玻璃基板溫度對TFT端子腐蝕的影響

【摘 要】隨著顯示技術的發(fā)展，工控設備、車載裝置等顯示產(chǎn)品的市場占有率逐漸升高，然而工控、車載市場對顯示器件增加的需求不僅體現(xiàn)在量上，對產(chǎn)品在極限使用環(huán)境下的信賴性也提出了全面的挑戰(zhàn)。由Al建成的TFT-LCD 配線區(qū)的金屬線路，很容易發(fā)生端子腐蝕， Mo 以 Al/Mo 或者 Mo/Al/Mo的膜層結(jié)構(gòu)形式將空氣中的水氧與 Al隔絕，但是 Mo也只能在一段時間內(nèi)的保護 Al不被腐蝕，在 RA極限測試條件下，水中氧會穿過 Mo的柱狀晶體縫隙，與 Al發(fā)生反應。故本文研究通過提高 PVD成膜時玻璃基板溫度改善 Mo層膜質(zhì)，通過 SEM、TEM分析和鹽霧測試驗證不同條件對 TFT端子腐蝕的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高 PVD成膜時玻璃基板溫度可以改善 TFT 端子腐蝕。

【關鍵詞】玻璃基板溫度 SEM TEM 鹽霧測試

一、引言

隨著科學技術的發(fā)展，工業(yè)設備以及自動化車載裝置對多樣化顯示器件的需求與日俱增。然而工控、車載市場對顯示器件增加的需求不僅體現(xiàn)在量上，對產(chǎn)品在極限使用環(huán)境下的信賴性提出了全面的挑戰(zhàn)。

金屬鋁 （Al） 由于其極低的電阻率以及廣泛的保有量而導致的低成本被 TFT-LCD （薄膜晶體管液晶顯示器件） 廣泛地應用在柵極 （Gate）、源極數(shù)據(jù)線 （Source） 等TFT器件的導通材料。因應玻璃與驅(qū)動線路板連接的需求，在 TFT-LCD的配線區(qū) （Fan out），金屬線路有可能裸露在空氣中，尤其在通電的狀況下發(fā)生電化學反應，容易出現(xiàn)金屬線路（端子）腐蝕，嚴重影響 TFT-LCD 顯示性能。為降低金屬 Al發(fā)生腐蝕的風險現(xiàn)有技術在金屬Al 層上方增加耐腐蝕的Mo。然而因 Mo層薄膜是柱狀晶體結(jié)構(gòu)，空氣中的氧可能會通過柱狀界面的縫隙，擴散至 Al層，跟 Al發(fā)生氧化反應（如圖1 ）。增加 Mo的膜厚，可在一定程度上延長擴散距離從而延長Al被腐蝕需要的時間，以達到保護 Al層的作用。對于更高信賴性要求的產(chǎn)品，需要更好的杜絕腐蝕。材料方面只能將 Mo用其它耐腐蝕的致密材料取代，如 MoTa合金。這樣會造成制造成本的上升。所以，迫切地需要提升 Mo的致密性以更持久地保護 Al金屬電極，使其使用壽命得以延長。

本文利用 DC-Sputter的濺射方式，通過提高鍍膜時玻璃基板的溫度，縮小薄膜原子從靶材逸出時與在玻璃基板上成膜的溫度差，改善物理氣相沉積（PVD）濺射過程中薄膜原子由氣相到固相轉(zhuǎn)變過程的熱收縮應力；同時利用高溫增強玻璃基板上表面原子的吸附能及遷移能，減少 Mo原子在成核長晶過程中的缺陷，原子間結(jié)合的更加緊密，來減小 Mo層柱狀界面縫隙，達到改善Mo層的膜質(zhì)及增強線路的抗腐蝕性能的目的。

圖1 Mo Film的晶界圖

Fig. 1 The grain boundary of Mo film

二、PVD Sputter薄膜的生長過程

薄膜的生長過程直接影響到薄膜的結(jié)構(gòu)以及薄膜的最終性能。圖 2為PVD Sputter 中薄膜沉積原子的生長過程圖，從靶材表面逸出的靶材原子在玻璃基板表面發(fā)生相互碰撞，其中一部分被反射，另一部分停留在玻璃基板表面。停留在表面的原子、分子，在自身所帶的能量及玻璃基板溫度產(chǎn)生的熱能的作用下，在玻璃基板上進行表面擴散、遷移以及原子吸附，最終形成連續(xù)膜層。薄膜中晶粒的尺寸、形態(tài)和紋理等與熱應力的緩解有著直接聯(lián)系。

圖2 PVD Sputter 薄膜的生長過程圖

Fig. 2 The progress of film formatting with PVD sputter

圖3 PVD Tsub120℃與Tsub 50℃ channel 與Gate端子處 SEM斷面像

Fig. 3 Cross section under SEM， in the position of TFT Channel and Gate Pad， with different temperature

三、高溫成膜分析

（一）PVD高溫成膜的SEM分析

使用 PVD Tsub 120℃ 與Tsub 50℃分別濺射 Gate電極 （Al/Mo （2500A/500A）），用 SEM斷面像分別對該機種的 channel處及外圍 Gate 端子處對比觀察。如圖3，在 TFT channel 處及 Gate 端子處， PVD Tsub

120℃ 較 Tsub 50℃ 濺射的薄膜，Mo 層的平整度、致密度均較好。

（二）PVD高溫成膜的TEM分析

實驗中，利用 PVD DC-Sputter的方式， Tsub 120℃與Tsub 50℃，分別制作Mo/Al/Mo（150 A/2500 A/500 A）薄膜，利用TEM明場像及暗場像 （如原理圖4）比較在不同的玻璃基板溫度條件下， Mo層的晶體缺陷與結(jié)構(gòu)差異。

明場像 （Bright Field （BF） Image） 指將物鏡光圈置于后聚焦平面只讓直接穿透的電子束通過，借由質(zhì)量-厚度與繞射對比成像：重原子較多的厚區(qū)以及結(jié)晶會以暗對比出現(xiàn)。暗場像 （Dark Field （DF） Image） 指利用物鏡光圈將直射電子束擋住，只讓一個或者多個繞射電子束通過物鏡光圈成像。暗場成像廣泛被應用在缺陷的觀察如：差排、疊差、孿晶；或是鑒定晶粒大小等分析。

通過 Mo/Al/Mo金屬薄膜的 TEM 明場像及暗場像對比分析（圖5），發(fā)現(xiàn)單晶結(jié)構(gòu)排列的 Mo 金屬薄膜， PVD Tsub 120℃ 成膜較 PVD Tsub 50℃ 成膜，Mo 單晶衍射花樣排列斑點更加整齊、致密，表明晶粒間的缺陷也較少。

圖 4 TEM 明/暗場像成像系統(tǒng)圖

Fig. 4 BF/DF System of TE

圖5 PVD不同成膜條件下Mo的膜質(zhì)特性TEM 分析

Fig.5 TEM analysis of Mo film with different PVD temperature

四、鹽霧測試實驗

本文利用 PVD DC-Sputter 方式，分以下三種條件制作 Al/Mo薄膜 ，DC power 為132 kw，每種條件各選取 5個 panel，對端子區(qū)域進行的鹽霧測試實驗。實驗條件為：在35℃ 環(huán)境下，向面板噴灑濃度為5% 的 NaCl 溶液，連續(xù)噴霧 4小時為 1個周期，然后使用顯微鏡確認。

對比如圖6的實驗結(jié)果，在經(jīng)過兩個周期的鹽霧測試后，條件1與條件2均比條件3發(fā)生端子腐蝕的程度低。即提高玻璃基板溫度與增加 Mo 的厚度，均能改善 TFT端子區(qū)域的抗腐蝕性性能。同時提高玻璃基板表面溫度比增加 Mo 的厚度的抗腐蝕性能更佳。

圖6 產(chǎn)品不同條件的鹽霧測試結(jié)果對比圖

Fig. 6 Salty Test Results of Different Condition

五、結(jié)論

由以上 SEM、TEM 對比分析來看，PVD 提高玻璃基板的溫度改善了成膜時玻璃基板上原子的吸附能與遷移能，減少了薄膜中的缺陷數(shù)量，使得晶粒大小均一且排布更加緊密，達到了減小 Mo層薄膜中柱狀晶界縫隙的目的。 由鹽霧測試結(jié)果表明：高溫成膜較傳統(tǒng)的增加 Mo 層膜厚的方法，均能改善 TFT 的端子的Al腐蝕。此項研究，對未來工控設備、車載裝置等顯示產(chǎn)品的發(fā)展具有借鑒意義。

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作者簡介：

吳娟（1987—），女，江蘇淮安市人，碩士，TFT-LCD 陣列薄膜工藝設計。