shè)備掃描該數(shù)據(jù)信號(hào)線時(shí)無法查找到真實(shí)缺陷，從而造成該異常無法進(jìn)行修復(fù)，導(dǎo)致良率損失。對(duì)于1 092.2 mm(43 in)產(chǎn)品，該異常發(fā)生率高達(dá)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(diǎn)位就會(huì)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(gè)1 092.2 mm(43 in) 面板或3個(gè)1 651 mm(65 in) 面板，若發(fā)生1個(gè)缺陷點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)定位不可見類型的DCS異常實(shí)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(shè)計(jì)不同灰化工藝時(shí)間膜層形貌觀察實(shí)驗(yàn)，探究發(fā)生機(jī)理并設(shè)計(jì)改善驗(yàn)證方案。改善方案實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備：精測(cè)檢查機(jī)(武漢精測(cè))、激光顯微鏡(首爾工程，Borderless_65)。

將面板(Open Cell)與精測(cè)檢查機(jī)連接并點(diǎn)亮放置于激光顯微鏡平臺(tái)上，顯微鏡調(diào)整背光亮度充當(dāng)背光源，控制精測(cè)檢查機(jī)將面板顯示畫面調(diào)整為L(zhǎng)127灰階畫面。DCS點(diǎn)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(shí)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(dòng)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(diǎn)時(shí)，DPO側(cè)至切割點(diǎn)處的數(shù)據(jù)線被隔離顯示為暗線(DO)，切割點(diǎn)處至Data Pad(DP)側(cè)的數(shù)據(jù)線仍受短路點(diǎn)位影響顯示為漸變暗線(DCS)。切割至第N點(diǎn)時(shí)，異常點(diǎn)仍未被隔離，DPO側(cè)至切割點(diǎn)N處顯示為暗線(DO)，DP側(cè)至切割點(diǎn)N處顯示為漸變暗線(DCS)。點(diǎn)燈現(xiàn)象如圖3和圖4所示。

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

圖4 切割點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，DCS點(diǎn)位被隔離，DPO側(cè)至切割點(diǎn)N+1的數(shù)據(jù)信號(hào)線被隔離顯示為暗線(DO)，DP側(cè)至切割點(diǎn)N+1處的數(shù)據(jù)信號(hào)線不再受短路點(diǎn)位影響而恢復(fù)正常顯示。點(diǎn)燈現(xiàn)象如圖5和圖6所示。

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

圖6 切割點(diǎn)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(diǎn)N至切割點(diǎn)N+1之間的異常數(shù)據(jù)信號(hào)線，可發(fā)現(xiàn)TFT側(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)線和公共電極信號(hào)線交界處存在正面不可見、背面可見的小黑點(diǎn)，如圖7和圖8所示。針對(duì)20張不可見類型的DCS異常面板進(jìn)行切割定位實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)小黑點(diǎn)均如圖8所示位于公共電極信號(hào)遠(yuǎn)離柵極信號(hào)線的一側(cè)。正因?yàn)樵摦惓Ｔ赥FT正面不可見，所以光學(xué)檢測(cè)設(shè)備掃描該數(shù)據(jù)信號(hào)線時(shí)無法查找到真實(shí)缺陷，造成該異常無法進(jìn)行修復(fù)。

圖7 異常點(diǎn)正面圖Fig.7 Front image of abnormal point

圖8 異常點(diǎn)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(shè)備對(duì)切割定位實(shí)驗(yàn)鎖定的小黑點(diǎn)進(jìn)行微觀截面形貌分析，可見公共電極信號(hào)線Cu金屬部分缺失并伴隨向上生長(zhǎng)，導(dǎo)致與數(shù)據(jù)信號(hào)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(zhǎng)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(diǎn)FIB圖Fig.9 FIB image of abnormal point

借助能譜分析儀(EDS)對(duì)圖10中的異常區(qū)域和圖11中的正常區(qū)域進(jìn)行元素分析，可見公共電極信號(hào)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(shí)存在少量S元素，判定為Cu的腐蝕產(chǎn)物。

圖10 異常點(diǎn)成分分析。(a)成分分析點(diǎn)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(diǎn)成分分析。(a)成分分析點(diǎn)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(jī)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(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)備。實(shí)際測(cè)量產(chǎn)線b層相對(duì)濕度(RH)為58%，產(chǎn)線a層相對(duì)濕度(RH)為60%，存在濕度差異性。

3.2 不同灰化工藝時(shí)間形貌觀察實(shí)驗(yàn)

針對(duì)異常發(fā)生位置設(shè)計(jì)不同灰化工藝時(shí)間截面形貌觀察實(shí)驗(yàn)。圖12是公共電極信號(hào)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(xué)圖片進(jìn)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(xué)圖片進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shè)計(jì)。光刻膠寬度大于公共電極信號(hào)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(yīng)生成物以及反應(yīng)氣體(SF6)。

隨著灰化工藝時(shí)間的增加，光刻膜厚減薄并伴隨寬度減小?；一?80 s時(shí)，公共電極信號(hào)線兩側(cè)已不受光刻膠保護(hù)，公共電極信號(hào)兩側(cè)表面平整度差，存在反應(yīng)物殘留的可能性。

3.3 機(jī)理探究

銅的化學(xué)腐蝕主要來自幾個(gè)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(luò)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(cè)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(rùn)滑油造成的銅腐蝕主要是由潤(rùn)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(zhǎng)[8]，并且隨著相對(duì)濕度(RH)和S濃度增大，腐蝕反應(yīng)加快[9-10]。

基于以上分析結(jié)果，灰化過程中反應(yīng)氣體SF6殘留在“屋檐狀”光刻膠下方會(huì)對(duì)公共電極信號(hào)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(zhǎng)，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(hào)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(yàn)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?；谝陨蠙C(jī)理提出降低S濃度的驗(yàn)證方案，進(jìn)行SF6流量為2 400 mL/min和1 000 mL/min條件驗(yàn)證。SF6氣體用量1 000 mL/min驗(yàn)證條件較2 400 mL/min驗(yàn)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(duì)濕度(RH)

實(shí)際測(cè)量產(chǎn)線b層相對(duì)濕度(RH)為58%，產(chǎn)線a層相對(duì)濕度(RH)為60%，存在濕度差異性，a層灰化設(shè)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(shè)備?；谝陨蠙C(jī)理，提出降低產(chǎn)線相對(duì)濕度(RH)的驗(yàn)證方案。

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

圖16 相對(duì)濕度與不可見類型的DCS異常發(fā)生率關(guān)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(shí)間

基于以上機(jī)理提出縮短灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時(shí)間的驗(yàn)證方案，以避免灰化工藝完成后殘留反應(yīng)氣體以及反應(yīng)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(shí)間處于0～3 h進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖17所示。從圖中可以看出，等待時(shí)間<1 h時(shí)，不可見類型的DCS異常發(fā)生率明顯降低。

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

4.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

前期失效模式分析以及不同灰化工藝時(shí)間形貌觀察實(shí)驗(yàn)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(hào)線遠(yuǎn)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(yīng)生成物以及反應(yīng)氣體(SF6)，加劇腐蝕?；谠搶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行異常區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化，該區(qū)域空間越狹窄越容易殘留灰化反應(yīng)氣體，采用開槽設(shè)計(jì)將間距H從16 μm增大至23 μm以擴(kuò)大該區(qū)域空間。

圖18是設(shè)計(jì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的柵極/公共電極工藝完成后的光學(xué)實(shí)物圖，圖19是優(yōu)化前和優(yōu)化后的設(shè)計(jì)圖。

圖18 設(shè)計(jì)優(yōu)化前(a)和優(yōu)化后(b)的實(shí)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(shè)計(jì)圖Fig.19 Drawing before(a) and after(b) optimal design

優(yōu)化設(shè)計(jì)的新掩膜版驗(yàn)證導(dǎo)入后，不可見類型的DCS異常發(fā)生率降低0.5%。

本文針對(duì)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(shí)驗(yàn)方案精確定位不可見類型的DCS異常實(shí)際位置，基于數(shù)據(jù)和失效模式分析結(jié)果設(shè)計(jì)不同灰化工藝時(shí)間膜層形貌觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)行發(fā)生機(jī)理探究。再依據(jù)以上調(diào)查結(jié)果進(jìn)行灰化工藝SF6氣體用量、產(chǎn)線相對(duì)濕度(RH)、灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時(shí)間和設(shè)計(jì)相關(guān)的改善驗(yàn)證。改善效果如圖20所示，階段1(1 ～5 Month)量產(chǎn)導(dǎo)入產(chǎn)線相對(duì)濕度(RH)降低和縮短灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時(shí)間的改善措施；階段2(6 ～7 Month)量產(chǎn)導(dǎo)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(dǎo)入開槽優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)Cu金屬的影響，降低腐蝕反應(yīng)速率；

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

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

(4)異常發(fā)生區(qū)域采用開槽設(shè)計(jì)擴(kuò)大該處空間以避免灰化反應(yīng)氣體殘留，從而達(dá)到減輕S腐蝕對(duì)公共電極信號(hào)線Cu金屬的影響的目的。

5 結(jié) 論

灰化過程中反應(yīng)氣體SF6殘留在光刻膠下方會(huì)對(duì)公共電極信號(hào)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(zhǎng)，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(hào)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?？梢酝ㄟ^降低灰化工藝SF6氣體用量、降低產(chǎn)線相對(duì)濕度(RH)、縮短灰化工序至2nd柵極濕刻工序等待時(shí)間和優(yōu)化異常發(fā)生區(qū)域開槽設(shè)計(jì)以增大間距H的措施得以改善。