铜工艺阵列基板上数据线和公共电极不可见的短路原因分析及改善

林 忱， 冯玉春， 陈 曦， 汤桂泉， 李 鑫， 周 贺， 刘文瑞， 贠向南

(福州京东方光电科技有限公司，福建 福州 350300)

1 引 言

随着现阶段人们生活水平的提高，对显示器尺寸、分辨率及刷新频率提升的需求越来越强烈，显示器面板从最初的中小尺寸逐渐向大尺寸发展[1]。因此，在相同尺寸的玻璃基板上的面板数量也就相应减少。以8.5世代线为例，2 500 mm×2 200 mm的玻璃基板分别只能制作3张1 651 mm(65 in)、2张2 184.4 mm(86 in)、1张2 794 mm(110 in)的面板。

为实现大面积高解析度的液晶显示，通常需要采用低阻抗金属材料、高性能开关元件以及高精细加工技术等手段[2]。在低阻抗金属制作TFT 信号线上，目前研究和使用较多的材料是铝(Al)，而铜(Cu)相对于铝具有更低的电阻率(铜～2 μΩ·cm，铝～4 μΩ·cm)及良好的抗电迁移能力，因此越来越多的液晶面板企业转而进行铜工艺的研究和制作[3]。

TFT工艺过程中，设备环境中的灰尘(Particle，PT)、水渍残留等异常都会造成TFT电路的缺陷。脱落(Peeling)类的缺陷会造成电路开路(Open)，栅极信号线开路，行业内称之为Gate Line Open，简称GO；数据信号线的开路，行业内称之为Data Line Open，简称DO。残留(Remain)类的缺陷会造成电路短路，数据信号线和栅极信号线之间的短路，行业内称之为Data Gate Short，简称DGS；数据信号线和公共电极信号线之间的短路，行业内称之为Data Common Short，简称DCS；栅极信号线和公共电极信号线之间的短路，行业内称之为Gate Common Short，简称GCS；数据信号线之间的短路，行业内称之为Data Data Short，简称DDS；栅极信号线之间的短路，行业内称之为Gate Gate Short，简称GGS。

在TFT基板制作过程中会经历多道检测工序，包括电学检测和光学检测。针对电学检测到的像素电压的差异和分布，定位缺陷所在数据信号线或栅极信号线，再通过自动光学检查机扫描定位并记录该线上的实际缺陷坐标。在后续维修过程中，通过脉冲激光的辐射烧蚀作用切割分离短路类的缺陷，通过LCVD(利用反应气体分子对特定波长的激光共振吸收，前驱体受到激光作用后发生解离的成膜方法)等方法在大气氛围中沉积额外的导电薄膜修复开路类的缺陷，以挽回良率损失[4]。

在铜工艺TFT-LCD的制作过程中，存在不可见类型的DCS异常，电学检测可以定位缺陷所在数据信号线，但光学检测设备扫描该数据信号线时无法查找到真实缺陷，从而造成该异常无法进行修复，导致良率损失。对于1 092.2 mm(43 in)产品，该异常发生率高达2.95%。随着显示器尺寸的大屏化，在同一张TFT基板上发生相同数量的缺陷点位就会造成更大的良率损失(例如8.5世代线一张玻璃上能承载10个1 092.2 mm(43 in) 面板或3个1 651 mm(65 in) 面板，若发生1个缺陷点，则1 092.2 mm(43 in)产品良率损失10%，而1 651 mm(65 in)产品良率损失33%)。该异常形成原因未知且无明确的改善方向，是铜工艺TFT-LCD行业内亟待解决的问题之一。

本文通过切割实验定位不可见类型的DCS异常实际位置并借助失效模式分析(Failure Analysis，FA)的手段分析异常区域膜层形貌，基于数据和FA分析结果设计不同灰化工艺时间膜层形貌观察实验，探究发生机理并设计改善验证方案。改善方案实施后不可见类型的DCS异常改善效果显著，以1 092.2 mm(43 in)产品为例，不可见类型的DCS异常发生率由2.95%降低至0.03%。本文的实验以及数据均基于1 092.2 mm(43 in)产品。

2 不可见类型DCS异常失效模式分析

2.1 切割定位实验

实验所需设备：精测检查机(武汉精测)、激光显微镜(首尔工程，Borderless_65)。

将面板(Open Cell)与精测检查机连接并点亮放置于激光显微镜平台上，显微镜调整背光亮度充当背光源，控制精测检查机将面板显示画面调整为L127灰阶画面。DCS点灯现象为单根渐变暗线，如图1和图2所示。

图1 DCS现象实物图Fig.1 Actual image of DCS phenomenon

图2 DCS现象示意图Fig.2 Simulate image of DCS phenomenon

控制显微镜激光镜头移动并从面板的Data Pad Opposition(DPO)侧开始以一定间隔距离切割该异常数据线。切割第1点时，DPO侧至切割点处的数据线被隔离显示为暗线(DO)，切割点处至Data Pad(DP)侧的数据线仍受短路点位影响显示为渐变暗线(DCS)。切割至第N点时，异常点仍未被隔离，DPO侧至切割点N处显示为暗线(DO)，DP侧至切割点N处显示为渐变暗线(DCS)。点灯现象如图3和图4所示。

图3 切割点N处的现象实物图Fig.3 Actual image of phenomenon of point N

图4 切割点N处的现象示意图Fig.4 Simulate image of phenomenon of point N

继续控制显微镜激光镜头切割至第N+1点时，DCS点位被隔离，DPO侧至切割点N+1的数据信号线被隔离显示为暗线(DO)，DP侧至切割点N+1处的数据信号线不再受短路点位影响而恢复正常显示。点灯现象如图5和图6所示。

图5 切割点N+1处的现象实物图Fig.5 Actual image of phenomenon of point N+1

图6 切割点N+1处的现象示意图Fig.6 Simulate image of phenomenon of point N+1

最后使用激光显微镜查找面板 TFT侧切割点N至切割点N+1之间的异常数据信号线，可发现TFT侧数据信号线和公共电极信号线交界处存在正面不可见、背面可见的小黑点，如图7和图8所示。针对20张不可见类型的DCS异常面板进行切割定位实验观察，发现小黑点均如图8所示位于公共电极信号远离栅极信号线的一侧。正因为该异常在TFT正面不可见，所以光学检测设备扫描该数据信号线时无法查找到真实缺陷，造成该异常无法进行修复。

图7 异常点正面图Fig.7 Front image of abnormal point

图8 异常点背面图Fig.8 Back image of abnormal point

2.2 失效模式(FA)分析

借助聚焦离子束-扫描电子显微镜(FIB-SEM)设备对切割定位实验锁定的小黑点进行微观截面形貌分析，可见公共电极信号线Cu金属部分缺失并伴随向上生长，导致与数据信号线发生短路，如图9所示。从微观形貌图还可以看出栅极绝缘层/活性层(GI/Active)覆盖向上生长的Cu膜层，证明Cu膜层异常发生在栅极绝缘层镀膜前，即栅极工艺区间段。

图9 异常点FIB图Fig.9 FIB image of abnormal point

借助能谱分析仪(EDS)对图10中的异常区域和图11中的正常区域进行元素分析，可见公共电极信号线正常区域主要元素为Cu。异常区域主要元素为Cu且同时存在少量S元素，判定为Cu的腐蚀产物。

图10 异常点成分分析。(a)成分分析点位；(b)成分分析结果。Fig.10 Component analysis of abnormal point. (a) Position of compontent amalysis; (b) Result of component analysis.

图11 正常点成分分析。(a)成分分析点位；(b)成分分析结果。Fig.11 Component analysis of normal point. (a) Position of compontent amalysis; (b) Result of component analysis.

3 不可见类型DCS异常发生机理探究

3.1 数据分析

A-Si TFT 8.5世代线主要为4 掩膜版工艺，栅极/公共电极工艺区间段采用半色调掩膜版工艺进行制作，具体工艺流程为1stITO 沉积→栅极/公共电极沉积→光刻→1st栅极湿刻→1stITO 湿刻→灰化→2nd栅极湿刻→去胶。收集生产过程中大量数据分析发现，栅极工艺区间段灰化工艺设备不同，不可见类型的DCS异常发生率则不同，且生产线a层灰化设备产出产品不可见类型的DCS异常发生率明显高于b层灰化设备。实际测量产线b层相对湿度(RH)为58%，产线a层相对湿度(RH)为60%，存在湿度差异性。

3.2 不同灰化工艺时间形貌观察实验

针对异常发生位置设计不同灰化工艺时间截面形貌观察实验。图12是公共电极信号线截面1位置示意图，该示意图采用栅极/公共电极工艺完成后的光学图片进行展示。图13中(a)、(b)和(c)分别是未灰化、灰化 40 s和灰化80 s的截面1位置扫描电镜(SEM)形貌图。图14是像素区截面2位置示意图，该示意图采用栅极/公共电极工艺完成后的光学图片进行展示。图15中(a)、(b)和(c)分别是未灰化、灰化 40 s和灰化 80 s的截面2位置SEM形貌图。截面1是正性光刻胶未被曝光的区域；截面2是半掩模区域，该区域正性光刻胶残留的膜厚比未被曝光的区域薄。

图12 截面1位置Fig.12 Position of section 1

图13 不同灰化工艺时间条件下截面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.

图14 截面2位置Fig.14 Position of section 2

图15 不同灰化工艺时间条件下截面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.

未灰化时，如果把光刻胶比作“山”，则异常高发区域就是三面环山的设计。光刻胶宽度大于公共电极信号线宽度，呈“屋檐”状。“屋檐”状的光刻胶下方容易残留灰化过程中的反应生成物以及反应气体(SF6)。

随着灰化工艺时间的增加，光刻膜厚减薄并伴随宽度减小。灰化 80 s时，公共电极信号线两侧已不受光刻胶保护，公共电极信号两侧表面平整度差，存在反应物残留的可能性。

3.3 机理探究

铜的化学腐蚀主要来自几个方面[5]：氧化性的酸性物质，如硝酸、浓硫酸等；胺基化合物与Cu形成的络合物；氧化性的重金属盐，如FeCl3；S和含活性S的化合物，形成CuxS。Cusano等[6]用电镜检测长时间运行的铜、铅合金部件，发现部件的表面形成一层几纳米到几十纳米的腐蚀斑或腐蚀膜。用X射线衍射(XRD)方法分析得到的腐蚀膜主要成分是Cu1.8S，还有少量的CuS和Cu2S，说明润滑油造成的铜腐蚀主要是由润滑油中存在的活性硫或使用过程中产生的活性硫引起的[7]。

研究表明，硫腐蚀生成的硫化物易粘着于基体上并凸起向上生长[8]，并且随着相对湿度(RH)和S浓度增大，腐蚀反应加快[9-10]。

基于以上分析结果，灰化过程中反应气体SF6残留在“屋檐状”光刻胶下方会对公共电极信号线Cu金属造成腐蚀，产线湿度高更易加剧腐蚀。腐蚀产物向上生长，后续栅极绝缘层/活性层镀膜无法完全覆盖住腐蚀产物，造成源漏层镀膜后数据信号线与腐蚀产物相连接，最终形成TFT基板膜层正面不可见的DCS异常。

4 改善方向和验证结果

4.1 灰化工艺SF6气体用量

灰化工艺使用气体是SF6和O2。基于以上机理提出降低S浓度的验证方案，进行SF6流量为2 400 mL/min和1 000 mL/min条件验证。SF6气体用量1 000 mL/min验证条件较2 400 mL/min验证条件下不可见类型的DCS异常发生率降低0.3%。

4.2 产线相对湿度(RH)

实际测量产线b层相对湿度(RH)为58%，产线a层相对湿度(RH)为60%，存在湿度差异性，a层灰化设备产出品的不可见类型的DCS异常发生率明显高于b层灰化设备。基于以上机理，提出降低产线相对湿度(RH)的验证方案。

控制产线相对湿度(RH)至51%～53.5%范围进行产品验证，验证结果如图16所示。从图中可以看出，相对湿度(RH)<52%时，不可见类型的DCS异常发生率明显降低。

图16 相对湿度与不可见类型的DCS异常发生率关系Fig.16 Relationship between RH and DCS Invisible ratio

4.3 灰化工序至2nd栅极湿刻工序等待时间

基于以上机理提出缩短灰化工序至2nd栅极湿刻工序等待时间的验证方案，以避免灰化工艺完成后残留反应气体以及反应物的产品在高湿度的产线环境中停留，降低腐蚀发生的可能性。

控制灰化工序至2nd栅极湿刻工序等待时间处于0～3 h进行产品验证，验证结果如图17所示。从图中可以看出，等待时间<1 h时，不可见类型的DCS异常发生率明显降低。

图17 等待时间与不可见类型的DCS异常发生率关系Fig.17 Relationship between wait time and DCS Invisible ratio

4.4 设计优化

前期失效模式分析以及不同灰化工艺时间形貌观察实验所观察到的现象如下：异常发生区域均位于公共电极信号线远离栅线的一侧，该区域3面均被“屋檐”状的光刻胶所包围，“屋檐”状的光刻胶下方容易残留灰化过程中的反应生成物以及反应气体(SF6)，加剧腐蚀。基于该实验现象进行异常区设计优化，该区域空间越狭窄越容易残留灰化反应气体，采用开槽设计将间距H从16 μm增大至23 μm以扩大该区域空间。

图18是设计优化前和优化后的栅极/公共电极工艺完成后的光学实物图，图19是优化前和优化后的设计图。

图18 设计优化前(a)和优化后(b)的实物图Fig.18 Actual image before(a) and after(b) optimal design

图19 优化前(a)和优化后(b)的设计图Fig.19 Drawing before(a) and after(b) optimal design

优化设计的新掩膜版验证导入后，不可见类型的DCS异常发生率降低0.5%。

本文针对铜工艺TFT-LCD的制作过程中遇到的不可见类型的DCS异常，提出切割实验方案精确定位不可见类型的DCS异常实际位置，基于数据和失效模式分析结果设计不同灰化工艺时间膜层形貌观察实验进行发生机理探究。再依据以上调查结果进行灰化工艺SF6气体用量、产线相对湿度(RH)、灰化工序至2nd栅极湿刻工序等待时间和设计相关的改善验证。改善效果如图20所示，阶段1(1 ～5 Month)量产导入产线相对湿度(RH)降低和缩短灰化工序至2nd栅极湿刻工序等待时间的改善措施；阶段2(6 ～7 Month)量产导入灰化工艺SF6气体用量降低的改善措施；阶段3(8 ～11 Month)量产导入开槽优化设计以增大间距H。 可以得出结论如下：

图20 不可见类型的DCS异常发生率Fig.20 DCS Invisible ratio

(1)降低灰化工艺SF6气体用量可以减轻S腐蚀对Cu金属的影响，降低腐蚀反应速率；

(2)降低产线相对湿度(RH)可以减轻S腐蚀对Cu金属的影响，降低腐蚀反应速率；

(3)缩短灰化工序至2nd栅极湿刻工序等待时间可以避免灰化工艺完成后残留有反应气体以及反应物的产品在高湿度的产线环境中停留，从而达到减轻S腐蚀对Cu金属的影响的目的；

(4)异常发生区域采用开槽设计扩大该处空间以避免灰化反应气体残留，从而达到减轻S腐蚀对公共电极信号线Cu金属的影响的目的。

5 结 论

灰化过程中反应气体SF6残留在光刻胶下方会对公共电极信号线Cu金属造成腐蚀，产线湿度高更易加剧腐蚀。腐蚀产物向上生长，后续栅极绝缘层/活性层镀膜无法完全覆盖住腐蚀产物，造成源漏层镀膜后数据信号线与腐蚀产物相连接，最终形成TFT基板膜层正面不可见的DCS异常。该异常可以通过降低灰化工艺SF6气体用量、降低产线相对湿度(RH)、缩短灰化工序至2nd栅极湿刻工序等待时间和优化异常发生区域开槽设计以增大间距H的措施得以改善。