第2章-工艺流程

第二章第二章 TFT 显示器的制造工艺流程和工艺环境要求显示器的制造工艺流程和工艺环境要求 清洗清洗 成膜成膜 光刻光刻 刻蚀刻蚀 剥离剥离 阵列段是从投入白玻璃基板 到基板上电气电路制作完成 具体见下图 成膜成膜 膜 Glass基板 PR 塗布塗布 曝光曝光 Mask 現像現像 刻蚀刻蚀 剥離剥離 TFT基板 重 复 Glass基板 CF 工序是从投入白玻璃基板 到黑矩阵 三基色及 ITO 制作完成 具体见下 Cell 工序是从将 TFT 基板和 CF 基板作定向处理后对贴成盒 到切割成 单粒后贴上片光片 具体见下图 Module 工序是从 LCD 屏开始到驱动电路制作完成 形成一个显示模块 具体示意图如下 信号基板 驱动 IC Panel BLU LCD Module 连接电路 保护板 検検 査査 装装 配配 绑绑 定定 第一节 阵列段流程 一 主要工艺流程和工艺制程 一 工艺流程 上海天马采用背沟道刻蚀型 BCE TFT 显示象素的结构 具体结构见 下图 C C ITO pixel electrode Cros s section C C Select line Data line Storage capacitor C C ITO pixel electrode Cros s section C C Select line Data line Storage capacitor a Si TFT 对背沟道刻蚀型 TFT 结构的阵列面板 根据需要制作的膜层的先后顺序 和各层膜间的相互关系 其主要工艺流程可以分为 5 个步骤 5 次光照 第一步栅极 Gate 及扫描线形成 具体包括 Gate 层金属溅射成膜 Gate 光刻 Gate 湿刻等工艺制程 各 工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出 经过这些工艺 最终在玻璃基板 上形成扫描线和栅电极 即 Gate 电极 工艺完成后得到的图形见下图 C C Cross section CC 第二步栅极绝缘层及非晶硅小岛 Island 形成 具体包括 PECVD 三层连续成膜 小岛光刻 小岛干刻等工艺制程 各 工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出 经过这些工艺 最终在玻璃基板 上形成 TFT 用非晶硅小岛 工艺完成后得到的图形见下图 C C SiN a Si n 第三步源 漏电极 S D 数据电极和沟道 Channel 形成 具体包括 S D 金属层溅射成膜 S D 光刻 S D 湿刻 沟道干刻等工艺 制程 各工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出 经过这些工艺 最终在 玻璃基板上形成 TFT 的源 漏电极 沟道及数据线 到此 TFT 已制作完成 工艺完成后得到的图形见下图 C C 第四步保护绝缘层 Passivition 及过孔 Via 形成 具体包括 PECVD 成膜 光刻 过孔干刻等工艺制程 各工艺制程的具 体介绍在随后的章节中给出 经过这些工艺 最终在玻璃基板上形成 TFT 沟 道保护绝缘层及导通过孔 工艺完成后得到的图形见下图 C C 第五步透明象素电极 ITO 的形成 具体包括 ITO 透明电极层的溅射成膜 ITO 光刻 ITO 湿刻等工艺制 程 各工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出 经过这些工艺 最终在玻 璃基板上形成透明象素电极 至此 整个阵列工序制作完成 工艺完成后得到 的图形见下图 C C ITO pixel electrode Cros s section C C Select line Data line Storage capacitor C C ITO pixel electrode Cros s section C C Select line Data line Storage capacitor a Si TFT 至此 整个阵列工序制作完成 简单来说 5 次光照的阵列工序就是 5 次成膜 5 次刻蚀 二 工艺制程 在上面的工艺流程中 我们提到 阵列的工艺流程是成膜 光刻 刻蚀 等工艺制程的反复使用 以下就这些工艺制程作具体的介绍 1 成膜 顾名思义 成膜就是通过物理或化学的手段在玻璃基板的表面形成一层 均匀的覆盖层 在 TFT 阵列制作过程中 我们会用到磁控溅射 Sputter 或称 物理气相沉积 PVD 和等离子体增强型化学气相沉积 PECVD A 磁控溅射 Sputter 溅射是在真空条件下 用 He 气作为工作气体 自由电子在直流 DC 电场 的作用下加速获得能量 高能电子碰撞 He 原子 产生等离子体 He 离子在 DC 电场的作用下 加速获得能量 轰击在靶材上 将靶材金属或化合物原子 溅射出来 沉积在附近的玻璃基板上 最后形成膜 磁场的作用是控制等离子 体的分布 使成膜均匀 磁控溅射的原理示意图如下 Substrate holder Target holder Ar plasma GlassTarget RF power 13 56 MHz 1 mTorr Substrate holder Target holder Ar plasma GlassTarget RF power 13 56 MHz 1 mTorr Used for ITO Indium Tin Oxide transparent conductor and for metals Al Mo Ti Cr etc 生产用磁控溅射设备如下图 具体溅射原理的介绍和详细的设备介绍参见后面相关的章节 B PECVD PECVD 是通过化学反应在玻璃基板表面形成透明介质膜 等离子体的作 用是使反应气体在低温下电离 使成膜反应在低温下得以发生 其原理示意图 如下 PLASMA 1 Torr RF power 100 mW cm2 T 300 C substrate PLASMA 1 Torr RF power 100 mW cm2 T 300 C substrate 成各类膜所使用得化学气体见下表 Feed gasMaterialFunction SiH4 H2 a SiSemiconductor SiH4 N2 NH3 Si3N4Gate insulator passivation SiH4 N20 SiO2Gate insulator passivation SiH4 PH3 H2 n a SiContact layer at source and drain 典型的 PECVD 设备如下图 Process Chamber Process Chamber Heating Chamber Process Chamber Load unload Load unload Cassette station Transfer robot Transfer robot Process Chamber Process Chamber Heating Chamber Process Chamber Load unload Load unload Cassette station Transfer robot Transfer robot 具体 PECVD 原理的介绍和详细的设备介绍参见后面相关的章节 2 光刻 涂胶 图形曝光 显影 光刻的作用是将掩模版 Mask 上的图形转移到玻璃表面上 形成 PR Mask 具体通过涂胶 图形曝光 显影来实现 见以下示意图 Resist glass Patterned layer Layer to be patterned Photoresist coating Exposure through mask Photoresist developing Photoresist stripping Etching of layer Resist glass Patterned layer Layer to be patterned Photoresist coating Exposure through mask Photoresist developing Photoresist stripping Etching of layer A 涂胶 在玻璃表面涂布一层光刻胶的过程叫涂胶 对于小的玻璃基板 一般使 用旋转涂布的方式 但对大的基板 一般使用狭缝涂布的方式 见以下示意图 Resist dispenser Rotating glass Extrusion head Glass Photoresist Resist dispenser Rotating glass Extrusion head Glass Photoresist Spin coating Slit extrusion coating B 图形曝光 涂胶后的玻璃基板经干燥 前烘后可以作图形曝光 对于小面积的基板 可以采用接近式一次完成曝光 但对大面积的基板 只能采用多次投影曝光的 方式 下图是 Canon 曝光机的工作原理图 由于大面积的均匀光源较难制作 Canon 采用线状弧形光源 通过对 Mask 和玻璃基板的同步扫描 将 Mask 上的图形转移到玻璃基板上 C 显影 经图形曝光后 Mask 上的图形转移到玻璃基板上 被光阻以潜影的方式 记录下来 要得到真正的图形 还需要用显影液将潜影显露出来 这个过程叫 显影 如果使用的光阻为正性光阻 被 UV 光照射到的光阻会在显影过程中被 溶掉 剩下没有被照射的部分 显影设备往往会被连接成线 前面为显影 后面为漂洗 干燥 示意图 如下 3 刻蚀 湿刻 干刻 刻蚀分为湿刻和干刻两种 湿刻是将玻璃基板浸泡于液态的化学药液中 通过化学反应将没有被 PR 覆盖的膜刻蚀掉 湿刻有设备便宜 生产成本低的 优点 但由于刻蚀是各向同性的 侧蚀较严重 干刻是利用等离子体作为刻蚀气体 等离子体与暴露在外的膜层进行反 应而将其刻蚀掉 等离子体刻蚀有各向异性的特点 容易控制刻蚀后形成的截 面形态 但但高能等离子体对膜的轰击会造成伤害 湿刻与干刻的原理见下图 Glass substrate Photoresist Glass substrate Photoresist Isotropic wet etchingAnisotropic dry etching Etched layerEtched layer Glass substrate Photoresist Glass substrate Photoresist Isotropic wet etchingAnisotropic dry etching Etched layerEtched layer Wet etching vs dry etching RIE Glass substrate Photoresist O2containing etching gas Etched layer Glass substrate Photoresist Etched layer Glass substrate Etched layer Glass substrate Photoresist O2containing etching gas Etched layer Glass substrate Photoresist Etched layer Glass substrate Photoresist Etched layer 湿刻的设备一般与后面清洗 干燥的设备连成线 见下图 干刻设备与 PVD 及 PECVD 设备一样 一般采用多腔体枚叶式布局 由 于设备内是真空环境 玻璃基板进出设备需要 1 2 个减压腔 其余腔体为工艺 处理腔 见以下示意图 一般金属膜采用湿刻 介质膜采用干刻 4 脱膜 刻蚀完成后 需要将作掩模的光阻去除 去除光阻的过程叫脱膜 一般 脱膜设备会与其随后的清洗 干燥设备连线 见下图 二 辅助工艺制程 阵列工序的工艺流程中 除了以上介绍的主要工艺制程外 为了监控生 产线的状态 提高产品的合格率 方便对产品的管理和增加了一些辅助的制程 如 清洗 打标及边缘曝光 AOI Mic Mac 观测 成膜性能检测 电测 等 以下就这些辅助工艺制程逐一作个简单介绍 1 清洗 清洗 顾名思义就是将玻璃基板清洗干净 这是整个 LCD 工艺流程中使 用最频繁的工艺制程 在每次成膜前及湿制程后都有清洗 清洗有湿洗和干洗 有物理清洗和化学清洗 其作用和用途详见下表 具体在工艺流程中 玻璃基板流入生产线前有预清洗 每次成膜前有成 膜前清洗 每次光阻涂布前有清洗 每次湿刻后及脱膜后也有清洗 一般清洗 设备的结构如下 由于清洗设备的结构与湿刻及脱膜设备的结构非常相识 所以这三个制 程往往统称为湿制程 2 打标及边缘曝光 为了方便生产线的管理 我们需要对在生产线流通的每一张玻璃基板和 Panel 打上 ID 这是通过打标制程来完成的 通常打标制程会放在栅极光刻制 程中 即栅极图形曝光后 显影前 打标一般采用激光头写入 随着玻璃基板的增大 曝光机的制作和大面积均匀光源的获得变得较难 为了有效利用曝光设备 在图形曝光时只对玻璃基板中间有图形的有效区域进 行曝光 之后采用一种不需要 Mask 的边缘曝光设备对边缘区域曝光 然后去 做显影 这一过程叫边缘曝光 3 自动光学检测 AOI 为了提高产品的合格率 在每次显影后和刻蚀后 一般会作一次光学检 测 一般采用线性 CCD 对玻璃基板上的图形进行扫描 将扫描后的图像作计算 机合成处理后 与设计图形作比对 以发现可能存在的问题 此过程即称为自 动光学检测 其典型设备如下图 4 宏微观检查 MAC MIC 微观检查主要是通过显微镜对 AOI 或其他检测过程中发现的问题作进一 步观测确认 宏观检测是利用人眼对光和图像的敏锐观察 以发现显影后或刻蚀后大 面积的不均匀 微观 宏观检查往往设计在同一机器上 典型的机器见下图 5 成膜性能检测 在阵列的制程中有 5 次成膜 成膜质量的好坏直接关系到产品的性能和 合格率的高低 所以生产中有许多对膜性能作检测的工序 尽管这些工序也许 只是抽测 对导电膜 一般会用四探针测试仪 RS Meter 作膜层方块电阻测试 用反射光谱仪 SR 作反射性能测试 对介质膜 一般会用椭偏仪 SE 作膜厚和透过性能测试 用付氏红外 分析仪 FTIR 作成分分析 对所有的膜层都会用台阶仪 Profile 作膜厚分析 用 Mac 作宏观检查 用 AFM 作表面形貌分析 6 开路 短路 O S 电测 TFT 沟道刻蚀主要是刻掉非晶硅表面的一层 N 型参杂的接触层 这一层 具有改善接触电阻的作用 但这一层在沟道的部分必须完全刻蚀干净 否则沟 道短路或漏电流偏大 沟道是否刻蚀干净 用光学的办法不能检测 因为 N 型 参杂层是透明的 所以在沟道刻蚀后插入开路 短路 O S 电测 开路 短路电测的原理很简单 将两个探针放在电极的两端 检测电流以 判断电极是否开路 将两个探针放在相邻的两个电极上 检测电流以判断这两 个电极间是否短路 下图是原理的示意图和相关设备图 HEAD HEAD Short1Short2 Open1 Open2 7 TEG Test Element Group 电测 在阵列制作的工艺过程中 有许多中间环节的电气性能直接影响到产品 的最终性能 必须加以检测 如层间的接触电阻 电极间的电容等 为了检测 这些中间环节的电气性能 会在正常显示屏电气线路以外的区域 专门设计一 些检测中间性格的电气单元 Test Element Group 并通过专门的 TEG 检测设 备作测试 常见的 TEG 电气单元有 引线电阻 TFT 存储电容 接触电阻 跨越台阶的引线电阻等 TEG 的位置及设计范例如下图 TEG 8 阵列电测 阵列电路制作完成后 其电气性能如何需要作阵列电测 以挑出有缺陷 的屏 不让其流到后面的工序 减少材料的损失 阵列电测大致分为电荷检测 电子束检测和光学检测三种检测方法 这 三种检测方法各有优劣 目前天马采用光学的检测方法 其原理和相关设备见 下图 详细的设备介绍见后面相关章节 9 激光修补 对在 AOI 或电测中发现的问题 如短路 开路等 一般考虑采用激光修 补的办法进行补救 这一办法对大屏的制作尤其有效 常见的激光修补设备见 下图 三 返工工艺流程 以上介绍的是正常工艺流程 在生产过程中由于品质管控的要求 在某 些指标达不到要求时 产品会进入返工流程 阵列段最常见的返工是 PR 返工 和 Film 返工 1 PR 返工 在曝光 显影后 膜层刻蚀前 如果被 AOI 或 MAC MIC 检测发现严重 质量问题 如果不返工会导致产品报废或合格率很低 这时产品会进入 PR 返 工流程 即先脱膜 然后从新作光刻 2 Film 返工 Gate 电极和 S D 电极在刻蚀后 如果被 AOI 或 MAC MIC 检测发现严重 质量问题 如果不返工会导致产品报废或合格率很低 这时产品会进入 Film 返 工流程 即先脱膜后 湿刻掉所有金属膜 然后从新作成膜 四 阵列段完整工艺流程 在主要工艺流程和制程的基础上 加入辅助工艺制程和返工流程 一个 阵列段完整的工艺流程如下图 PVD栅 电极 Mask1 湿刻栅 电极 光学 清洗 成膜 涂胶 曝光 显影 刻蚀脱膜 检查 ADI 修补 光学 检查 AEI CVD连续成 膜SiNx a Si n a Si Mask2光学 干刻TFT小 岛外n a Si a Si 光学 PVD S D 电极 Mask3光学 湿刻 S D 电极 光学 干刻TFT小岛 内沟道n a Si a Si 光学 CVD 保护 层SiNx Mask4 PR 光学 干刻保护 层和介电 层SiNx 光学 PVD a ITO Mask5光学 湿刻 ITO电极光学 准备 制作栅 电极 制作 TFT小岛 制作S D 电极和小 岛沟道 制作保护层 及连接孔 台阶开口 制作 Pixel电极 坚膜 返工流程 以下光刻线都有这样的流程 Macro目测 CD测试 抽检 Macro目 测 抽检 To Cell 膜性能 抽检 腔内清洗 ID 电学 ITO 煺火 成p ITO Mask4 有机膜 光学 干刻保护 层和介电 层SiNx 灰化 制作半反半 透膜 一次Gate工艺流程 一次有机膜工艺流程 制作有机膜 图中同时给出了制作高开口率的有机膜工艺流程和半反半透膜工艺流程 其器件原理参见其他文献的介绍 以上工艺流程图的详细工艺步骤描叙 请参见本章后的详细的具体附表 五 设备维护及工艺状态监控工艺流程 产品是靠生产线和设备作出来的 所以生产线的状态和设备状况直接关 系到产品的质量 定时对设备作维护 Prevent Maintenance 和对设备 环境状 态作监测是有效管理的的必然选择 通常的做法是采用白玻璃 Dummy Glass 作某个工艺制程 之后拿去检测 这样 Dummy Glass 就有一个流程 1 白玻璃 Dummy Glass 的用途 在生产线遇到以下几种情况时 需要流通白玻璃 A 在新的生产线安装调试阶段 用白玻璃作一系列的试验 B 设备或工艺调整后 用白玻璃确认工艺状况 C 设备作维护保养后 用白玻璃确认工艺状况 D 设备和工艺状态需要作定期监测时 E 工艺洁净环境需要作定期监测时 2 白玻璃的流程 根据使用白玻璃的目的的不同 其流通流程也完全不同 这里只简单举 一个例子 例如 如果我们需要了解设备内的清洁状态 白玻璃会流过以下制 程 白玻璃清洗 要检测的设备 异物检测机 对于各种情况下白玻璃的详细流程 请参考本章附表 第二节 制盒段流程 Cell 段的工艺流程可以大概分为四块 取向 成盒 切断 贴偏光片 以下简单介绍一下各块工艺目的和主要工艺制程 二 ODF 成盒工艺 成盒就是将 CF 和 TFT 玻璃基板对贴 粘结起来 同时要在两个玻璃基 板间的间隙中 盒中 放入液晶并控制盒的厚度 传统的成盒工艺是先完成空 盒制作 然后灌注液晶 现在的 ODF One Drop Filling 工艺是先在 TFT 或 CF 玻璃基板上滴下液晶 然后在真空环境下对贴制盒 最后经紫外固化和热固 化后成盒 ODF 成盒工艺可以分成四块 衬垫料喷洒 边框料 银点料 液晶涂布 真空环境下对贴制盒 紫外固化和热固化 以下逐一作简单介绍 1 衬垫料喷洒 盒厚控制是靠选择设定的球形衬垫料的直径来实现的 衬垫料需要在贴 合前均匀地喷洒到玻璃基板地表面 这是通过一种让衬垫料带电后干喷的设备 完成的 其示意图如下 基板 2 边框料 银点料 液晶涂布 边框料的作用有三 一是将 CF 与 TFT 基板粘结在一起 二是将盒厚固 定下来 三是将液晶限制在盒内 银点料的作用是导通 CF 和 TFT 上的 Common 电极 对 ODF 工艺而言 边框料和银点料必须是采用快速固化的 UV 固化胶 液晶 Liquid Crystal 的作用是改变盒的光学状态 这三种材料的涂 布都是采用一种叫 Dispensor 的涂布头来完成的 其示意图分别如下 边框涂布 剤 窒素 加圧 银点涂布 銀 液晶涂布 液 晶 3 真空环境下对贴制盒 将涂布有衬垫料 边框料 银点料 液晶的 CF 与 TFT 玻璃基板在真空 环境下对贴 以完成制盒 其工作原理见下图 大気 重 合 焼成 真空 ODF 制盒完成后 为了防止 CF 与 TFT 玻璃基板的相对移动 在四个角 滴上 UV 胶 并作 UV 固化 4 紫外固化和热固化 前面已经提到 对 ODF 工艺而言 边框料和银点料必须是采用快速固化 的 UV 固化胶 ODF 制盒完成后 对贴好的玻璃会作 UV 固化处理 使边框料 和银点料固化 为了防止 UV 光对液晶的破坏 边框以外有液晶的地方会用 Mask 遮挡 若 UV 光从 CF 侧照射 CF 可以起到 Mask 的作用 若 UV 光从 TFT 侧照射 需要准备专用的 Mask UV 型边框料有快速固化的特点 但粘接强度不如热固化型胶 且当 UV 从 TFT 侧照射时 在引线下的边框料 UV 光照射不到 为了解决以上问题 ODF 边框料一般都是 UV 型与热固化型环氧树脂的混合体 UV 固化后还必须 经过充分的热固化 以上是 ODF 的主要工艺制程 此外还有一些辅助工艺制程 如 摩擦后 衬垫料散布前 清洗 衬垫料返工 边框料 液晶涂布前 USC 干洗 边框料 涂布后自动光学检查 边框固化后目测 盒厚检测 及偏位检测等 三 切割 磨边 电测 1 切割 由于玻璃基板的尺寸一定 而各产品的尺寸不同 在一张玻璃基板上会 排列有多个产品盒 见下图 在产品盒制作完成后 需要将这些排列在一起的盒分割成独立的屏 这 个过程就称为切割 切割是通过金刚刀轮在玻璃表面滑过来完成的 其原理图 如下 基板 裏面 加圧 瞬間 劈開 通常切割后还有裂片的工艺 但随着刀轮技术的改进 目前已有切痕很 深的技术 其切割后不需要裂片 2 磨边 玻璃切割成单个屏后 每个屏的边会有许多细小的裂纹 为了防止这些 裂纹在随后的流通中因碰撞而造成崩裂 需要作磨边处理 3 电测 电测是生产的辅助工序 在生产的过程中多次使用 但此处电测非常重 要 因为这是第一次加电检测 LCD 的显示性能 其检测原理很简单 即在个显 示象素上加上电 通过偏光片 观察盒的显示性能 此处一般利用阵列检测的 短路条加电 电测后 将不良的屏挑出来 以免流到后面造成材料的浪费 其他辅助工艺制程包括 切割后目测 磨边后清洗等