TFT－LCD產業中GOA單元不良的研究

張小祥，頡芳霞，劉 正，郭總杰，袁劍峰，邵喜斌

（1.北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176；2.江南大學 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

1 引 言

隨著薄膜晶體管－液晶顯示器（TFT－LCD）的發展，液晶產品的競爭越來越激烈，各個廠家開始開發新技術來占領市場。GOA（Gate driver 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［1－2］。由于其低成本、低功耗、窄邊框等優點，逐步成為各個廠家研究的新方向［3］。在GOA技術的發展過程中，大多主要集中在驅動電路方面的研究，來解決大尺寸與高分辨率應用方面的問題［4－6］，而關于GOA產品制造過程中的不良鮮有文獻報道。

作為另一種新技術SSM（single slit mask）技術，由于窄溝道、高開口率等優點，也逐步應用在各個產品中［7］。SSM技術與GOA技術的結合使用能得到更窄邊框的產品，但是在array制作過程中 GOA區域容易發生ESD （Electro－Static discharge）、溝道橋接（Channel Bridge）與溝道開裂（Channel Open）等不良，嚴重影響產品的良率。本文主要針對8.5代線中GOA產品制造過程中Array工藝出現的主要不良進行分析與改善。

2 GOA單元ESD不良

2.1 現象描述

在4次掩膜板干法刻蝕工藝中，在GOA區域發生嚴重的ESD現象，所有面板的發生率為5.4%，主要集中發生在整張玻璃基本的中心區域，中間面板的發生率為95%，嚴重影響產品的良率。如圖1所示，GOA單元連線處的金屬由于ESD的發生被熔化，導致GOA單元失效。

圖1 GOA單元ESDFig.1 GOA Unit ESD

2.2 分析與驗證

圖2和圖3分別為GOA區域發生ESD的俯視圖和三維圖像，從圖中可以看出，由于ESD的發生，1處位置的金屬線已經被熔化，2處位置的有源層被擊穿。圖4和圖5分別為位置1處和2處的ESD區域的剖面圖，圖中左邊為正常的形貌高度，右邊為ESD發生位置的形貌高度。金屬線熔化的區域（位置1）相比正常的區域高度差為0.400μm，而此區域金屬沉積的厚度約為0.395μm，比較可以知道金屬已經被全部熔化。有源層擊穿的區域（位置2）相比正常的區域高度差為0.12μm，而此區域的溝道厚度約為0.1μm，比較可以知道溝道有源層被擊穿。位置1和2處的絕緣層都沒有被擊穿，推測可以知道，ESD只是發生在源漏極刻蝕工藝當層，而不是層間擊穿［8］。

圖2 ESD發生俯視圖Fig.2 ESD top view

圖3 ESD發生區域的三維圖像Fig.3 ESD 3Dmap

圖4 ESD發生區域的剖面圖（位置1）Fig.4 Profile of ESD area（Position 1）

圖5 ESD發生區域的剖面圖（位置2）Fig.5 Profile of ESD area（Position 2）

圖6為ESD發生區域GOA單元的構造圖，最右邊為電容C1，由Gate層和SD層的金屬組成，長度為356μm，寬度為200μm。連接電容一側的金屬寬為36.8μm，連接M3單元一側的金屬寬為10μm，M3單元的金屬寬為5μm。在干法刻蝕過程中，GOA單元處的電容容易存儲電荷，靜電釋放過程中產生的瞬間電流通過金屬走線傳遞到M3單元。由圖6可以知道，金屬線較細的一端（M3單元）相比較金屬線較粗的一端（連接電容單元）的電阻更大，電容端傳遞的瞬間大電流產生的焦耳能將金屬線熔化，同時將溝道有源層擊穿。

圖6 ESD發生區域的GOA單元構造Fig.6 GOA unit structure on ESD area

為了驗證電容處釋放的瞬間電流導致ESD的產生，我們選取了3張玻璃基板，在源漏極曝光顯影后，用TFT－LCD維修設備的激光器將金屬線的上光刻膠燒掉，然后再進行兩濕兩干的工藝。圖7為電容和M3單元連線切斷的圖片，可以看出經過激光器燒掉光刻膠后，連線處被斷開。將3張玻璃基板進行檢查，沒有發生ESD。

圖7 電容和M3單元連線切斷圖Fig.7 Cutting figure between capacitance and M3unit

2.3 改善措施與效果

根據ESD發生原因的分析，將電容結構與其它單元斷開或者能迅速將靜電釋放出來，能避免ESD的發生。圖8為電容與M3單元連線的設計示意圖，（a）為原有的設計結構，（b）為改善后的設計結構。改善后的設計是將電容與M3單元的連接的金屬線加寬，然后與M3的每個TFT連接，這樣電容處傳遞過來的瞬間大電流能迅速釋放出來，不會導致連線處的金屬線被熔化。GOA連線的設計從（a）變為（b）設計后，此處ESD的發生從5.4%下降為0.04%。

圖8 電容和M3單元連線的設計示意圖Fig.8 Attachment design between capacitance and M3unit

3 GOA單元溝道不良

3.1 現象描述

GOA產品GOA區域的圖案密度較高，在TFT－LCD制造過程中，由于顯影作用的影響，容易發生溝道處的橋接以及開裂的不良。溝道橋接容易發生在基板的中心區域，而溝道開裂容易發生在基板的下邊區域。溝道橋接和開裂的發生率為13.4%，嚴重影響產品的良率。圖9為GOA區域溝道不良圖片，圖（a）為溝道橋接，圖（b）為溝道開裂。

圖9 GOA區域溝道不良圖片Fig.9 Channel defects on GOA area

3.2 分析與驗證

通過對基板中心區域溝道橋接的區域確認，發現GOA區域面板（Panel）一側容易發生溝道橋接，而相鄰的面板（Panel）的一側沒有發生溝道橋接，并且相鄰AA（Active Area）區域也沒有溝道橋接的發生。溝道橋接與溝道處光刻膠偏厚有關，在灰化工藝過程中，溝道處的光刻膠沒有完全灰化，導致金屬殘留，發生溝道橋接不良。DICD（Develop Inspection Critical Dimension）與溝道處光刻膠的厚度成正比關系，為了快速測試溝道的光刻膠厚度，用DICD的變化來間接反映光刻膠的厚度，DICD偏大，表示溝道處光刻膠厚度偏厚，DICD偏小，表示溝道處光刻膠厚度偏薄。圖10為DICD測試的位置，面板的上下兩側為GOA區域，中間為AA區域。從Panel 1的一側的左邊一直測試到Panel 2的右側，GOA區域和AA區域分別測試164點。

圖10 DICD測試的位置Fig.10 DICD measurement position

為了驗證顯影效應的影響，將正常顯影和翻轉180°顯影的玻璃基板進行了對比。圖11為DICD隨測試點位變化的曲線圖，圖（a）為玻璃基板正常顯影，圖（b）為玻璃基板翻轉顯影。玻璃基板正常顯影時，靠進面板空白區的Panel 1的一側DICD變化平緩，而靠進面板空白區的Panel 2的一側DICD變化有明顯上翹的趨勢，并且GOA上翹的趨勢比AA區域明顯。玻璃基板翻轉180度顯影后，上翹的趨勢變為Panel 1側，GOA上翹的趨勢比AA區域依然明顯。上翹的區域DICD較大，表明此處溝道光刻膠的厚度較厚，容易發生溝道橋接不良。

8.5 代線顯影單元為水平的噴涂顯影，玻璃基板水平通過顯影單元。圖12為顯影過程機理的示意圖，圖上方表示AA區域的密度分布，圖下方表示GOA區域的密度分布。玻璃基板以圖12所示方向通過顯影單元，由于面板間空白區的存在，在顯影過程中需要消耗大量的顯影液，導致空白區域的顯影液濃度迅速降低。由于顯影液濃度差的存在，AA和GOA區的顯影液擴散到面板間的空白區域，導致靠近面板空白區的AA和GOA區的顯影濃度不足，出現如圖11所示靠近面板間空白區域DICD上翹的趨勢。而由于GOA區域的圖案密度比AA區域高，瞬間消耗的顯影液少，此時瞬間GOA區域的顯影液濃度比AA區域要高，故GOA區域與面板間空白區域的顯影液的濃度差比AA區域與面板間空白區域的濃度差更大，其擴散的吉布斯自由能更大，擴散速度更快，導致GOA區域更多的顯影液流向面板間的空白區域，出現如圖11所示GOA區域上翹的趨勢比AA區域明顯，導致GOA區域溝道橋接不良的發生。當面板間空白區通過顯影噴嘴下方時，新的顯影液使空白區接近顯影飽和，故另一側面板沒有受到面板間空白區域的影響，DICD變化比較平緩，沒有發生溝道橋接不良的問題。

圖11 DICD隨測試點位變化的曲線圖Fig.11 DICD curve by site

圖12 顯影過程機理示意圖Fig.12 Mechanism diagram of development process

圖13為玻璃基板上DICD的分布圖，圖（a）為玻璃基板正常顯影，圖（b）為玻璃基板翻轉顯影。

圖13 玻璃基板DICD分布圖Fig.13 Distribution profile of DICD

從圖中可以看出，圖（a）中的下邊區域明顯DICD偏小，表明此處溝道的厚度偏薄，容易發生溝道開裂不良。翻轉顯影后，圖（b）中的上邊區域有變薄的趨勢。8.5代線顯影沖洗單元玻璃基板以傾斜5°的方式進行顯影沖洗，下邊偏薄是由于沖洗的顯影液聚集在玻璃基板的下邊緣，而GOA區域圖案密度高，導致GOA區域顯影充足，出現溝道處光刻膠偏薄，導致溝道開裂不良的發生。

3.3 改善措施與效果

通過以上對溝道處橋接和開裂不良原因的分析，顯影單元的顯影和沖洗方向，面板間的空白區，以及GOA區域圖案密度較高是影響不良的主要原因。針對溝道橋接的問題，通過減少面板間的空白區以及在GOA單元的兩側增加測試GOA單元，來平衡局部的顯影液濃度，防止溝道橋接不良的發生。針對溝道開裂不良的問題，通過調整減壓干燥（Vacuum Dry）抽氣曲線以及優化軟烘（Soft Bake）底角的溫度，來提高玻璃基板底角的溝道厚度，防止溝道開裂不良的發生。通過以上設計和工藝的調整，將溝道橋接和開裂不良降低到了1.22%以下。

4 結 論

通過對TFT－LCD制造過程中GOA單元ESD不良，溝道橋接和開裂不良的失效分析、實驗驗證以及改善，主要結論如下：

（1）GOA區域ESD的發生與電容瞬間釋放電流過大和連接金屬線較細相關，瞬間電流過大產生的焦耳能將金屬熔化以及將導電的有源層擊穿。通過連線的設計優化，將電容釋放的電流分散到M3的各個TFT單元，ESD從5.4%降低到0.04%以下。

（2）GOA區域的溝道橋接和開裂與顯影單元的顯影和沖洗方向，面板間的空白區，以及GOA區域圖案密度較高相關。通過優化GOA區域的圖案密度，調整減壓干燥抽氣曲線，以及優化軟烘底角溫度，溝道橋接和開裂不良13.4%降低到1.22%以下。

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