大尺寸TFT-LCD GOA Channel CD管控方案的研究

2021-04-12武汉京东方光电科技有限公司熊嘉琪乔亚峥刘子源董春垒

电子世界 2021年5期

武汉京东方光电科技有限公司熊嘉琪乔亚峥刘子源张杰魏炎董春垒

郭会斌向红伟林敏邱航郑帅

随着GOA（Gate On Array）技术的不断发展，GOA技术在TFT-LCD行业，尤其在窄边框TV显示屏上的应用也愈来愈频繁，但是由于GOA驱动电路工艺的不稳定性和复杂性，可能会导致显示不稳定的问题，同时随着TV市场需求的日益增长，GOA产品的工艺稳定性对于客户端的品质表现显得十分重要。本文主要研究了大尺寸TFT-LCD GOA产品GOA区与AA区关键参数Channel CD（Critical Dimension）的均一性问题，并针对GOA区Channel CD管控的不足，提出一系列管控优化方案，包括Mask设计补正，CD测量过程控制和SPC管控优化措施等，并在武汉京东方光电科技有限公司（以下简称B17）率先应用，提高了产品GOA工艺的稳定性和系统预防监控能力。

近年来，随着TFT-LCD显示技术的高速发展，液晶产品的竞争日益激烈，各厂家为抢占市场开始开发新技术。GOA（Gate On Array）技术是将栅极驱动器集成在玻璃基板上，形成对面板的扫描。因其窄边框，简洁美观和低成本低能耗的优势，已慢慢成为各个面板厂家的主要研究方向，其产品也逐步走向TV市场，更加符合面板未来的发展趋势。

然而，GOA驱动电路结构复杂，由多个器件组合设计，且与阵列基板工艺一起制作完成，易受工艺均一性等因素的影响，与AA（Active Area）区相比，存在关键参数Channel CD的差别，引起特性差异，造成显示不良缺陷，如错充、黑斑不良、RGB水平Mura等。因此，研究GOA产品工艺均一性、GOA Channel CD补正方案和量产管控方法至关重要。

1 产品研发阶段的管控

1.1 GOA产品工艺均一性研究

为研究GOA产品Channel CD工艺均一性问题，本文对某75in量产品GOA区及其附近AA区Channel FICD（Final Inspection Critical Dimension）进行密集点测试，确认不同区域Channel CD大小及差异情况，图1所示为AA、GOA测量点位分布示意图。

图1 产品AA/GOA测量点位分布示意图

图2 各列单个GOA M8/M10/M3 Channel CD测量结果

1.1.1 GOA不同TFT Channel CD分析

以某75in量产品为例，测量其单行GOA不同位置TFT M8（外边）/M10（中部）/M3（内边）Channel FICD，比较GOA内各位置CD差异，确定GOA Channel CD监控位置。测量结果如图2所示，M8/M10/M3在横向各列均值变化趋势基本一致，第三列最大，第四列最小，与Glass工艺均一性相关。各列中三者Channel CD差异控制在0.25μm以内，其中M3 CD值相对居中且起到主要充放电功能，最为重要，因此GOA区以管控M3 Channel CD为准。这也为产品在量产过程SPC管控中，确立GOA Channel CD的测量点位提供依据。

1.1.2 GOA区和AA区工艺均一性分析

对各列GOA区M3及附近AA区Channel CD进行测量，图3所示为AA、GOA区Channel FICD Mapping示意图。如图3所示，当AA区及GOA区Channel Mask CD设计值均为2.8μm时，各列Channel FICD存在0.15～0.25μm的差异，这是由Mask制作精度、Photo段工艺能力差异（Photo Bias）、Etch段工艺差异（Process Bias）等综合因素引起的。

图3 Channel FICD Mapping示意图

图4 Channel Photo Bias Mapping示意图

表1 G10.5产品GOA Channel CD设计端补正方案

表2 倚分析数据采集表

图4所示为AA、GOA区Channel Photo Bias（Chanel DICDMask CD）Mapping示意图，GOA区Channel Photo Bias较AA区小0.33μm。在曝光过程中，由于GOA区Pattern密度较AA区大很多，透过的光线减少，衍射强度也随之降低，整体曝光能量较AA区弱，Channel DICD（Develop Inspection Critical Dimension）较小；在显影过程中，GOA区显影液消耗量低于AA区，使该区显影液浓度偏大，从而导致Channel DICD增大。在两者综合因素影响下，出现Channel DICD呈GOA区低于AA区的现象。

图5所示为AA、GOA区Channel Process Bias（Channel FICDDICD）Mapping示意图，GOA区Channel Process Bias较AA区大0.14μm。在刻蚀过程中，GOA区与AA区差异主要受刻蚀液浓度影响，由于GOA区Pattern密度大，刻蚀液消耗量小于AA区，使该区刻蚀液浓度偏大，导致Channel Process Bias变大。与Photo段工艺数据对比可以发现，后者为工艺能力差异主要影响因素。

由于Glass不同区域工艺能力的差异，产品GOA区与AA区关键参数产生差异，存在GOA相关不良隐患。因此，从设计端及工艺端寻求GOA Channel CD补正方案，降低GOA与AA参数差异，对提升产品品质尤为重要。

表3 线性分析数据采集表

表4 R&R分析数据采集表

图5 Channel Process Bias Mapping示意图

1.2 GOA Channel CD补正方案

本文统计了G10.5不同尺寸产品在无补正条件下的GOA与AA区Channel CD差异，根据GOA分布方向及Mask类型归纳出Mask设计端补正方案，如表1所示。

设计端GOA Mask CD补正方案可以降低GOA与AA区Channel FICD的差异，再配合工艺段补正方式，如利用Photo工艺段的LEX-I设备对GOA区域进行分区补正，可进一步提高产品Channel CD均一性，从而消除GOA不良隐患。

2 产品量产阶段的管控

2.1 GOA Channel CD测量过程管控

为了确保量产过程中的GOA产品工艺稳定，首先要确保生产过程中对产品的测量和监控是值得信赖的。因此，我们针对GOA Channel CD的测量过程进行分析和研究，以确保其测量过程得到有效控制，测量结果尽可能接近真值。

测量过程控制主要是对影响测量结果的相关要素（包括测量人员、量具、被测量工件、程序/方法、环境以及上述的交互作用关系等）加以识别并控制，以达到减少或消除其影响的目的。为此我们采用测量系统分析的方法，本文对用于量测GOA Channel CD的测量设备（关键线宽&残膜膜厚测量机）进行了研究，通过分析测量系统发生的变动对工程变动的影响，来判断测量系统的适合与否，主要分析该测量系统的精密度(Gage R&R)、准确度等，以确保量产中量测数据的准确度和精确度。

在此之前，先简单介绍用于测量GOA Channel CD质量特性的量测设备（关键线宽&残膜膜厚测量机），该设备主要用于测量Photo工艺后产品的关键线宽和的PR残膜厚度(含GOA沟道)，如SDT/HGA mask后的PR残膜厚度等半成品特性。该设备主要是采用光的干涉原理，通过设备的高精度相机等光电系统对测量对象进行扫描，从扫描图像中提取最佳聚焦图，从而提取出测量数据。下面举例，对关键线宽&残膜膜厚测量机在对某款量产品的GOA Channel CD测量过程中的偏移、以及进行重复性和再现性分析。

图6 偏倚数据分析结果

图7 线性数据分析结果

图8 重复性&再现性数据分析结果

2.1.1 偏倚分析

本次偏移分析，测试人员为B17 Array曝光科的设备工程师，选取生产线中的关键线宽&残膜膜厚测量机（量具编号：OAEX-002）作为测量设备，厂商提供的标准件作为样品，其基准值GOA Channel CD为3.1418um，共测量15次，测量结果如表2所示，JMP统计学软件对测量数据处理分析结果如图6所示。

均值为3.1425um，偏倚为0.0007um（均值与基准值之差），取α=0.05（95%置信度），数据分析结果显示偏倚的95%置信区间上限为0.0018841，偏倚的95%置信区间下限为-0.000977，结论为“0”落在偏倚值的95%置信区间内，则偏倚在α水准上是可以接受的。结论：“0”落在偏移值附近的95%置信度界限内，则偏移在5%水准上是可以接受的。

2.1.2 线性分析

本次线性分析，测量人员选择测量值覆盖量具的操作范围的5个样品（不同规格产品的厂商标准件作为样品），每个样品测量15次，量具量程为2.0～25.0um之间，测试结果记录如表3所示，并采用JMP统计学软件对策了数据进行线性分析，结果如图7所示。

利用散布图和JMP统计分析软件得出bias均值的拟合线。由于量程范围内Bias 95%置信区间都包含”0”，且“Bias=0”的线包含于bias与参考值拟合线的95%区间内，故判定该测量系统的线性可接受。

2.1.3 重复性和再现性分析

重复性和再现性分析，又称Gage R&R分析。本次测量共选择10个样品（要求样品在规格内均匀散，即随机抽取样品），选择三名经过测量认证合格的人员，按随机顺序对10个样件各循环测量3次，测试结果记录如表4所示，并采用JMP统计学软件对测量数据进行R&R分析，结果如图8所示。

利用量具R&R的均值图和JMP分析软件得出%Gage R&R和可区分类别数，根据量具重复性和再现性的判定可得，其合计量具R&R占研究变异的8.529%＜10%，可区分类别数ndc为16＞5，故该测量系统可接受。

经过以上针对GOA Channel CD测量系统的偏移、以及进行重复性和再现性分析，可以判定在实际工艺制程中，GOA Channel CD的测量系统发生的变动对工程变动的影响可以忽略不计。但是，由于考虑测量设备在实际使用过程中存在仪器老化、磨损和测量设备机差等情况，故后续仍需针对测量设备、人员进行周期性认证，并对同种测量设备进行Correlation校正，以确保产品量产阶段的测量过程是始终得到有效控制的。

图9 单点超标Alarm界面

2.2 GOA Channel CD的SPC管控

当GOA Channel CD的测量过程得到有效控制后，接下来需要进一步对生产制造过程加以控制。SPC即统计过程控制，主要是通过使用控制图等统计技术来分析过程或其输出，以便采取适当的措施保持统计控制状态，进一步提升工艺制程能力，最终达到保证产品质量的目的。故合理地利用SPC系统对量产阶段的GOA Channel CD进行监控，对其过程控制是十分必要的。本文针对GOA Channel CD的SPC管控，除了常规的SPC系统管理外，还分别从SPC管控Rule和控制图报警能力两方面探究现有管理的不足，并提出了对应的管控优化方案。

2.2.1 GOA Channel CD SPC管控Rule优化

根据GB/T 4091《常规控制图》中规定的八大判异准则，这8个准则触发确实可以发现制程中的异常情况，但是通常为小概率事件。在实际的工艺制程中，仅靠这8个准则是无法完全甄别出制程过程中的细小变异，这一缺点在大尺英寸TV产品上更加显著，主要是因为大尺英寸TV产品的单张Glass面积更大，测试点位更多，当Glass局部的质量特性出现波动时，通常很难识别出来。

因此，我们在原有的SPC系统增加了SRO（单点超标）Alarm管控规则，从原有的均值超标Alarm管控规则优化为均值和单点值超标均Alarm的管控模式，以便更及时地识别产品异常和风险。例如，某SPC系统重点监控项目CD为例，其测量点位有48个，在导入SRO Alarm管控规则前，无法识别局部区域异常，而导入SRO Alarm管控规则后，如图9显示，可以看出11点位和21点位超标，可以识别出局部点位的异常。当触发SRO Alarm时，系统会自动报警，并邮件知会到对应科室工程师。这样工程师能第一时间确认产品情况，并对超标原因展开调查，及时防止局部点位超标的风险品Flow到下个工序，降低公司损失。目前已在GOA Channel CD项目中导入单点超标报警规则，已成功预警并有效拦截异常50余次。

2.2.2 GOA Channel CD控制图报警能力优化

SPC控制图的报警能力通常能说明SPC系统的实际应用情况，控制图报警能力的优化对于SPC系统的预警和实际应用过程的管理都是至关重要的。通过调研京东方各现地工厂的情况，我们发现目前控制图报警方面主要有2个缺点，一方面是部分现地存在控制限未计算，直接将spec内缩进行管控，导致控制限过宽，无法侦测制程异常的情况。另一方面则是部分现地存在产线中不同设备和不同chamber统一管控，未考虑设备别差异，包含较多干扰变异，从而导致OOC报警率普遍较高，但准确性较低；使得跟踪分析耗时长，无法第一时间锁定异常原因，从而导致SPC管控实际效益低。

因此，进行SPC精细化管理：首先提高控制限设置合理性，由原来按照一定比例压缩Spec制定控制限优化为定期依据生产数据计算控制限，以3个月为一个周期，刷取生产数据，清洗数据以剔除异常值，依照控制图类型计算控制限，保证控制限与当前制程能力相匹配。通过查阅SPC手册可知，常用控制图的计算公式见图10所示，公式中的A2，B3，B4，D3和D4为控制限计算的常数，查手册系数表可得。