TFT-LCD工艺流程

1、第二章TFT显示器的制造工艺流程和工艺环境要求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二工艺制程1、成膜：PVD、CVD2、光刻：涂胶、图形曝光、显影3、刻蚀：湿刻、干刻4、脱膜二、辅助工艺制程1、清洗2、打标及边缘曝光3、AOI4、Mic、Mac 观测5、成膜性能检测RS meter、Profile、RE/SE/FTIR6、O/S电测7、TEG电测8、阵列电测9、激光修补三、返工工艺流程PR返工Film返工四、阵列段完整工艺流程五、设备维护及工艺状态监控工艺流程Dummy Glass 的用途Dummy Glass 的流程第二节制盒段流程取向及PI返工流程制盒及Spacer Spr

2、ay返工流程切割、电测、磨边贴偏光片及脱泡、返工第三节模块段流程激光切线、电测COG邦定、FPC邦定、电测装配、电测加电老化包装出货TFT显示器的生产可以分成四个工序段：CF、TFT、Cell、Module .其相互关系见下列图：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:口Glass 基普布PR Mask曝光 |Fi3W象 L L刻蚀 I 一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.具体见下列图：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.具体见下列图：Module工序是从LCD屏开始到驱动电路制作完成,形成

3、一个显示模块.具体示意图如下:O勺LCD Module/在以下的各节中,我们将逐一介绍 TFT、Cell、Module的工艺制程c 由于天马公司现在没有规划 CF工厂,所以CF的工艺流程在此不作详细介绍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大马采用背沟道刻蚀型BCE TFT显示象素的结构.具体结构见 下列图：CData line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

4、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列图：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列图：X.a-Si/n+4匕SiN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

5、TFT的源、漏电极、沟道及数据线.至耻匕,TFT已制作完 成.工艺完成后得到的图形见下列图：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列图：Ci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 的图形见下列图：CStor

6、age capacitorCros-section -Ca-Si TFTCSelect lineData lineITO pixel electrode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外表形成一层 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

7、 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.磁场的作用是限制等离子 体的分布,使成膜均匀.磁控溅射的原理示意图如下：RF power 13.56 MHz1 mTorrGlass Target/rcrjkiI-I'wrYi 印Used for ITO (Indium Tin Oxide transparent conductor) and for metals (Al, Mo,

8、 Ti, Cr, etc.)生产用磁控溅射设备如下列图: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) PECVDPECVD是通过化学反响在玻璃基板外表形成透明介质膜.等离子体的作 用是使反响气体在低温下电离,使成膜反响在低温下得以发生.其原理示意图 如下：RF power 100 mW/cm2)PLASMA -1 TorrT=300 oCsubstrateFeed gasMateria lFunctio nSiH4,H2a-SiSemiconductorSiH4,N2, NH3Si3N4Gate insulator, passivationSiH4,N20SiO2Gate insu

9、lator, passivationSiH4,PH3, H2n+ a-SiContact layer at source and drain成各类股所使用得化学气体见下表:典型的PECVD设备如下列图:Transfer robot I., MaskCassette station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外表上,形成 PR具体通过涂胶、图形曝光、显影来实现.见以下示意图：Layer to be patternedglassResistPhotoresist coating心网4士Expo

10、sure through maskPhotoresist developingI Etching of layerPatterned layerPhotoresist strippingA涂胶在玻璃外表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 dispenserExtrusion headPhotoresistSpin coatingSlit (extrusion) coatingB图形曝光涂胶后的玻璃基板经枯燥、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

11、板,只能采用屡次投影曝 光的方式.下列图是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,剩下没有被照射的局部.显影设备往往会被连接成线,前面为显影,后面为漂洗、枯燥.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

12、中,通过化学反响将没有被PR覆盖的膜刻蚀掉.湿刻有设备廉价、生产本钱 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,容易限制刻蚀后形成的截 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:O2 containing etching gasPhotoresistEtched layerGlass substrateIIAnisotropic dry etchingPhotoresistEtched layerGlass substrateWet etching v

13、s. dry etching (RIE)Etched layerlotoresis. hotoresistGlass substrate湿刻的设备一般与后面清洗、枯燥的设备连成线,见下列图: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：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、枯燥设备连线.见下列图：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,

14、提升产品的合格率,方便对产品的治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：CaeaorvCiesnrw MctriWFeaturesWETCLEAHINGBrush SoubbinqRem owes stubborn parfide not suigble for an all er particle

15、s effect is proportional to brushing oressirePhysical CleaninaJetSpravSuitable onpatteiriecl. hvdrottiilic. and soft surfaces; neouires caution reqerdinqi 51atic diatme: ineffective wthoirt hiqh 矶srtwriHssur 号Ultnsonic Captationtoeleristm effect o1 chemical Ashino isoonspicucus. h白& di 布cultv el

16、im inimti pariieles;require® cautiori reqardinqi cleaning urievennessdue to oerieraAiori of standnawsv&sMeqssonicd Whx)Cen dim in3te w上r»icran particle? vlien used with ch ein icsl deaning fuid; strung redil iner 口ropH域ion Qt sviind 帼伯国 requires caution around jig stiudireChemical Clfe

17、arirqOrifanic SolventSuitable tor eliminwtinq multiple Kntsmin匈ibn of organic5d>stsnces; solvent is chosen depending on wntarmihant: difficult Wfi hian 庭地1 of deaninaNeutrsl DetenqentSultehte lor comtamination from partides «nd orcjanic substances; mo dam5cie msierral heinq deanect difficUtY

18、isthai irrterlaDe activator adsorption laser nemainaChemical Clearing FluidDepending cn the QrtentatiQnconstftuvent, it acts in stchina, oxide decomposilion. hwirixhilic surfaces, and ion nation sutable fcr all contem inants; needs ±emical mariiiMern errtPune WerEiiYiinafes dieiicals ater chemi

19、cal crwssnq： deaninq capability depends on加tea purify; insufficientior particles and orejanic si±istancesDRY CUE AN INGUlt版中口1 日 OzoneEiminates ongariccotitaminents 6ftm 已 adsoiprtion film le>*el; improyes covenaqe priorto rest applicationPlasma O ridsApplies to elm in 击 no 口 manic substance

20、s sudi as photoresist; nm surtatole 1a,pertides end riomngaric contaminants; lowihmuqhpLrtHcn-uM 配EHYihartes 却cht omariicard MggaiMcontaminarrts d 1 口中后 fcr hiqH? dean aurtaoe;eqLipmeri is expansig lawthruuqlioLit; limited applicationLaserLocalized selective desninq: nd sutsble 1or Kill surfeci?clea

21、niriq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治理,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

22、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 为了提升产品的合格率,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.其典型设备如下列图：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 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.典型的机器见下列图：5、

23、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 合格率的上下.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作外表形貌分析.6、开路/短路O/S 电测TFT沟道刻蚀主要是刻掉非晶硅外表的一层 N型参杂的接触层.这一层 具有改善接触电阻的作用.但这一层在沟道的局部必须完全刻蚀干净,

24、否那么沟 道短路或漏电流偏大.沟道是否刻蚀干净,用光学的方法不能检测,由于 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 个电极问是否短路.下列图是原理的示意图和相关设备图：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

25、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列图：TEG 囱QX EQ 口 口口 口口目日SBOmmT«L Hems;Elldon,也H口VihfJhtoMtytjS factorr.SgsUa 怕 cturgaei foliafrRwiBtance3nMetiofl. Cor t«t*opi 与 chedt)配而Odans 旧中 WO¥0Vbd侬W】郡帆RMHCI, S4 氏 hHlIng.Cofil

26、amnaticxi)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.目前大马采用光学的检测方法.其原理和相关设备见 下列图:Hi曲 Spe«d 60 fps cameraHi的 Resoliuil.i0inii DRC rPAOS for alignmentOpticnai IV probeSAFE Modulator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

27、方法进行补救.这一方法对大屏的制作尤其有效.常见的激光修补设备见 下列图：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

28、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根底上,参加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列图: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治理的的必然选择.通常的做法是采用白玻璃( Dummy Glass)

29、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

30、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.一、取向工艺取向工艺的目的是在TFT和CF基板上制作一层透明的PI膜,经摩擦 后,使液晶分子沿摩擦方向排列.其原理请自己查看相关文献.所以在这一 块,有两个主要的工艺制程：PI印刷和摩擦.1、PI印刷PI ( Polyimide )是一种透明的有机高分子材料,有主链和侧链,经涂 布烘烤后,会牢固地附着在 CF和TFT基板外表.PI的涂布采用一种凸版印刷 的技术.其工作原理见以下示意图：PI印刷除凸版印刷的主工艺制程外,还有一些辅助的工艺制程,如：印 刷前清

31、洗、印刷后预烘、自动光学检查、固化,以及 PI返工制程等.这里不再 逐一介绍.2、摩擦摩擦的作用是用绒布在PI上摩过,将PI的侧链梳理到一个方向.示意 图如下：回事云配向膜付W基板摩擦后还有辅助工艺制程：摩擦检查.装置?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)放入液晶并限制盒的厚度.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、

32、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、衬垫料喷洒盒厚限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外表,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Disp

33、ensor的涂布头来完成的.其示意图分别如下： 边框涂布窒素力'久加压银点涂布液晶涂布液晶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.其工作原理见下列图:人亍一ODF制盒完成后,为了预防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.为了预防UV光对液晶的破坏,边框以外有液晶的地方会用 Mask遮挡.假设UV光从CF侧照射,CF

34、可以起到Mask的作用.假设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.、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.见下列图: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外表滑过来完成的.具原理图 如下：裹面力加压1、瞬劈马.通常切割后还有裂片的工艺.但随着刀轮技术的改良,目前已有切痕很