TFT器件過孔腐蝕機理研究及改善

董康旭，孟盼盼，陳 甫，邢寶寶

(合肥京東方光電科技有限公司，安徽 合肥 230012)

薄膜晶體管顯示器件在生活中隨處可見，廣泛應用于電視、手機、工控、醫療、車載、白電等行業。不同的領域有著不同的顯示要求，如電視和手機追求分辨率和色彩飽和度，而車載顯示要求能夠適應寒冷和酷熱的環境等等，因此薄膜晶體管（TFT）器件需滿足不同環境下的可靠性要求。目前TFT過孔的腐蝕，是半導體顯示器件失效的典型現象之一。由于其成因比較復雜，潛伏周期長，檢測手段不完善，所以TFT過孔腐蝕失效一直是行業的難題之一。

腐蝕是一個多學科交叉問題，腐蝕問題的研究需要多學科知識的交叉融合，包括電化學、熱動力學、力學、材料學等。腐蝕過程一般涉及到金屬表面的電化學反應、金屬材料內外物質的傳輸擴散、實際服役狀態下結構所受的動靜態載荷等[1]。目前關于腐蝕的研究，主要集中于工業生產中金屬的腐蝕防護，而對于TFT器件過孔腐蝕的研究較少。本文從電化學角度出發，通過原電池腐蝕反應模型的模擬，研究了過孔腐蝕機理，并提出改善的方向和詳細措施。

圖1 TFT 6Mask工藝流程

表1 不同放置時間下腐蝕結果

1 腐蝕實驗

為了詳細研究TFT器件過孔腐蝕現象，進行了過孔腐蝕實驗。

TFT基板使用通用的6mask制作工藝，借用合肥京東方G6世代線設備進行TFT器件制作，測試玻璃基板尺寸為1500mm×1850mm，金屬線（Gate/SD）使用Al/Mo結構，顯示透明電極使用氧化銦錫（ITO）。如圖1所示，在玻璃基板上依次形成柵極圖案，開關圖案，透明電極ITO圖案，SD信號線圖案，接觸過孔圖案，公共透明電極圖案。

完成TFT基板制程后，為了排除后續工藝帶來的影響，不進行后端Cell對盒工藝。使用Cutting切割設備切割成固定的Panel（6inch），然后在金屬裸露區域均勻涂布定量的人工汗液（Na、Cl等元素）。

為了加速腐蝕的進行，在整張玻璃基板上，均勻選取不同位置的10個Panel，放置在極限8585存儲條件（溫度85℃、濕度85°）進行腐蝕驗證。于0h，12h，24h，48h，72h后分別觀察現象，結果如表1所示，過孔在12h后開始出現腐蝕現象，并且隨著時間延長腐蝕的數量和程度加劇。

使用去離子水對72h后腐蝕的樣品表面進行了清洗，然后使用聚焦離子束分析FIB（Helios 600）進行微觀觀察，結果如圖2所示，過孔處下層金屬發生嚴重的腐蝕，成分分析含有Na、Cl等元素。

圖2 過孔腐蝕FIB結果

圖3 原電池反應模型

2 機理分析

TFT器件過孔的腐蝕是一個很復雜的化學反應，加上TFT器件制程工藝復雜，影響因子也非常復雜。為了更清楚的描述這個復雜的反應，有利于我們尋找改善的關鍵因子，我們引入一個原電池腐蝕模型來解釋過孔腐蝕的機理。在這個模型中，我們將過孔整體看做一個原電池構造，上下兩層接觸的金屬看做原電池的陽極和陰極，金屬間殘留的溶液看做電解質。如圖3所示。在原電池腐蝕的模型中，要發生腐蝕，需要三個必備的構成條件。首先有兩種活潑性不同的電極材料，一般而言，較為活潑的材料為負極，也是最容易溶解腐蝕；二是，存在電解質溶液，一方面傳導電子形成閉合回路，另一方面與電極發生反應；最后，要能夠形成閉合的回路，即兩個電極要能夠接觸一起，保持電路回路的完整性，從而形成一個完整的原電池結構。

這里需要詳細說明下原電池腐蝕常見的兩種模式，分為吸氧和析氫兩種模式。兩種模式主要區別在電解質溶液的差異，析氫模式電解質一般能夠存在H+。我們分析的TFT器件過孔腐蝕的現象，屬于吸氧腐蝕的模型[2]。整個過孔我們可以看做一個原電池模型，金屬活性相對較大的Al作為陰極（為了簡化模型，Mo和Al作為一個整體進行分析，因為Al活性較大，所以用Al來進行分析），活性較小的氧化銦錫ITO，作為陽極。

人工汗液（模擬復雜的外界環境，內部還有大量的Na、Cl、Br等元素）會通過ITO的晶?？p隙滲入到兩層金屬的交界面，這種情形下，就形成原電池效應。在陽極和陰極的交界區域發生了電子的遷移。

陽極ITO區域發生的電極反應：

作為陰極的Al最先失去電子，并持續發生化學反應，逐漸失去金屬的性能。與腐蝕實驗現象相符，金屬宏觀上出現黑色的腐蝕現象，即Al金屬已經發生了化學變化。

整個腐蝕化學反應過程中，人工汗液屬于外界電解質誘導因素，加上Al、ITO一起形成了原電池結構。因為電解質溶液是中性溶液，所以需要從空氣中吸取氧氣作為氧化劑。這也解釋了為什么高溫高濕的環境下，更容易發生過孔的腐蝕現象。另外，作為陰極的ITO并不是一直不會發生腐蝕，只是由于電位差的原因，陰極失去電子的速率相對很慢，但是只要時間足夠長，也會失去電子發生腐蝕，最終失去金屬性能[3]。

3 改善方向

我們研究了TFT器件過孔發生腐蝕的機理。根據原電池腐蝕的特點，我們可以通過減緩原電池腐蝕反應的發生，來提高過孔的抗腐蝕性能。金屬活性不同的電極、電解質溶液和形成回路是形成原電池腐蝕的必然三要素。由于TFT器件過孔的功能，是通過兩層金屬的搭接起到傳輸信號的作用，所以必須形成回路，所以進行兩層金屬之間的絕緣方式改善腐蝕失去意義。我們重點進行從電極活性和電解質溶液兩個方面進行研究改善。

3.1 減小接觸金屬的電位差

在制造工藝中，通常需要用到不同金屬或合金的組合，例如鋼結構與銅鉚釘之間，各種金屬密封和基體之間，泵殼與軸承之間等都會由于材料的電位存在差異而導致腐蝕。因此，在設計和施工中，首先要盡量避免不同材料相接觸，若不可避免，則應盡量選擇在電偶序列中同組或位置相近的合金和金屬。不同金屬相接觸時，金屬間的電差越小組合越好[4]。部分金屬電極的電位數據如表2。

表2 部分金屬電極電位表

TFT器件常用的信號線金屬是Al、Mo、Cu以及Mo&Nd合金等，作為顯示區域目前通常使用摻Sn的In2O3的氧化銦錫合金（ITO），其具有優異透過率和導電性能。TFT器件制作工藝中，需要利用過孔把信號線和顯示像素的ITO連接一起，從而達到傳送信號的目的。從金屬電位差的角度考慮，最好的設計方案是，沒有非金屬膜保護的過孔，使用兩種相同材料（ITO）進行搭接。如圖4所示，有被絕緣層保護的過孔，由于隔絕了外界雜質污染，可以進行金屬和ITO的搭接，通過增加ITO的方式把信號從Al金屬信號線傳輸到顯示像素ITO，避免了金屬Al和ITO直接接觸暴露再空氣中。

除了選擇電位差較小的金屬外，也可以考慮通過對金屬表面的鈍化處理，減少電勢差以及提高耐腐蝕性。比如Al表面的鈍化處理，在進行過孔刻蝕中，使用O2對Al進行處理，使其形成一層致密的Al2O3，Al2O3和Al比較電位差要小些，并且由于氧化Al的致密性能夠保護下層的Al不被電解質侵蝕。

另外，也可以考慮使用耐腐蝕性強的合金，比如MTD合金（摻Ti合金）具有很強的耐腐蝕性，但是條件惡劣情況下上層的ITO也會輕微腐蝕，如圖5所示，樣品為Al金屬表面增加MTD材料。

3.2 過孔的優化

TFT器件在制造和使用過程中，會接觸到很多類似電解質的溶液。過孔優化主要的目的是減少電解質溶液的積累和殘留，從而提高抗腐蝕能力[4]。過孔優化的方向，主要有兩個方面，降低過孔的深度和減緩過孔的坡度角，盡量保證金屬接觸面內的平整度，減少死角凹槽的出現，有利用電解質更好的揮發去除。如下圖6所示，過孔的深度越大，坡度角越陡，可能存儲的電解液雜質越多。過孔的深度主要取決于非金屬膜層的厚度，和產品的電容特性緊密相關，產品設計的厚度通常在2500A～10000A左右。在設計過程中，可以通過孔套孔的方式，減少多層膜層累積一起刻蝕的情況[5]。

圖4 過孔設計方式優化

圖6 不同形貌過孔示意圖

圖7 不同樣品光刻膠坡度角與過孔坡度角關系

圖8 坡度角與腔體環境關系圖

圖9 過孔缺陷微觀圖

過孔坡度角優化方法有很多種，許多學者對其進行了廣泛的研究。本文只提供改善的方向和措施，具體的機理不做詳細的說明。主要從以下三個方面進行改善。

（1）光刻膠坡度角優化：過孔的坡度角和光刻膠的坡度角大小成正比。光刻膠顯影后坡度角越小，刻蝕后非金屬膜層的坡度角就越小，如圖7所示。

（2）刻蝕參數的優化：大世代線（6G以上）干法刻蝕設備ECCP模式，通常會使用兩個射頻電源RF，Source主要作用是負責等離子體的解離，值越大等離子體的密度越大，傾向于發生化學反應。Bias主要作用是加速等離子體的縱向碰撞能力，值越大縱向刻蝕能力越強，有利于原子撞擊，傾向于物理刻蝕。所以通過不同Power的配比可以實現我們需要的坡度角。通常坡度角調整還需配合反應腔體的壓力和氣體比例同步進行，壓力越大，有利于等離子體濃度的提升，有利于化學反應的刻蝕，F離子的濃度越高，化學反應越激烈[6]，如圖8所示。

（3）非金屬膜層的致密度：如果需要形成很好的坡度角，膜層的質量起至關重要的作用。理想的情況是按照從上到下的順序，膜層的刻蝕率依次下降，這樣有利用坡度角的形成[7]。

3.3 金屬接觸面的改善

同樣，金屬界面也是影響腐蝕的重要因素。工業上，由于金屬與金屬或非金屬之間易形成極小的縫隙(15μm～25μm)，其寬度足以使外界介質進入并停滯于縫隙內，進而加速縫隙內的金屬腐蝕，這種腐蝕又叫縫隙腐蝕[8]。預防與減輕縫隙腐蝕對于改善TFT器件過孔腐蝕具有重要的參考意義。TFT器件內的界面缺陷越少，兩層金屬的結合度越好，則外界電解質可存在的空間越少，停留的時間越短，耐腐蝕性能越好。

TFT基板制造過程中存在各種雜質液體，如堿性液體剝離液等，當兩層金屬的界面存在缺陷時，缺陷處容易殘留制程中電解質，難以清洗去除。金屬、ITO和電解質構成了發生電化學腐蝕的基本要素，在TFT器件加電的情況下，加速了腐蝕的進行[8]。除了制程過程中，TFT器件在運輸使用過程中，過孔更容易積累外界電解質雜質，而缺陷位置的離子濃度相對更高，電勢差過大，因此最先開始發生電化學反應。所以通常我們看到過孔腐蝕往往先從一個點開始，隨時間延長慢慢的擴大到整個孔的范圍。如圖9所示。

過孔是通過Via刻蝕工藝后形成的，等離子體對金屬存在一定程度的損傷，所以確保等離子刻蝕較高的選擇比，是改善界面的關鍵。

表3 不同O/E量金屬Mo表面狀況

目前有很關于多界面改善的研究，集中在射頻電源RF功率、氣體流量比例、壓力以及過刻的程度等方面。壓力越高，反應氣體排出反應腔室的速度越慢，腔體的等離子體濃度越大，氟活性基團的流速越慢，使得氟活性基團在腔室的分布更不均一，均一度變得較差。

偏置功率和源極功率的原理在過孔坡度角改善中已經介紹過了，偏置射頻功率增加，物理轟擊增加均一性相對會變好，源極功率增大，化學反應能力增加均一度會變差。在相同的功率和壓強下，保持氣體流量總量不變，O2的含量越來越高，對F離子起到了稀釋的作用，使氟活性基分布更為均勻，從而提高刻蝕均一性。這些影響因素不是孤立存在的，往往存在交互作用，具體的工藝選擇時，需要考慮交互作用的影響。

另外為了保證過孔的非金屬膜層沒有殘留，以及控制刻蝕后的坡度角，通常會進行一定量的過刻。使用金屬Mo作為襯底，分別對其進行了不同的過刻（O/E）并通過掃描電子顯微鏡觀察Mo表面狀態，實驗結果如表3所示。從表3中可以看出，隨著O/E的增加，金屬受到Attack會變得嚴重，表面缺陷逐漸增大，當達到100%的時候，Mo的表面很明顯已經出現孔洞的現象。因此需選擇合適的O/E，通常經驗在30%～50%之間較為合適。

3.4 提高防護作用，減少外界雜質影響

不考慮制程工藝中電解質殘留影響，TFT器件的過孔理想中兩層金屬中間是沒有電解質的影響。但是當ITO的致密性比較弱的時候，外界的水汽雜質很容易通過ITO進入到金屬的界面[9]，從而發生原電池腐蝕反應。這個也解釋了很多產品在制程完成后檢測沒有問題，在長時間存儲和使用后，尤其是在惡劣的條件下，會加速發生腐蝕進而使功能失效。

所以TFT器件制程中，ITO的防護作用非常重要。ITO材料本身的致密度、晶化程度及厚度都是影響其防護性的重要影響因素。提高ITO的防護作用，可以從幾個方面進行：

（1）ITO成膜的功率，較低的成膜功率，形成膜層的致密度相對會比較好，反過來，高的功率雖然成膜速率快，同時缺陷相對也較多。

（2）通常為了節約刻蝕的成本，ITO通常使用非晶的結構，需要在刻蝕后增加Anneal高溫工藝，使其晶體化，增加其致密性。

（3）ITO的厚度在工藝允許的范圍內可以適當增厚，也對防護水汽雜質有積極作用[10]。

（4）ITO表面使用的TOP涂層保護，這種涂層是一種非常致密的材料，主要由二氧化硅和二氧化鈦兩種成份組成，這兩種物質化學性質穩定，硬度高，用來保護ITO外電極，防止電極異物腐蝕。

除了膜層本身的防護作用外，TFT器件工藝制程中，涉及電解質的工序，也需要控制好液體的殘留，確保最大限度的去除。同時半制成品運輸存儲過程中，盡可能是隔絕空氣進行真空封存。

4 總結

TFT過孔的腐蝕周期很長，其中的化學反應過程相當復雜，存在很多交互作用的影響因素。為了更切實際對工廠的指導意義，本文所從原電池腐蝕模型很好的解釋了過孔腐蝕的機理，并結合生產的現場實際，從材料的選擇、過孔的形貌、金屬間界面及表面防護四個方面提供了解決方向和對策。

由于工廠初期設備限制或者成本原因考慮，部分措施可能在改善過程中受到限制。因此，還需要結合各工廠的實際情況，選擇合適的改善對策，提高TFT過孔的抗腐蝕防護能力。