TFT制程曝光色差研究

黃霜霜， 喻 玥， 馬國永， 趙 輝， 高 文， 沈建華，陳 萍， 陽志林， 李連峰， 馬新星

(南京中電熊貓平板顯示科技有限公司，江蘇 南京 210046)

1 引 言

近年來，遠程辦公、電競產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，消費市場對TFT-LCD、AM-OLED等平板顯示技術(shù)產(chǎn)品的需求與日俱增。顯示行業(yè)材料、設(shè)備等領(lǐng)域飛速發(fā)展，市場競爭日益激烈，顯示面板品質(zhì)要求日趨嚴格。各類型顯示器件制備的關(guān)鍵便是TFT的制備，先在成膜基板表面均勻涂布一層光阻，經(jīng)曝光、顯影對光阻進行圖案定義，再經(jīng)刻蝕、剝離形成最終的薄膜圖案，各薄膜通過特定的圖案加工構(gòu)建成完整的顯示器件。在其制備過程中，曝光色差(Mura)等品味性問題不可避免。

色差是指顯示器亮度不均勻，通常是由作業(yè)人員裸眼或采用減光濾鏡進行定性評價，不同作業(yè)人員眼睛感知畫面的亮暗程度存在差異，無法進一步定量分析。曝光色差是指曝光工藝造成的一類色差的統(tǒng)稱，業(yè)界的研究多集中于焦點補正等光刻平面補償，但并未系統(tǒng)地研究其分析方法[1-4]。本文對曝光色差進行調(diào)查與研究，系統(tǒng)地提出曝光色差的分析方法，對色差程度進行定量分析，總結(jié)曝光色差的改善方案并闡述其形成機理，對改進顯示面板品質(zhì)具有重要意義。

2 不良概況

經(jīng)過對大量面板點燈現(xiàn)象的觀察，曝光色差主要呈現(xiàn)兩種不良形態(tài)：其一是寬度為15～20 mm左右的細條狀色差，相鄰色差間距為105 mm左右——Obi 色差；其二是寬度為105 mm左右的塊狀色差，相鄰塊狀區(qū)域呈現(xiàn)明暗交替現(xiàn)象——模塊色差。由圖1可以看出，棱鏡與面板掃描位置相對應(yīng)，在面板上可能形成呈現(xiàn)圖1(b)、(c)所示的兩種形態(tài)的曝光色差。當然，在極少量的面板上還發(fā)現(xiàn)一種呈現(xiàn)透鏡形狀的曝光色差，其成因是設(shè)備階段異常波動，因其發(fā)生概率極低且原因調(diào)查相對簡單，這種情形不在本文論述范圍。

(a)透鏡與面板掃描位置圖示(a)Diagram of lens and panel scan position

圖1 曝光色差圖示Fig.1 Diagram of exposure Mura

面板曝光色差的顯現(xiàn)程度會因其使用的液晶材料不同而有不同，但對已顯現(xiàn)出曝光色差的面板，通過改變環(huán)境溫度、調(diào)節(jié)Vcom、Vgh、Vgl等條件很難使其不再顯現(xiàn)。大尺寸機種(如TV機種)基板上各面板對應(yīng)的透鏡及其拼接位置相對固定，形成的曝光色差位置也相對固定，可以通過De-mura技術(shù)改善；小尺寸機種(如手機屏)面板尺寸相對較小，在顯示區(qū)域內(nèi)不太容易觀察到呈現(xiàn)一定規(guī)律分布的曝光色差；在筆記本電腦及顯示器機種上，曝光色差問題會相對突出。

3 不良分析

在TFT制程中，基板與曝光機透鏡的位置相對固定，基板各層膜對應(yīng)的透鏡及其拼接位置均重疊，故而，分析面板不良成因需要一定的方法。下文介紹3種不良分析方法。

3.1 SEM分析

掃描電子顯微鏡(SEM)是一種利用二次電子信號成像來觀測樣品微觀形貌的分析方式。使用SEM測量不良樣品各層膜的特性參數(shù)，并將色差區(qū)與正常區(qū)的特性數(shù)據(jù)進行對比分析，找出異常點，明確成因。

在L64灰階畫面，不良面板正常區(qū)域呈現(xiàn)灰色，色差區(qū)域顏色泛白。如圖2所示，經(jīng)SEM分析，白色區(qū)域像素臨界尺寸均值比黑色區(qū)小0.13 μm。面板同一區(qū)域(黑色或白色)內(nèi)像素臨界尺寸略有波動，但未見明顯差異，其他各層膜特性參數(shù)及正常面板的像素臨界尺寸亦無明顯差異。由此可知，面板像素臨界尺寸差異為曝光色差的形成原因。追加不良品分析，如圖2(c)所示，色差區(qū)像素臨界尺寸比相鄰區(qū)域大0.11 μm。由此可見，像素臨界尺寸過大或過小均會導致色差發(fā)生。

(a) SEM圖像(a) SEM image

(b) 像素 CD數(shù)據(jù)①(b) Pixel CD data①

(c) 像素 CD數(shù)據(jù)②(c) Pixel CD data②圖2 SEM分析數(shù)據(jù)Fig.2 SEM analysis data

3.2 錯位曝光分析

面板色差區(qū)的某種特性參數(shù)與正常區(qū)相比存在明顯差異，通過SEM分析可以明確不良原因。如果各特性數(shù)據(jù)均無明顯差異，便需要采用驗證的方式加以理清。曝光時，基板與透鏡的位置相對固定，且各層膜對應(yīng)的曝光透鏡位置均重合。調(diào)整曝光參數(shù)，將某層膜曝光時透鏡對應(yīng)到基板上的位置調(diào)整至其他位置的曝光方法稱為錯位曝光。

如圖3所示，在進行曝光制程時，基板上面板(1/2/3)位置與透鏡及其縫合區(qū)一一對應(yīng)。在某一層曝光時，調(diào)整曝光中心坐標，使基板上面板 1 調(diào)整到面板2對應(yīng)的透鏡曝光、面板2 調(diào)整到原面板 3對應(yīng)的透鏡曝光、面板3 調(diào)整到曝光區(qū)域以外不進行曝光。其中，面板1、2的模式保持完好，可正常點亮，面板3可進行舍棄，亦可采用追加掃描的方式形成模式以便正常點亮，至此，完成該層膜的錯位曝光。

圖3 錯位曝光圖示Fig.3 Diagram of shift exposure

如表1所述，可依據(jù)錯位曝光面板點燈現(xiàn)象判定當前錯位曝光層是否為曝光色差的成因?qū)印?/p>

表1 錯位曝光試驗Tab.1 Shift exposure experiment

3.3 數(shù)據(jù)分析

曝光色差的形成，可能是單一膜層曝光不均一造成，亦可能是多個膜層曝光不均一疊加的結(jié)果。通過上述錯位曝光試驗，可以分析單膜層曝光不均一問題，但無法衡量多膜層疊加影響的權(quán)重。為此，提出一種數(shù)據(jù)分析的方法，將面板灰度數(shù)據(jù)與各層薄膜特性數(shù)據(jù)相匹配，得出曝光色差成因的定量評價數(shù)據(jù)。

選定少量TFT基板，在各層薄膜曝光后、蝕刻后進行密集點測量，使用同一測量設(shè)備，測定基板相同點位的臨界尺寸、疊加數(shù)據(jù)。密集點測量時可按特定子像素數(shù)為單位間距進行，曝光后、蝕刻后密集點的數(shù)據(jù)對比可用作分析蝕刻工藝對基板質(zhì)量的影響。

面板制作完成，如圖4所示，在暗室環(huán)境中點亮面板，選取合適角度固定相機，捕捉面板L64灰階點燈現(xiàn)象，適當調(diào)整相機曝光參數(shù)得到較好的圖片。保持相機拍攝角度和曝光參數(shù)不變，更換面板點燈，同樣拍攝L64灰階的點燈現(xiàn)象，依次拍攝得到整枚基板所有位置面板的點燈現(xiàn)象圖片。

圖4 面板灰度測定圖示Fig.4 Diagram of panel gray-scale measurement

對面板點燈現(xiàn)象圖片進行處理，得到量化的灰度數(shù)據(jù)：首先，使用GIMP軟件對相機拍攝的彩色圖片進行梯形矯正。然后，使用Fiji軟件對矯正后的圖片進行處理，得到理想的色差圖(灰度圖)與量化的灰度數(shù)據(jù)。最后，對量化的灰度數(shù)據(jù)進行擬合，去除環(huán)境干擾，進行平滑處理，得到精細量化的灰度曲線[5-7]，如圖5所示。

(a) 點燈現(xiàn)象圖片(a) Picture of lighting phenomenon

(b) 灰度圖(b) Grayscale image

(c)量化灰度數(shù)據(jù)(c)Quantitative gray level data

(d)處理后灰度曲線(d)Gray level curve after processing圖5 數(shù)據(jù)處理圖示Fig.5 Diagram of data processing

分析各位置面板灰度數(shù)據(jù)，與各層膜密集點測量的臨界尺寸、覆蓋區(qū)及設(shè)備的照度均一性數(shù)據(jù)進行匹配，分析不良成因及各因子權(quán)重。

4 不良改善

經(jīng)過解析、驗證與數(shù)據(jù)分析，面板相鄰區(qū)域像素臨界尺寸差異是造成曝光色差的主要成因，曝光設(shè)備照度均一性不佳是導致像素臨界尺寸差異的主要原因。因此，改善曝光色差問題之首要便是調(diào)整設(shè)備照度均一性。如圖6所示，像素臨界尺寸差異超過0.07 μm時，色差程度由輕微變?yōu)橹械龋妆话l(fā)現(xiàn)，因此，像素臨界尺寸差異應(yīng)管控在0.07 μm以內(nèi)，其對應(yīng)的設(shè)備照度均一性應(yīng)管控在0.70%以內(nèi)。

(a)Mura程度與CD差異相關(guān)性(a)Correlation between Mura degree and CD difference

(b)CD差異與照度差異相關(guān)性(b)Correlation between CD difference and illumination difference圖6 Mura程度與照度均一性的關(guān)系Fig.6 Correlation between Mura degree and illumination uniformity

在曝光設(shè)備中，光源產(chǎn)生的光線經(jīng)過一系列光學系統(tǒng)，最后通過聚光鏡和X傾斜濾波器照射到掩膜上，并將掩膜上的圖案經(jīng)投影透鏡轉(zhuǎn)印至基板上，如圖7所示。其中，聚光鏡起聚光作用，X傾斜濾波器可控制光強。設(shè)備長時間使用后，震動老化等因素會使聚光鏡聚光效果變差，有機物附著使得X傾斜濾波器霧化，導致曝光設(shè)備照度均一性惡化。

(a)光源系統(tǒng)圖(a)Diagram of light source system

(b)聚光鏡 (c)X傾斜濾波器(b) Condenser lens (c) Light reduction filter

(d)照度均一性數(shù)據(jù)(d)Illuminance uniformity data圖7 照度均一性調(diào)整圖示Fig.7 Diagram of lluminance uniformity adjustment

測量曝光設(shè)備各點位照度，通過清潔X傾斜濾波器、調(diào)整聚光鏡改善其均一性。在硬件調(diào)整無法再優(yōu)化時，調(diào)整補正系數(shù)，直至照度均一性調(diào)整至最佳。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，各導電層臨界尺寸對曝光缺陷的影響程度各不相同。如圖8所示，面板灰度趨勢與像素臨界尺寸趨勢吻合度最高，說明像素臨界尺寸對面板色差的影響程度最大；在SD 臨界尺寸偏離中心值較大的區(qū)域，面板灰度趨勢相應(yīng)地略偏離像素臨界尺寸趨勢線，說明SD臨界尺寸對面板灰度也有一定程度的影響；柵極臨界尺寸趨勢與面板灰度趨勢未見明顯相關(guān)性，其影響程度最小[8-10]。

圖8 各膜層CD趨勢與面板灰度相關(guān)性Fig.8 Correlation between CD trend and panel grayscale

不同曝光設(shè)備本身的曝光形貌不同，其造成產(chǎn)品各膜層的臨界尺寸差異也不相同，需要綜合衡量設(shè)備的曝光形貌和各膜層臨界尺寸對色差的影響程度，選擇合適的生產(chǎn)路徑。因此，選取最優(yōu)生產(chǎn)路徑并加強管控是改善曝光色差的重要方式。

如圖9所示，通過調(diào)整曝光設(shè)備照度均一性與管控最優(yōu)生產(chǎn)路徑，曝光色差發(fā)生率從10%以上降至1%以內(nèi)，降等率(ND20% NG，即非S品)從5%左右降低至0.2%以下，改善效果明顯。

圖9 曝光Mura改善效果圖Fig.9 Improved effect of exposure Mura

5 不良模擬及理論分析

色差是人眼感知亮度的差異，實為面板透過率的差異。為研究面板透過率與像素臨界尺寸的相關(guān)性，可采用光學軟件ExpertLCD進行模擬。在FFS顯示模式下，像素線寬與線距之和為定值時，透過率模擬數(shù)據(jù)如圖10所示，在一定范圍內(nèi)，透過率隨像素臨界尺寸增大呈先緩慢增大后迅速下降的趨勢。不同產(chǎn)品因其像素設(shè)計及液晶材料等有所差異，透過率峰值對應(yīng)的像素臨界尺寸值及透過率變化率會存在一定差異，整體變化趨勢基本相同。當像素臨界尺寸較大時，透過率變化速率更快(相同臨界尺寸差異對應(yīng)的透過率差異更大)，即曝光色差更容易顯現(xiàn)。

圖10 模擬數(shù)據(jù)Fig.10 Simulation data

此外，像素中對顯示影響最大的寄生電容是Cgs、Cdp。對于拼接曝光的陣列圖形，不同曝光區(qū)域Cgs、Cdp存在一定的偏差，像素電極受到的耦合影響也不相同，引起拼接曝光色差。下文就電容耦合效應(yīng)及饋入電壓的影響加以說明。

電容耦合效應(yīng)是指多個電容并聯(lián)時，個別電容一端電位變化，基于電荷守恒引起另外一端電位變化的現(xiàn)象。

如圖11所示，各電極通過4個電容連接在一起，初始電位VA為0 V，假設(shè)V1電位突然變化ΔV，電容兩端電壓不能突變，在電容C1上該時刻電位也變化ΔV。由于C1與其他3個電容連接在一起，相互間會有電荷流動直至達到平衡，最終電位一致。平衡后的電位為：

(1)

圖11 電容耦合效應(yīng)示意圖Fig.11 Capacitive coupling effect diagram

面板不同區(qū)域數(shù)據(jù)線與像素電極間的寄生電容Cdp存在差異，引起的耦合電壓不同。通常，存儲電容Cst會大于各寄生電容，像素臨界尺寸越小，存儲電容Cst越小，耦合導致的電壓差異越大，面板透過率差異也越大。

像素饋入電壓是掃描信號電壓由Vgh下降到Vgl時引起像素電位的突變電壓。柵極與連通像素電極的源極之間的寄生電容Cgs對其影響較大，饋入電壓可表示為：

(2)

面板不同區(qū)域Cgs存在差異，引起的饋入電壓不同。像素臨界尺寸越小，存儲電容Cst越小，饋入電壓差異越大，面板透過率差異也越大。圖12(a)、(b)分別為像素臨界尺寸和SD 臨界尺寸在設(shè)計值附近變化時模擬得到的饋入電壓的變化趨勢，圖12(c)為電壓-透過率曲線(V-T)。由此可知，像素臨界尺寸較小時，饋入電壓變化速率顯著增大，在各灰階下的透過率差異亦會增大，說明像素臨界尺寸不易過??；隨SD 臨界尺寸增大，Cgs增大，饋入電壓亦會增大，所以SD臨界尺寸不宜過大。

(a)饋入電壓與像素臨界尺寸的關(guān)系(a)Feedthrough voltage vs. pixel CD shift

(b)饋入電壓與SD臨界尺寸的關(guān)系 (b)Feedthrough voltage vs. SD CD shift

(c) 電壓透過率曲線(c) V-T curve圖12 透過率與臨界尺寸的相關(guān)性Fig.12 Correlation between transmittance and CD shift

綜上所述：臨界尺寸應(yīng)管控在一定范圍并且需保證較好的均一性，臨界尺寸過小、過大都會使曝光色差更易顯現(xiàn)；同時，各導電層的臨界尺寸也需保證較好的均一性，減小耦合電容對顯示的影響。

6 結(jié) 論

本文對TFT制程曝光色差問題進行研究，系統(tǒng)地提出曝光色差的分析方法。采用面板灰度數(shù)據(jù)對色差程度進行定量評價，經(jīng)數(shù)據(jù)分析找到曝光色差的產(chǎn)生原因及其解決方案，并取得明顯的改善效果。結(jié)合光學模擬數(shù)據(jù)與電容耦合效應(yīng)分析，進一步闡述曝光色差的形成機理。在TFT制備過程中，為減小曝光工藝對顯示面板品質(zhì)的影響，需調(diào)整曝光設(shè)備照度均一性至0.7%以內(nèi)，管控像素臨界尺寸在一定范圍并保證相鄰區(qū)域像素臨界尺寸均值在±0.07 μm以內(nèi)，同時，需管控最優(yōu)生產(chǎn)路徑減小耦合電容的影響。本次調(diào)查與研究對TFT相關(guān)領(lǐng)域的不良改善與工藝研究具有一定的參考意義。