TFT-LCD 顯示原理 製程技術與設備 吳玉祥
博士
[email protected] 光機電奈米量測系統科技整合研討會
1
大 綱 • 平面顯示器(FPD) 的分類 • 薄膜電晶體液晶平面顯示器(TFT-LCD)簡介 • TFT-LCD的顯示原理 • TFT-LCD製造流程 • TFT-LCD Array 段製程與設備 • TFT-LCD Cell 段製程與設備 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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兩兆雙星產值預估 兩兆雙星產值預估表 產
兩 兆 雙 星
單位：新台幣億元
業
91年產值
半導體產業
6,529
8,188
10,783
15,912
影像顯示產業
3,006
4,162
6,620
13,700
數位內容產業
1,537
1,892
2,268
3,700
生物技術產業
1,109
1,316
1,448
2,500
12,181
15,558
21,119
35,812
合計
92年產值
93年預計產值 96年預計產值
資料來源：經濟部工業局 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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平面顯示器(FPD) 的分類 (1) 穿透式： 1. 自發光型：(a) 陰極射線映像管 (CRT) (b) 電漿面板平面顯示器 (PDP) (c) 場發射平面顯示器 (FED) (d) 電激發光平面顯示器 (EL) ： a. 有機： -- 有機電激發光平面顯示器 (OLED) -- 高分子電激發光平面顯示器 (PLED) b. 無機 (e) 發光二極體 (LED) 2. 非自發光型：液晶平面顯示器(LCD) (a) 被動矩陣式： -- 扭曲向列液晶 (TN) -- 超扭曲向列液晶 (STN) (b) 主動矩陣式：-- 非晶矽薄膜電晶體 (a-Si TFT-LCD) -- 低溫多晶矽薄膜電晶體 (LTPS) -- 高溫多晶矽薄膜電晶體 (HTPS) (2) 反射式：單晶矽反射式液晶投影機 (LCOS，Liquid Crystal on Silicon) (3) 投影式：液晶投影機(LCD projector)、數位光源處理技術投影機(DLP) 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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薄膜電晶體液晶平面顯示器 (Thin Film Transistor - Liquid Crystal Display, TFT-LCD) 玻璃基板
Cell Driving 液晶注入 Polarizer 上偏光板 Glass
彩色濾光片
TFT
LC Liquid Crystal 液晶
Glass
- - - - White (TFT Off) 光機電奈米量測系統科技整合研討會
Black (TFT On) 5
TN / STN / TFT
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被動矩陣式(PM-LCD) 與主動矩陣式(AM-LCD) • 被動矩陣式(Passive Matrix) PM-LCD : TN/STN 適合中低解析度, 低單價產品
• 主動矩陣式(Active Matrix) AM-LCD : 以TFT作為畫素(Pixel)開關 適合高解析度 (LC採TN模式)
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TFT-LCD 玻璃基板尺寸演進
5代廠 4代廠 3.5代廠 3代廠
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我國平面顯示器的產業結構 上游材料
台灣康寧 中晶光電 旭硝子發殷 碧悠、正達 台灣板保
劍度 錸德 勝華 默克光電
台灣凸版 展茂、劍度 和鑫、昌益 奇美、勝華 世界顛峰
協臻、力特 日東電工 汎納克 台灣 住友化學 默克
輔祥、瑞儀 先益、大億 元津、福華 盛美、寰宇 中強光電等 二十餘家
聯電 茂矽 華邦 聯詠 致新科技
玻璃基板 驅動 IC IC ITO玻璃 彩色濾光片 液晶 背光模組 背光模組 驅動 玻璃基板 ITO玻璃 彩色濾光片 偏光膜 偏光膜 液晶 中游面板
PDP
OLED
STN LCD
TN LCD
華映、勝華、 南亞、
台塑、華映 錸寶、勝園 勝華、光聯 光聯、碧悠、國喬、 友達 東元激光 碧悠、美相 凌巨、高雄日立、台 灣愛普生等
下游應用
模組廠商 模組廠商
影視產品 攜帶電視 VCD Player 投影機
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消費產品 家電產品 手錶 計算機
資訊產品 筆記型電腦 LCD Monitor 數位相機 PDA
TFT LCD
其他
友達、奇美、華映 瀚宇、廣輝、統寶 元太
達威、久正、所羅門、夏普電子 泉毅、晶采、眾福、上靖 全台晶像..等十多家
通信產品 行動電話 汽車導航 呼叫器 視訊電話
儀表產品 工業儀表 醫療儀表 飛行儀表
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a-Si TFT-LCD液晶電視面板 (2) • 三星電子在德國漢諾威的CeBIT 2003大會上展示了 業內首款57吋TFT-LCD顯示器
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TFT-LCD的面板構造 (1) (白光背光源) (偏光板) (TFT玻璃板) (彩色濾光片) (偏光板)
(液晶) 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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TFT-LCD的面板構造 (2) 玻璃基板
黑色矩陣
TFT元件) 上偏光片 ( TFT元件 ( 上偏光板)
( 黑色矩陣 ) 彩色濾光片 ( 彩色濾光片) 保護膜 ( ( 共通電極, 上電極, ITO ( 配向膜 液晶 ( (液晶電容
框膠 ( 框膠) 異方性導電膜, ACF ( 異方性導電膜 )
捲帶自動接合 ) (捲帶自動接合
控制IC
( 下電極, ITO (下偏光片
) 印刷電路板
驅動IC ( 驅動IC)
( 背光源 擴散片 ( 擴散片 )
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(間隔劑 間隔劑)
導光板
反射片) ( 反射片 增亮膜 (菱鏡片) 12
TFT-LCD的面板構造 (3) 偏光板 玻璃基板 彩色濾光片 ITO電極 配向膜 TFT
ITO電極
彩色濾光片 基板
液晶 配向膜 TFT元件 玻璃基板 偏光板
TFT基板
背光模組
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偏光的作用(1) •
我們平常所看到的光，為往各方向振動的波之混合。也即是往360°各種方 向振動的光到達我們的眼睛。
•
能夠只取出往某一方向振動的光的裝置，稱之為「偏光板」。即是通過偏 光板之「偏光」為只往某一方向振動之光。
•
偏光板對於光的振動方向有限制的作用。
偏光板
光
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偏光
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偏光的作用(2) •
如果在上下裝置有偏光板，分別令其 對於光的振動方向加以限制而互成直 角時，如此一來所入射的光會無法通 過。相反地，如果所限制的方向上下 都為相同時，則光線能夠通過。光線 不能通過則呈現黑色，光線能通過則 呈現白色。此二片偏光板為液晶顯示 裝置中的基本構 造裝置。
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TN 型液晶的顯示原理(1) Off
光透過(白)
On b
光不透過(黑)
b 偏光板
偏光板
配向膜
配向膜
a 偏光板 從背光所投射之光 扭曲的液晶分子具有偏光性， 可做90°扭轉之偏光 光機電奈米量測系統科技整合研討會
a 偏光板 從背光所投射之光 液晶為全直立，不具有偏光性 16
TN型液晶的顯示原理(2) 平常白(亮) (Normally White)
偏光板(一)
Y
液晶
偏光板(二) Z
X
亮
光行進方向
* 不施加電場，液晶 Twist ， 光線沿液晶光軸偏轉
偏光板(一)
液晶
偏光板(二)
Y Z X
光行進方向
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暗 * 施加電場，液晶 Tilt ， 光線直進不偏轉 17
TN型液晶的顯示原理(3) •
對於光線行進方向會加以改變的性質稱為「偏光性」。亦即 Twisted Nemattic (TN) 液晶，將液晶分子之排列方向扭曲後，具有偏光的特性。
•
一般的液晶顯示裝置大部分為於上方置有稱為「背光(Back Light)」之光源，利 用其所透的光線做為顯示，液晶本身並沒有發光的能力。
•
在沒有外加電壓的情況下，光線可以透過，也即是畫面呈現白色的情況，稱之 為平常白(Normally White)。一般的液晶顯示裝置為平常白。如果將上下之偏光 板的振動方向採用相同的，則會成為平常黑 (Normally Black)。
•
在Normally White 的狀態下，如果於上下加入電壓，則液晶分子的扭曲方向會 被解除，對於上下偏光板而言，液晶分子成為直立狀，將會失去其偏光性。但是 光線並無法通過偏光板，所以會呈現黑色的無光狀態。
•
Normally White 的顯示裝置為電壓加在液晶上時，會呈現黑色，可以利用此做為 文字或圖形之顯示。如果所加入的電壓稍小些，則會呈現白與黑的中間調，也即 是可以呈現任意濃度的灰色。 TN-LCD具有兩個重大缺點，那就是無法呈現黑、 白灰等色以外之彩色調，以及當液晶顯示器越做越大時其對比會越來越差，使得 各種新的技術陸續出現。
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STN型液晶的顯示原理(1) • 電壓關閉狀態 (Off ) ：光透過 STN-LCD的出現是為了改善TN-LCD對比不佳 的問題，最大差別點在於液晶分子扭轉角度不 同以及在玻璃基板的配合層有預傾角度，其液 晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是180 度至270度的3D螺旋狀。但是 STN-LCD雖然改 善了TN-LCD的對比問題，其顏色的表現依然 無法獲得較好的解決，STN-LCD的顏色除了 黑、白兩個色調外，就只有橘色和黃綠色等少 數顏色，對於色彩的表達仍然無法達到全彩的 平常白(亮) (Normally White) 光機電奈米量測系統科技整合研討會
要求，因此仍然不是一個完善的解決方式。 19
STN型液晶的顯示原理(2) • 電壓開啟狀態 (On ) ：光不透過
平常白(亮) (Normally White) 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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ITO ( Indium Tin Oxide ) (銦錫氧化物 - ITO導電玻璃 ) •
在二片玻璃基板之間夾入液晶，為了使光線能夠通過此一液晶或不通過，為了 驅動液晶，必須於其上下加入電壓。此可以在玻璃基板上加入電極。一般的電 極為金屬電極，無法通過光線。而液晶獨特的電極為透明電極，使用光可以通 過的物質做為電極。此一電極稱之為「ITO」，為利用銦(Indium)，與一些可以 使電阻下降的少量錫 (Tin) 。
•
將電壓加在液晶上下的透明電極，可以使全體成為全黑，或者加入中間值電 壓，而成為中間調之灰色。如果將電壓切除，則全體成為全白。在此一情況 下，並不能用來做為情報的顯示之用。所以還必須做出可以顯示文字等情報的 構造。例如在上方的玻璃基板，只加上橫方向的條狀電極，而在下方的玻璃基 板上只加上縱方向的條狀電極。如此可以在任意位置的縱方向電極與橫方向電 極的交差點上加入電壓，使該交差點成為黑色，做為顯示之用。此稱之為「矩 陣 (Matrix) 驅動」或「行列驅動」方式。
•
使用此種矩陣驅動方式，必須在玻璃基板的表面上做出條狀的薄膜電極，因 此選擇加工性較為容易的 ITO。
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TFT-LCD Array面板訊號傳輸說明 S1
S2
Sn-1 Sn
S3
Source Driver IC (Data Driver IC) 源極驅動IC (數據驅動IC)
G1 ITO G2 G3
TFT Source 線
CLC
Gate 線 液晶電容 儲存電容 Gm-1 Gm
com Gate Driver IC (Scan Driver IC) 閘極驅動IC (掃描驅動IC) 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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驅動IC (Drive IC) • 驅動 IC主要功能： 在於控制面板上的每個畫素電極導通與否，使得PC(或TV)影像訊 號能 正確顯示在LCD面板上的位置。也就是說，TFT LCD每個像素(Pixel)都 有一個相對應的電晶體來控制，而驅動IC的作用就是接收外界的指令， 決定施加何種程度的電壓到每一個像素相對應的電晶體，藉以控制液晶 分子的扭轉程度。
• 驅動 IC的種類： (1) 列於Y軸的閘極驅動IC (Gate IC或稱Scan IC , Row IC) ： 決定影像顯示的位置，通知橫向每一列的像素要輸入資料。 (2) 列於X軸的源極驅動IC (Source IC或稱Data IC , Column IC)： 安排資料的輸入，負責將影像資料傳送至液晶面板，具備顯像功能。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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驅動IC使用顆粒數 (1) •
每片LCD驅動IC使用顆粒數： 與面板解析度及驅動IC腳位數有關，目前驅動IC的腳位數主流為Gate IC是256、 Source IC是384，如以現市場主流15吋XGA (1024*768) 面板為例，則需要3 顆Gate IC及8 顆Source IC，Y 軸的768 條掃瞄線由256 腳位數的Gate IC負責通知，因此需 要3顆Gate IC(768/256=3)，而X軸的1024條掃瞄線，則因每個像素上有RGB三個子 像素，因此需要 8 顆384 腳位數的Source IC(1024*3/384=8)，同理，更高解析度則需 要之驅動IC 顆粒數更多或若不增加顆粒數則須增加驅動IC的腳位數。
• 驅動IC電晶體數目不多，並不需要最先進的半導體製程技術，但由於其是類比製 程，要做得好也不容易，需要經驗累積，而在製程技術方面，Gate IC製程困難度主 要在高壓製程，為了要使顯示的對比更加明顯，Gate IC需要輸出夠大的電壓來使液 晶分子扭轉得夠快，電壓高達40V，而高電壓製程晶片容易脆裂，且一般電晶體如 果電壓高到40V較容易發生短路現象，因此製程需 調整，加厚閘極與隔離層的厚 度，至於在Source IC方面，其特性為高頻且牽涉類比數位混合製程，電路設計相當 複雜，困難度較高，電壓需求反而比Gate IC稍低，為10V~15V。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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驅動IC使用顆粒數 (2) • 假設為1024*768畫素，其實是由紅(R)、綠(G)、藍(B) 的三個畫素構成 一個畫素。由 此可以形成任意顏色之畫素，為了有別一般統稱之畫素，此R、G、B之個別畫素稱 為副(sub)畫素。每一個副畫素都是要靠閘極驅動器與源極驅動器來驅動的。 flexible
電路板 Source PWB
Control PWB
Source 信號
間隔 橡膠
Gate PWB
Gate 信號
ASIC
面板 Connecter
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液 晶 注 入 口 封 口 處
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TFT薄膜電晶體結構與位置
TFT
Pixel Array SOURCE
Pixel
GATE DRAIN
a-si Insulator Glass 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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單一畫素結構 TFT
A
S
D
A A’
畫素電極
A
A’
G
儲存電容(Cs)
B B
B’
B’ 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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Array 面板示意圖 S1
S2
S3
Sn-2 Sn-1 Sn
Data Driver (數據驅動IC)
G1 G2 G3
Gm-2 Gm-1 Gm Scan Driver 掃描驅動IC 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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3-5 TFT元件之作用(1) TFT元件
液晶電容
(CLC) 加入電壓
保持電容
(Cs)
(1) 因TFT元件的動作類似一個開關(Switch)，液晶元件的作用類似一 個電容，藉Switch 的On / Off 對電容儲存的電壓值進行更新/保持。 (2) SW On 時信號寫入(加入、記錄)在液晶電容上，在以外時間 SW Off，可防止信號從液晶電容洩漏。 (3) 在必要時可將保持電容與液晶電容並聯，以改善其保持特性。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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TFT元件之作用(2) 掃描線 信號線
G S
D 液晶電容
RON ROFF
(CLC)
保持電容
(Cs)
(1) 上圖為TFT一個畫素的等效電路圖，掃描線連接同一列所有TFT閘 極電極，而信號線連接同一行所有TFT源極電極。 (2) 當On 時信號線的資料寫入液晶電容，此時，TFT元件成低阻抗 (ROn)，當Off 時TFT元件成高阻抗(ROff)，可防止信號線資料的洩漏。 (3) 一般ROff 與ROn 電阻比至少約為105以上。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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TFT元件之作用(3)
D
S D
S
D
G
S
G
G (1) TFT 為一三端子元件。 (2) 在 LCD 的應用上可將其視為一開關。 (3) 為何要採 Inverted Staggered 之結構？ ** 閘極 (Gate) 在TFT 的下方部位，稱為 ”逆疊積型 (Inverted Stagger) “。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
31
TFT元件的運作原理(1) • 在主動矩陣式 LCD中，每個畫素具有一 TFT，其閘極(Gate) 連接至水平 向的掃瞄線，源極(Source)連接至垂直向的資料線，而汲極 (Drain)連接至 液晶電極。 • 顯示器同時間一次起動一條水平掃瞄線，以將 TFT 打開，而垂直資料線 送入對應的視訊信號，對液晶電極充電至適當的電壓。 • 接著關閉 TFT ，直到下次重新寫入信號前，使得電荷保存在電容上，同 時起動次一條水平掃瞄線，送入對應的視訊信號。 • 依序將整個畫面的視訊資料寫入，再至第一條重新寫入信號，一般此重 覆的頻率為 60~70Hz。 • 對每個畫素而言，液晶上所跨的電壓和穿透度具有一定的關係，而且是 完全相同的，因此只要能控制所寫入的電壓，即可顯示想要的畫面。
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TFT元件的運作原理(2) (1) Vgs>Vth：訊號讀取
VSD D
VGS > Vth G
D
S
D
S G
S
D
S CLC G
com
G TFT元件在閘極(G)給予適當電壓 (VGS > 起始電壓Vth 【註】) 使通道(a-Si) 感應出載子(電子)，而使得源極(S) 汲極(D)導通。 【註】：Vth 為感應出載子所需最小電壓 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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TFT元件的運作原理(3) (2) Vgs
VSD D
S
VGS〈Vth G
D
S G
S
D
D
S CLC G
com
G (1) TFT元件在閘極(G)給予適當電壓。當VGS小於起始電壓時沒有感 應出載子，則通道成斷路。 (2) 故TFT元件可看成開關，當VGS>Vth 則On，當VGS
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TFT元件的運作原理(4) Ids
線性區
S
D
飽和區 Vgd
G (1) Vgs
Vth：形成感應通道 Ids=1/2unCox(W/L)[(Vgs-Vth)Vds-Vds
影響Ids之重要參數： (1) Vth 2]
(3) Vgs>Vth & Vgd
VDS
(2)
un：Mobility
(3) Cox：Gate到Channel的電容 (4) W (Width) / L (Length)
2 nCox(W/L)(Vgs-Vth)
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非晶矽與多晶矽電子遷移率比較 非晶矽
多晶矽
非晶矽 光機電奈米量測系統科技整合研討會
多晶矽 36
a-Si TFT之 Id - Vg 特性曲線 • a-Si TFT (非晶矽) (1) 300C 低溫製程。 (2) 電子遷移率 = 0.1~1cm2/V.s 。 (3) 較低之Id 電流。 • Poly-Si TFT(多晶矽) (1) 400~600C 製程。 (2) 電子遷移率 = 50~200cm2/V.s 。 (3) Id-on 大，Id-off 小。 為良好之液晶畫素 開關元件功能。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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Array面板訊號傳輸說明 Source Driver
Gate Driver (1) Gate電壓依序輸入Gate Line，整條TFT依此順序On / Off 。 (2) Source bus line 依Gate 電壓之順序，將對應於各畫素 Data 之Source電壓(Vs) 輸入。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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TFT-LCD製造流程 (1)
前段：
(1) ARRAY
(2) CELL
後段：
面板 背光 機殼 (3) MODULE
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TFT-LCD製造流程 (2)
TFT Array工程 Cell工程
模組工程
配向處理
Polarizer
Panel貼合組立
FPC
液晶注入
Backlight
Color Filter工程
Thin Film Photolithography Etching
Black Matrix R,G,B ITO Bezel (金屬板保護殼)
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薄膜液晶顯示器(TFT-LCD)Array 段製程 (滾輪塗佈法)
(濕蝕刻法)
(鏡面投影式)
(沐浴式顯影法)
(強鹼性濕式剝膜)
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TFT-LCD各光罩相關流程
步驟一
洗淨
步驟二
成膜
步驟三
微影 (寫真)
步驟四
蝕刻
步驟五
剝膜 (光阻去除)
一道光罩製程
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步驟一: 洗淨(Clean) • 洗淨的目的 : 處理單元
目
的
特
徵
紫外線洗淨 (Ultra-Violet, UV)
有機物除去
產生臭氧離子進行去除作用。
沐浴洗淨 (Shower)
潤濕，初步清洗
一般潤濕效果，去除基板表面化學藥液。
大粒子除去
(a) 與基板直接接觸。 (b) 可去除附著性強之粒子。 (c) 受入洗淨裝置中與洗劑合併使用。
毛刷洗淨 (Brush)
旋渦凹陷洗淨 中粒子除去 (Cavitation Jet, CJ)
(a) 可去除剝膜相關殘渣。 (b) 無直接接觸。
超音波洗淨 (Mega-Sonic , MS)
常用於最終洗淨步驟。
微細粒子除去
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步驟二: 成膜 • 物理氣相沉積 (PVD) 蒸鍍 (Evaporation) ， 濺鍍 (Sputtering), …... • 化學氣相沉積 (CVD) APCVD ， LPCVD ， PECVD，HDPCVD • 其它： 電鍍 (Electroplating) 無電解電鍍 (Electroless plating) , ……
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化學氣相沉積(CVD)的反應步驟 • (1) 反應氣體分子由主氣流 (Main Stream) 帶至反應區域 (基板) 附近。 • (2) 反應氣體分子因濃度差而擴散並穿越邊界層 (Boundary Layer)。 • (3) 反應氣體分子到達基板表面。 • (4) 反應氣體分子吸附(Absorption)在基板表面，化學沉積反應發生 ------- 沉積膜及副產物 (By-Products)。 • (5) 副產物及剩餘氣體吸解 (Desorption) 離開基板表面。 • (6) 副產物及剩餘氣體穿越邊界層。 • (7) 副產物及剩餘氣體進入主氣流，並由真空系統抽離。 主氣流 boundary layer
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CVD之分類 • LPCVD : Low Pressure CVD (低壓CVD) pressure < 100 torr，Ex. SiO2、poly-Si、SiNx…
• APCVD : Atmosphere Pressure CVD (常壓CVD) Pressure ~ 760 torr Ex. BPSG、SiO2…
• PECVD : Plasma Enhanced CVD (電漿CVD) Pressure ~ 10-2 - 10-3 torr，Ex. SiO2、SiNx…
• HDP-CVD : High Density Plasma CVD (高密度電漿CVD) Pressure ~ 10-3 - 10-4 torr Ex. SiO2
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PECVD簡介 •
乃是利用電漿內的高能電子，撞擊製程氣體分子，斷裂其化學 鍵，提高活性，在較低的製程溫度下於加熱的基板表面形成化 學反應，而形成所需要的固態沉積。
gas
RF
e-
Plasma e
e-
A
A*
hu
e-
-
+
ePump
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PECVD膜在TFT製程中的功能 (1) a-Si (Amorphous Si) : 為半導體層，當作TFT 開關的通道。
(2) n+ a-Si : 在 a-Si 的成膜條件中加入PH3 ，形成高電子濃度的通 道( P為 5 價 ) ， 作為歐姆接觸 (Ohmic contact)。 (3) SiNx (氮化矽) : 當作絕緣層及保護層(Passivation) ，硬度及 抗水氣佳。
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48
PECVD膜在 TFT-LCD製程中的結構 (6) 保護層 (SiNx) (5) 源極金屬層 (Source)
PECVD
(4) 歐姆接觸層 (n+ a-Si) PECVD
PVD
(5) 汲極金屬層 (Drain)
(7) ITO 層 PVD
GLASS
(3) 半導體層 (a-Si) (非晶矽層)
(1) 閘極 (Gate)
PECVD 光機電奈米量測系統科技整合研討會
PVD
(2) 閘極絕緣層 (SiNx) PECVD 49
PECVD 工程使用之特殊氣體
TLV
氣體名
氣味
燃性 (% in Air)
毒性
SiH4
不快臭
自燃 (1.35)
毒
5 ppm
PH3
腐臭味
自燃 (1.32 ~ )
毒
0.3 ppm
NH3
刺激味
可燃 (15.5 ~ 27)
毒
25 ppm
SF6
無臭
不燃
無毒
1000 ppm
H2
無臭
可燃 (4 ~ 75)
無毒
TLV: Threshold Limit Value 光機電奈米量測系統科技整合研討會
50
Sputter基本原理 •
Sputter基本原理： 利用 Plasma 將 Argon (Ar) 游離成 Ar+ 離子和電子，再以電場加速 Ar+ 離子使其撞擊靶材 (Target)， 經過動量轉換，Target 原子就會 被撞擊出來，沉積在基板上。
•
選擇 Ar 作為撞擊原子的理由： (1) 化性安定，不和 Target 形成化合物。 (2) 質量夠大。 (3) 相對於質量更大的鈍氣元素， 價格較低。
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Sputter 裝置圖 • 反應室構造 : (1) 放置金屬靶的陰電極。
冷卻水
(2) 放置晶片的晶座。
高頻率 電源
閥門
(可以接地) 。
絕緣體
氣瓶
(3) 擋板(Shutter)：
電極
將靶材與晶片隔開， 使濺鍍初期的沈積被
陰極•隔離
靶材 (Target)
電漿
擋在擋板上，待機台 (Plasma) 穩定後才移開擋板。
排氣
擋板 (Shutter) 被加工基板
• 所使用的氣體： 主要有 Ar 與 N2 。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
基板保持器
冷卻水
52
步驟三: 微影(寫真) (Photolithography) • 目 的： 基板各層薄膜 (PVD或CVD) 欲製作之電極圖案，經由光阻塗佈 後，藉 曝光機光源透過光罩，照射至基板上之感光材料，再經 顯影等步驟，使電極圖案轉印至玻璃基板上。
例如：PVD成膜 (Cr、Al )
GE Pattern
GE工程 (Gate電極)
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53
微影製程步驟 曝光
微影製程
成膜 基板
上光阻
光源 光罩
光阻
顯影 (正光阻)
圖案形成
• 被照到光之光阻 會被顯影液顯掉 其他工程 (蝕刻與光阻去除) 光機電奈米量測系統科技整合研討會
54
TFT-LCD Array段的微影製程 製
程
步
驟
目
的
(1) 基板清洗 ( Clean )
去除基板表面污染及微粒。
(2) 熱板烘烤 (Hot Plate)
將基板殘餘的水分烘乾。
(3) 冷板冷卻 (Cooling Plate)
將加熱後基板的溫度降至室溫 ( 23 oC )。
(4) HMDS 塗底 (Priming)
增加基板表面與光阻間之附著力。
(5) 光阻塗佈 (Resist Coating)
將光阻均勻地塗佈在基板上。
(6) 去除基板邊緣光阻(Edge Remover)
將基板邊緣之光阻殘餘物去除，以避免污染。
(7) 軟烤 (Pre-bake)
將光阻中之殘餘溶劑去除，使光阻由液態轉變成固態， 並使得光阻層對基板之附著力增強。和藉著回火技術來 消除殘留應力。
(8) 曝光 (Exposure)
正光阻照到光經顯影後會被洗掉。
(9) 印字露光 (Titler)
將基板 ID 及 Panel ID 印在基板上，以利辨識。
(10) 顯影 (Development)
光阻經曝光後正光阻形成的酸，跟顯影液的鹼性溶液產 生中和反應，再經水洗後，將光罩上之電極圖案顯現在 基板上。
(11) 硬烤 (Hard Bake)
光阻經顯影後必須再經過一次最後的烘烤，以進一步將 光阻內所殘留的溶劑含量，藉著蒸發而降至最低。
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55
步驟四: 蝕刻(Etch) • 蝕刻目的：在已經有光阻圖形之基板上，蝕刻出所需求的圖 形。 光阻(PR)
蝕刻前
薄膜 (Thin Film)
蝕刻後
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濕蝕刻(Wet Etch)簡介 – 利用薄膜與特定溶液間所進行的化學反應，來去除未被光阻 覆蓋的薄膜。 • 優點：製程單純，產量速度快。 • 缺點：等向性蝕刻 (Isotropic Etch)，會產生底切現象(Undercut)。 PR Undercut
Film
Substrate 光機電奈米量測系統科技整合研討會
57
濕蝕刻裝置說明 • 濕蝕刻裝置
Loader
蝕刻槽
輸送帶 (Conveyor)
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水洗槽
乾燥
Unloader
輸送帶 (Conveyor)
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乾蝕刻(Dry Etching)基本原理及應用(1) • Dry Etching應用 工程名稱 SE(Island) BC(Back Channel) CH(Contact Hole) DC(Dc Cut) DC工程
薄膜種類 a-Si a-Si SiNx SiNx
設備別 PE(TEL,PSC) PE(TEL,PSC) RIE(PSC) PE CH工程
BC工程 SE工程 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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乾蝕刻(Dry Etching)基本原理及應用(2)
乾蝕刻
蝕刻非金屬材質( 如 SiNx ， a-Si ， n+ a-Si )
PR
PR
PR SiNx
SiNx
PR SiNx
glass
glass
寫真
乾蝕刻
PR SiNx
PR SiNx
Glass
圖案轉移 光機電奈米量測系統科技整合研討會
光阻剝膜 60
步驟五: 剝膜(光阻去除) • 剝膜(光阻去除)目的： 已經蝕刻出所需求之圖形的基板，將覆蓋於圖形上之 光阻去除以便進行後序工程。
剝膜前
光阻(PR)
剝膜後
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61
剝膜(光阻去除)裝置說明 • 剝膜(光阻去除)裝置：
Wet Conveyor
直水洗
水洗
水洗
Loader Conveyor
高壓
剝膜 2
水洗
剝膜 1
Spray D-sonic
Spin dry Unloader
• 剝離段每一槽末端皆裝有液切裝置 光機電奈米量測系統科技整合研討會
62
TFT-LCD Array製程
Array： 曝光
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Array : 光阻塗佈顯影
Source : 華映公司Web
Array：物理氣相成膜
63
TFT-LCD Array五道光罩製程
光罩 簡稱 英文全名
形成之薄膜
薄膜組成
成膜方式
1
GE
Gate Electrode
閘極電極
Cr
PVD
2
SE
Semiconductor
(a) 閘極絕緣層
(a)SiNx
PECVD
Electrode
(b) 半導體層(非晶矽層) (b)a-Si：H
PECVD
(c) 歐姆接觸層
(c)n+ a-Si：H
PECVD
3
SD
Source & Drain
源極 / 汲極電極
Cr
PVD
4
CH
Contact Hole
保護層
SiNx
PECVD
5
PE
Pixel Electrode
畫素電極
ITO
PVD
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Array 製程 +成膜 Gate蝕刻 nGI成膜 ITO成膜 CH成膜 Gate成膜 SD成膜 a-Si成膜 ITO蝕刻 BCE蝕刻 CH蝕刻 SD蝕刻 SE蝕刻 ITO:1000Å SiNx:3000Å SiNx:1000Å :300ÅÅ Cr:4000Å n+ :4000Å Cr a-Si:1500
1. GE製程 4. 2. 5. CH製程 SE製程 PE製程 3. SD製程
玻璃基板
ITO層:1000Å :1000
半導體層(a-Si):1500Å 歐姆接觸層(n+ a-Si):300Å 閘極(Gate):4000Å Si):300 閘極絕緣層 保護層(SiNx):3000Å (SiNx):3000Å+1000Å 源極金屬層(Source):4000Å (Source):4000 汲極金屬層(Drain):4000Å (Drain):4000
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TFT Array 組成材料 歐姆接觸層 接觸介面 ( n+ a-Si：H)
保護層 (SiNx ) 通道 ( a-Si :Hx) Gate 絕緣層 ( SiNx)
Source電極 (Cr)
Drain電極 (Cr)
Gate 電極 ( Cr)
Glass MASK 1-GE MASK 2-SE
Gate 電極 GI 層(Gate 絕緣層)
Cr SiNx
MASK 2-SE
Channel (通道)
a-Si：H
MASK 2-SE
通道與電極之接觸介面
n+ a-Si：H
MASK 3-SD
Source/Drain 電極
Cr
MASK 4-CH
Contact hole
SiNx
MASK 5-PE
畫素電極
ITO
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TFT-LCD Cell 段工程 電極工程 PEP Eng.
配向 PI Rubbing
框膠印刷
Sealant Printing Mounting&Sealing
滾筒
絨布
配向膜
刮刀
框膠
移動方向
加熱
滾筒 移動方向
玻璃基板 液晶分子 ITO 透明電極
組立封著
加壓治具 膠框
液晶注入
偏光板貼附
Scribing&Breaking
LC Filling
Polarizer Sticking
1
矽膠壓條 施壓位置
偏光板
2
CELL 真空 PUMP
加壓 已切割之缺口
氮氣
加熱爐 加壓
切割裂片 割輪
玻璃基板
網版 玻璃基板
玻璃基板
割輪行進方向
加壓
保護膠膜
液晶
抽真空
面板下降
膠帶導輪
3
4
膠帶
加熱
模組工程 MDL Eng.
壓輪 LCD CELL
玻璃基板 欲斷裂部位
灌入氮氣 液晶灌入面板中
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液晶灌滿後 面板上昇
移動方向
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TFT-LCD Cell 段製造流程(1) (薄膜電晶體基板)
(彩色濾光片基板) Color Filter
TFT Sorting
上下基板對準 貼合組立
DI洗淨 配向膜
配向膜形成 加熱、加壓、 硬化
配向處理
Spacer
框膠塗佈 銀膠
液晶注入
液晶
注入口封止
UV膠
表示機能檢查
間隔劑散佈 共通電極 導通點印刷
液晶面板切割
框膠 偏光片貼附
偏光板
點燈檢查
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68
TFT-LCD Cell 段製造流程 (2) Cell 段的製程步驟
說
明
(1) 清洗
一般玻璃基板的洗淨以純水為主，然後再利用旋轉乾燥和空氣刀將水滴去除；此外，還有各 種的有機性溶劑用於洗淨。
(2) 配向膜形成
使TFT基板和彩色濾光片基板之表面進行配列和配向的重要工程。配向材料主要是以聚醯類 樹酯為最多。
(3) 配向處理
此一工程主要是指Rubbing。必須注意靜電的產生，而吸附微小顆粒使特性劣化。
(4) 框膠銀膠塗佈
將經過配向和Rubbing的TFT或彩色濾光片基板，在其結合前得於基板週邊之封合部份以網 版印刷或分散塗佈法，將環氧樹酯類的框膠塗佈，再進行100℃的烘培處理。
(5) 間隔劑散佈
接合之前，其間隔必需保持於5～7μm，並以塑膠球或玻璃纖維等間隔劑(Spacer)均勻地分 散塗佈，使其之間保持於此一定的距離。
(6) 貼合組立
將TFT基板的電極與彩色濾光片基板的畫素相互地對合，並利用光學的方式將其位置再次地 進行對準動作，最後則進行貼合硬化處理。
(7) 液晶面板切割
進行貼合硬化後的基板，則分別地分割而將其玻璃進行切斷處理，而成為一枚一枚的面板。
(8) 液晶注入和封止
將每枚面板之間隙的空間抽出其所含氣體，而使其呈真空狀態，再將其分別浸於盛有液晶材 料的液晶皿中，週邊的大氣壓將液晶材料經由注入口壓入面板的間隙中而充分地填滿，其次 是將注入口以UV膠塗佈後再加以硬化封止。
(9) 偏光板貼附
在玻璃基板的兩側貼上偏光板。
(10) 點燈檢查
液晶面板可進行整體或部份的動作功能之檢查，其檢查方式有目視或儀器測定。
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清洗工程 (Cleaning) • 在 TFT 工程中，必須藉助洗淨過程來避免製程中的不確定性。
• 清洗工程主要目的，是對下列四種危害製程良率的污染源予以隔絕： (1) 有機污染：像是人體的皮膚、油脂、化妝品、空氣中的油氣、 生物的污染源 …等等。 (2) 無機污染：人體的汗、顏料、塵埃、金屬屑 …等等。 (3) 工程污染：搬運、裝置運轉、包裝紙材、製程殘留物…等等。 (4) 表面變質。
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70
清洗工程主要方式 • 清洗工程主要方式： (1) 乾燥方式：(a) 旋轉乾燥 (Spin dry) (b) 風刀式乾燥 (Air knife) (c) IPA 轉換法 (2) 物理方式：(a) 毛刷 (Brush) (b) 旋渦凹陷 (Cavitation Jet) (c) 超音波 (Ultra-Sonic) (d) 百萬頻率超音波 (Mega-Sonic) (3) 化學方式：(a) 稀氫氟酸(Dilute HF) (b) 異丙醇 (IPA) (c) 臭氧水(Ozonized pure water) (d) 紫外線 - 臭氧 (UV- Ozone) 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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清洗工程介紹(1)： 風刀式洗淨(Air Knife) • 目的：利用風刀將水吹除
5 ~ 10 Kgf / cm2
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清洗工程介紹(2)： 旋渦凹陷洗淨(Cavitation Jet) (CJ) • 目的：使用高壓水柱清除基板上之不潔 • 方法：利用空氣與水混合後，在基板表面產生氣體爆破。
水壓：10 ~ 20 Kgf / cm2 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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清洗工程介紹(3): MS洗淨（百萬頻率超音波，Mega-Sonic) • 目的：使用超音波產生器震盪清除不潔 • 作用： (1) 振動加速度作用 (2) 擴散作用
振盪子
• (1) 25℃下，音速C = 1500 m/sec，以頻率 f = 1 MHz，λ/2 = 0.75 mm • (2) 產生Cavitation 音波強度之最低限度W ≧100 W/cm2。 • (3) 超音波在 1 MHz 產生之加速度為重力加速度之 100,000 倍。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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清洗工程介紹(4)： 紫外線 - 臭氧洗淨 (UV - Ozone) • 目的：去除基板表面有機污染 • 製程影響：Cr 蝕刻Taper 角度及均一性 • 原理： UV
O2 O3
+
有機物
有機物酸化
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O3 有機物酸化 UV
CO2 + H2O
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配向膜 (PI Coating) 與配向 (Rubbing)
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配向膜 (PI Coating) 形成工程 ★
PI 轉寫主要的作用是在玻璃基板上形成。 配向膜經過配向工程，產生液晶分子所需之預傾角。 ★ 配向膜製作的方法: (1) PI 液印刷 (2) 配向工程 印刷的方式：PI (Polyimide) 經由 A 輪轉印到 P 輪的凸版上，再經由 凸版均勻的將 PI 液塗佈在基板上。(如下圖) PI液噴嘴 刮刀頭 APR版
A輪
P輪
印刷方向 基板
印刷平台
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配向 (Rubbing) 工程 • 配向：將硬烤完成的基板，運用布毛以及設定精準的 Roller， Stage 進行配向。 • 配向目的：將配向膜刷出溝槽狀的痕跡，期使液晶分子能夠循 一定的方向、角度(預傾角) 傾斜。 R 布毛長度
W
配向布 植毛密度
(N)
配向膜 布毛壓入量 Stage 移動速度
接觸長度
基板
(V)
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配向布的介紹與靜電的影響 •
人造絲：(TFT所使用) 人造絲纖維是將針葉樹溶解的紙漿、將其從噴嘴噴出硬化而製成的半天然纖 維，由噴嘴所噴出之一條條的細絲，將其 40~50條細絲集成一條線，就稱為連 續的長纖維，Rubbing 用的大多是 2.5denier 到 3.0 denier之間為最多，人造細 絲的表面均具有凹凸的線痕，其間隔大約 3～4μm左右，而人造絲會被廣泛使 用在 Rubbing 上是因為其細絲表面的凸起部分會接觸配向膜，因而布毛細的 部分比粗的部分更容易進行配向，對於高密度要求的配向，以這種材質配向會 得到最好 的效果。此外，人造絲內含有10%的水分，比其他的一些用合成纖 維製成的配向布，更能防止靜電發生。
•
靜電的影響：
(1) 靜電問題：靜電對於基板的影響很大，尤其對於TFT基板上的元件殺傷力更不 可忽視。由於配向工程是全線中靜電產生最大的步驟，因此必需更為謹慎面對 靜電的問題。在配向機的前後都有除靜電器。 (2) 異物問題：由於配向布和基板的PI觸接可能造成很大的發塵度，所以在配向前 後都設有US 乾式洗淨機，儘量將發塵度減到最低。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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框膠塗佈(Sealant Printing)
針頭
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80
銀膠塗佈(Transfer Coating) • 銀膠製程之角色： (1) 前工程：U.S.Cleaner，配向後洗淨 (2) 後工程：間隔劑(Spacer) 散佈
• Flow Chart 中位置： TFT 基板 間隔劑檢查
框膠預烤
間隔劑散布
U.S .
圖形檢查
銀膠塗布
框膠塗布
CF 基板
• 面板結構中之部位(Transfer)： 比喻：房屋中之水電配管 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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為何要銀膠 : 塗佈在TFT基板 • 銀膠作用：導通上下基板，提供CF Vcom 導通。 兩端分別為：CF Æ ITO ，TFT Æ Cs 電極。 • 等效電容效應：增加儲存電能功能。 • 圖示：
CF
銀膠導通
ITO電位VCOM
△V
液晶分子 Source電位VSEG Cs電位VCOM
TFT
• TFT上Source與Cs之電位差△V，經由銀膠導通CF上之ITO，使得 TFT上Source與CF上ITO亦有相同電位差△V，正好提供了驅動液 晶分子的電壓差。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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框膠與銀膠相關位置
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間隔劑散佈(Spacer Spraying)目的 • 為何要散佈間隔劑： 形成上下玻璃間固定的Gap，穩定顯示品位。LCD用玻璃厚度僅0.6 ~ 0.7mm ，面板越大，就越顯示出間隔劑重要性。散佈均勻與否肉眼 難以判斷(間隔劑粒徑一般在3 ~ 7um) ，需借助間隔劑檢查裝置判斷。
• 間隔劑材料為使用塑膠或二氧化矽，二氧化矽價格較高。 光機電奈米量測系統科技整合研討會
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間隔劑散佈(Spacer Spraying) 製程 • 如要將間隔劑在玻璃基板上均一分佈，需要使用「間隔劑散佈裝置」。此 一散佈有採用與酒精混合而散佈之方式，此為濕式方式。也有採用利用氣 流散佈之乾式方式。由於濕式有環保問題，所以逐漸改採用乾式方式。
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貼合(Attachment) 與組立(Alignment) 貼合組立製程
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熱壓著 (Hot Pressure) 熱壓著
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熱壓著 (Hot Pressure) 製程
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面板 (Panel) 後段製程
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液晶面板切割選取
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切割(Scribe)與裂片(Break)
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液晶注入 (LC Injection)製程
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傳統液晶注入與滴下式注入法 (ODF) 比較 • 現有方式 ：
•滴下式注入法 (ODF) ：
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滴下式注入法 (ODF: One Drop Fill ) • 傳統LCD的液晶注入方式，是在上下玻璃對組之後以毛細原理將液晶慢慢吸入，這 種灌液晶方法的缺點是非常耗時且浪費液晶。 • 新的滴下式液晶注入法則是在先將液晶直接滴在玻璃上，然後在進行上下玻璃的對 組，這種新的製程可以大幅節省灌液晶的時間與液晶材料，尤其在超大尺寸面板具 有絕對的優勢。以三十吋面板為例，傳統灌液晶方式灌一片大約需要五天的時間， ODF只需要兩個小時，並且節省約40%的液晶材料。
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磨玻璃技術 ‧ 由於市場對於攜帶型電腦更輕薄的需求，磨玻璃技術提供了一 個降低攜帶式電腦重量及厚度的方法。 ‧ 藉由研磨薄膜電晶體及彩色濾光片玻璃，可有效的降低此兩玻 璃的重量及厚度，更可以對廣大的可攜式電腦市場提供更輕薄 液晶面板。 磨玻璃製程是於母玻璃接合， 裂片及液晶注入後 施行，經過研磨的玻璃可進行模組組裝來完成整個製程。
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封止(End-sealing)製程 卡匣移載部
光罩取出部
1.卡匣移載機構 1.靜電氣除去機 2.卡匣 900 迴轉機 構 構
UV 照射部 1.UV 燈 2.UV 燈排氣機構 3.UV 硬化用電源 4.UV 光量計 5. 卡匣定位機構
橫轉 90 0 Mask 取出 UV 硬化 CUnit
Mas k
封孔部
清潔擦拭部
1.3D 機械手臂機構 2.CCD/ 畫像處理 3.UV 膠針筒機構 4. 塗膠高度補正機 構 5. 靜電氣除去機構 6. 光罩取付機構
1.Roller 刮除收納 2.清潔 Roller 機構 3.清潔布移行機構 4.卡匣定位機構 5.靜電氣除去機構
UV 塗膠
擦拭
翻轉部
卡匣搬送部
1.卡匣翻轉機構 1.設備間移動機 2.卡匣推送機構 構 3.基板固定機構 2.卡匣上下機構 4.靜電氣除去機 構
翻轉 180 0
L/D
UV 燈 UV 膠
AUnit
Mas k Roller
卡匣搬送機構 (A) 1. 裝置間移動機構 (L/D~ 擦拭部 ) 2. 卡匣上下機構
UL/D BUnit
90 0
卡匣搬送機構 (C)
卡匣搬送機構 (B)
1. 裝置間移動機構 (UV 照射部 ~卡匣移載 部) 2. 卡匣上下機構
1. 裝置間移動機構 ( 擦拭部 ~UV 照射部 ) 2. 卡匣上下機構 3. 卡匣固定機構 4. 基板固定機構 5. 卡匣傾斜機構
180 0 90 0
橫 轉 90 度 移 載
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卡匣移載部 1.卡匣移載機構 (卡匣吊起移動 )
2.卡匣 90 0迴轉機 構
出口部 1.液晶注入機出 口 2.卡匣搬送機構
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磨邊 (Beveling)製程
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偏光板貼付(Polarizer Attachment)製程
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加壓脫泡(Autoclave)製程 點燈檢查
偏貼機 UL/D
AGV
加 壓 脫 泡 爐
托盤
L/D
AGV
(加壓) 偏光板
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TFT-LCD Cell製程
面板： S/R後洗淨
面板： Spacer散佈檢查
面板： 液晶注入
面板： 偏光板貼付
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Source : 華映公司Web
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