TFT－LCD产业中GOA单元不良的研究

张小祥，颉芳霞，刘 正，郭总杰，袁剑峰，邵喜斌

（1.北京京东方显示技术有限公司，北京 100176；2.江南大学 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122）

1 引 言

随着薄膜晶体管－液晶显示器（TFT－LCD）的发展，液晶产品的竞争越来越激烈，各个厂家开始开发新技术来占领市场。GOA（Gate driver on Array）技术是将栅极驱动器集成在玻璃基板上，形成对面板的扫描［1－2］。由于其低成本、低功耗、窄边框等优点，逐步成为各个厂家研究的新方向［3］。在GOA技术的发展过程中，大多主要集中在驱动电路方面的研究，来解决大尺寸与高分辨率应用方面的问题［4－6］，而关于GOA产品制造过程中的不良鲜有文献报道。

作为另一种新技术SSM（single slit mask）技术，由于窄沟道、高开口率等优点，也逐步应用在各个产品中［7］。SSM技术与GOA技术的结合使用能得到更窄边框的产品，但是在array制作过程中 GOA区域容易发生ESD （Electro－Static discharge）、沟道桥接（Channel Bridge）与沟道开裂（Channel Open）等不良，严重影响产品的良率。本文主要针对8.5代线中GOA产品制造过程中Array工艺出现的主要不良进行分析与改善。

2 GOA单元ESD不良

2.1 现象描述

在4次掩膜板干法刻蚀工艺中，在GOA区域发生严重的ESD现象，所有面板的发生率为5.4%，主要集中发生在整张玻璃基本的中心区域，中间面板的发生率为95%，严重影响产品的良率。如图1所示，GOA单元连线处的金属由于ESD的发生被熔化，导致GOA单元失效。

图1 GOA单元ESDFig.1 GOA Unit ESD

2.2 分析与验证

图2和图3分别为GOA区域发生ESD的俯视图和三维图像，从图中可以看出，由于ESD的发生，1处位置的金属线已经被熔化，2处位置的有源层被击穿。图4和图5分别为位置1处和2处的ESD区域的剖面图，图中左边为正常的形貌高度，右边为ESD发生位置的形貌高度。金属线熔化的区域（位置1）相比正常的区域高度差为0.400μm，而此区域金属沉积的厚度约为0.395μm，比较可以知道金属已经被全部熔化。有源层击穿的区域（位置2）相比正常的区域高度差为0.12μm，而此区域的沟道厚度约为0.1μm，比较可以知道沟道有源层被击穿。位置1和2处的绝缘层都没有被击穿，推测可以知道，ESD只是发生在源漏极刻蚀工艺当层，而不是层间击穿［8］。

图2 ESD发生俯视图Fig.2 ESD top view

图3 ESD发生区域的三维图像Fig.3 ESD 3Dmap

图4 ESD发生区域的剖面图（位置1）Fig.4 Profile of ESD area（Position 1）

图5 ESD发生区域的剖面图（位置2）Fig.5 Profile of ESD area（Position 2）

图6为ESD发生区域GOA单元的构造图，最右边为电容C1，由Gate层和SD层的金属组成，长度为356μm，宽度为200μm。连接电容一侧的金属宽为36.8μm，连接M3单元一侧的金属宽为10μm，M3单元的金属宽为5μm。在干法刻蚀过程中，GOA单元处的电容容易存储电荷，静电释放过程中产生的瞬间电流通过金属走线传递到M3单元。由图6可以知道，金属线较细的一端（M3单元）相比较金属线较粗的一端（连接电容单元）的电阻更大，电容端传递的瞬间大电流产生的焦耳能将金属线熔化，同时将沟道有源层击穿。

图6 ESD发生区域的GOA单元构造Fig.6 GOA unit structure on ESD area

为了验证电容处释放的瞬间电流导致ESD的产生，我们选取了3张玻璃基板，在源漏极曝光显影后，用TFT－LCD维修设备的激光器将金属线的上光刻胶烧掉，然后再进行两湿两干的工艺。图7为电容和M3单元连线切断的图片，可以看出经过激光器烧掉光刻胶后，连线处被断开。将3张玻璃基板进行检查，没有发生ESD。

图7 电容和M3单元连线切断图Fig.7 Cutting figure between capacitance and M3unit

2.3 改善措施与效果

根据ESD发生原因的分析，将电容结构与其它单元断开或者能迅速将静电释放出来，能避免ESD的发生。图8为电容与M3单元连线的设计示意图，（a）为原有的设计结构，（b）为改善后的设计结构。改善后的设计是将电容与M3单元的连接的金属线加宽，然后与M3的每个TFT连接，这样电容处传递过来的瞬间大电流能迅速释放出来，不会导致连线处的金属线被熔化。GOA连线的设计从（a）变为（b）设计后，此处ESD的发生从5.4%下降为0.04%。

图8 电容和M3单元连线的设计示意图Fig.8 Attachment design between capacitance and M3unit

3 GOA单元沟道不良

3.1 现象描述

GOA产品GOA区域的图案密度较高，在TFT－LCD制造过程中，由于显影作用的影响，容易发生沟道处的桥接以及开裂的不良。沟道桥接容易发生在基板的中心区域，而沟道开裂容易发生在基板的下边区域。沟道桥接和开裂的发生率为13.4%，严重影响产品的良率。图9为GOA区域沟道不良图片，图（a）为沟道桥接，图（b）为沟道开裂。

图9 GOA区域沟道不良图片Fig.9 Channel defects on GOA area

3.2 分析与验证

通过对基板中心区域沟道桥接的区域确认，发现GOA区域面板（Panel）一侧容易发生沟道桥接，而相邻的面板（Panel）的一侧没有发生沟道桥接，并且相邻AA（Active Area）区域也没有沟道桥接的发生。沟道桥接与沟道处光刻胶偏厚有关，在灰化工艺过程中，沟道处的光刻胶没有完全灰化，导致金属残留，发生沟道桥接不良。DICD（Develop Inspection Critical Dimension）与沟道处光刻胶的厚度成正比关系，为了快速测试沟道的光刻胶厚度，用DICD的变化来间接反映光刻胶的厚度，DICD偏大，表示沟道处光刻胶厚度偏厚，DICD偏小，表示沟道处光刻胶厚度偏薄。图10为DICD测试的位置，面板的上下两侧为GOA区域，中间为AA区域。从Panel 1的一侧的左边一直测试到Panel 2的右侧，GOA区域和AA区域分别测试164点。

图10 DICD测试的位置Fig.10 DICD measurement position

为了验证显影效应的影响，将正常显影和翻转180°显影的玻璃基板进行了对比。图11为DICD随测试点位变化的曲线图，图（a）为玻璃基板正常显影，图（b）为玻璃基板翻转显影。玻璃基板正常显影时，靠进面板空白区的Panel 1的一侧DICD变化平缓，而靠进面板空白区的Panel 2的一侧DICD变化有明显上翘的趋势，并且GOA上翘的趋势比AA区域明显。玻璃基板翻转180度显影后，上翘的趋势变为Panel 1侧，GOA上翘的趋势比AA区域依然明显。上翘的区域DICD较大，表明此处沟道光刻胶的厚度较厚，容易发生沟道桥接不良。

8.5 代线显影单元为水平的喷涂显影，玻璃基板水平通过显影单元。图12为显影过程机理的示意图，图上方表示AA区域的密度分布，图下方表示GOA区域的密度分布。玻璃基板以图12所示方向通过显影单元，由于面板间空白区的存在，在显影过程中需要消耗大量的显影液，导致空白区域的显影液浓度迅速降低。由于显影液浓度差的存在，AA和GOA区的显影液扩散到面板间的空白区域，导致靠近面板空白区的AA和GOA区的显影浓度不足，出现如图11所示靠近面板间空白区域DICD上翘的趋势。而由于GOA区域的图案密度比AA区域高，瞬间消耗的显影液少，此时瞬间GOA区域的显影液浓度比AA区域要高，故GOA区域与面板间空白区域的显影液的浓度差比AA区域与面板间空白区域的浓度差更大，其扩散的吉布斯自由能更大，扩散速度更快，导致GOA区域更多的显影液流向面板间的空白区域，出现如图11所示GOA区域上翘的趋势比AA区域明显，导致GOA区域沟道桥接不良的发生。当面板间空白区通过显影喷嘴下方时，新的显影液使空白区接近显影饱和，故另一侧面板没有受到面板间空白区域的影响，DICD变化比较平缓，没有发生沟道桥接不良的问题。

图11 DICD随测试点位变化的曲线图Fig.11 DICD curve by site

图12 显影过程机理示意图Fig.12 Mechanism diagram of development process

图13为玻璃基板上DICD的分布图，图（a）为玻璃基板正常显影，图（b）为玻璃基板翻转显影。

图13 玻璃基板DICD分布图Fig.13 Distribution profile of DICD

从图中可以看出，图（a）中的下边区域明显DICD偏小，表明此处沟道的厚度偏薄，容易发生沟道开裂不良。翻转显影后，图（b）中的上边区域有变薄的趋势。8.5代线显影冲洗单元玻璃基板以倾斜5°的方式进行显影冲洗，下边偏薄是由于冲洗的显影液聚集在玻璃基板的下边缘，而GOA区域图案密度高，导致GOA区域显影充足，出现沟道处光刻胶偏薄，导致沟道开裂不良的发生。

3.3 改善措施与效果

通过以上对沟道处桥接和开裂不良原因的分析，显影单元的显影和冲洗方向，面板间的空白区，以及GOA区域图案密度较高是影响不良的主要原因。针对沟道桥接的问题，通过减少面板间的空白区以及在GOA单元的两侧增加测试GOA单元，来平衡局部的显影液浓度，防止沟道桥接不良的发生。针对沟道开裂不良的问题，通过调整减压干燥（Vacuum Dry）抽气曲线以及优化软烘（Soft Bake）底角的温度，来提高玻璃基板底角的沟道厚度，防止沟道开裂不良的发生。通过以上设计和工艺的调整，将沟道桥接和开裂不良降低到了1.22%以下。

4 结 论

通过对TFT－LCD制造过程中GOA单元ESD不良，沟道桥接和开裂不良的失效分析、实验验证以及改善，主要结论如下：

（1）GOA区域ESD的发生与电容瞬间释放电流过大和连接金属线较细相关，瞬间电流过大产生的焦耳能将金属熔化以及将导电的有源层击穿。通过连线的设计优化，将电容释放的电流分散到M3的各个TFT单元，ESD从5.4%降低到0.04%以下。

（2）GOA区域的沟道桥接和开裂与显影单元的显影和冲洗方向，面板间的空白区，以及GOA区域图案密度较高相关。通过优化GOA区域的图案密度，调整减压干燥抽气曲线，以及优化软烘底角温度，沟道桥接和开裂不良13.4%降低到1.22%以下。

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