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第二章TFT显示器的制造工艺流程和工艺环境要求清洗成膜光刻刻蚀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：成膜膜Glass基板PR塗布曝光Mask現像刻蚀剥離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 PanelBLULCD Module连接电路保护板検 査装配绑定 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：CCITO pixel electrodeCross-section C-CSelect lineData lineStorage capacitorCCITO pixel electrodeCross-section C-CSelect lineData lineStorage capacitora-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：CCCross-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：CCSiNa-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：CC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：CC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：CCITO pixel electrodeCross-section C-CSelect lineData lineStorage capacitorCCITO pixel electrodeCross-section C-CSelect lineData lineStorage capacitora-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：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）PECVDPECVD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：成各类膜所使用得化学气体见下表：Feed gasMaterialFunctionSiH4, H2a-SiSemiconductorSiH4, N2, NH3Si3N4Gate insulator, passivationSiH4, N20SiO2Gate insulator, passivationSiH4, PH3, H2n+ a-SiContact layer at source and drain典型的PECVD设备如下图：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：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：Spin coating Slit (extrusion) coatingB) 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：Wet etching vs. dry etching (RIE)Glass substratePhotoresistO2containing etching gasEtched layerGlass substratePhotoresistEtched layerGlass substrateEtched layerGlass substratePhotoresistO2containing etching gasEtched layerGlass substratePhotoresistEtched layerGlass substratePhotoresistEtched 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12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 Short1Short2Open1Open27、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：TEG8、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：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。四、贴偏光片LCD是通过偏振光来工作的，偏光片的贴附是必须的工艺制程。其工作原理图如下：偏光板基板基板偏光片的贴附过程中，静电防护非常重要。其他辅助工艺制程包括：贴片前清洗，贴片后消泡，偏光片返工，贴片后电测等。第三节 模块段流程模块的主要工艺制程包括：COG、FPC邦定，装配等。以下逐一介绍。1、COG、FPC邦定COG（Chip on Glass）和 FPC （Flexible Printed Circuit）是一种电路的连接方式。由于电极多，一对一的排线连接很困难。现在通常的做法是将玻璃上的引线作成阵列，IC/FPC上的引线也作成对应阵列，通过一种各向异性导电膜（ACF）将IC/FPC上的电极与玻璃上的电极一对一连接导通。玻璃上的引线电极阵列示意图如下：邦定后IC/FPC、屏、及ACF的相对位置如下图：对自动化生产线而言，COG邦定与FPC邦定一般连成一条线。其设备的布局示意图如下：2、组装组装是将背光源、屏、控制电路板、及触摸屏等部件组合在一起，形成一个完整的显示模块。组装一般是由手工来完成的，熟练的技术工人在这里非常重要。见下图： 模块段除去以上主要工艺制程外，还有一些辅助的工艺制程，如：激光切线，切线后电测，邦定后电测，组装后电测，切线后显微镜检查，绑定后显微镜检查或自动光学检查，IC邦定后剪切力剥离测试，FPC邦定后拉力剥离测试，组装后加电老化，包装出货等。以上两节提到Cell和Module段的工艺制程可以归纳为以下工艺流程图： . . . .