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【摘 要】随着显示技术的发展，工控设备、车载装置等显示产品的市场占有率逐渐升高，然而工控、车载市场对显示器件增加的需求不仅体现在量上，对产品在极限使用环境下的信赖性也提出了全面的挑战。由Al建成的TFT-LCD 配线区的金属线路，很容易发生端子腐蚀， Mo 以 Al/Mo 或者 Mo/Al/Mo的膜层结构形式将空气中的水氧与 Al隔绝，但是 Mo也只能在一段时间内的保护 Al不被腐蚀，在 RA极限测试条件下，水中氧会穿过 Mo的柱状晶体缝隙，与 Al发生反应。故本文研究通过提高 PVD成膜时玻璃基板温度改善 Mo层膜质，通过 SEM、TEM分析和盐雾测试验证不同条件对 TFT端子腐蚀的影响，结果发现提高 PVD成膜时玻璃基板温度可以改善 TFT 端子腐蚀。
【关键词】玻璃基板温度 SEM TEM 盐雾测试
一、引言
随着科学技术的发展，工业设备以及自动化车载装置对多样化显示器件的需求与日俱增。然而工控、车载市场对显示器件增加的需求不仅体现在量上，对产品在极限使用环境下的信赖性提出了全面的挑战。
金属铝 （Al） 由于其极低的电阻率以及广泛的保有量而导致的低成本被 TFT-LCD （薄膜晶体管液晶显示器件） 广泛地应用在栅极 （Gate）、源极数据线 （Source） 等TFT器件的导通材料。因应玻璃与驱动线路板连接的需求，在 TFT-LCD的配线区 （Fan out），金属线路有可能裸露在空气中，尤其在通电的状况下发生电化学反应，容易出现金属线路（端子）腐蚀，严重影响 TFT-LCD 显示性能。为降低金属 Al发生腐蚀的风险现有技术在金属Al 层上方增加耐腐蚀的Mo。然而因 Mo层薄膜是柱状晶体结构，空气中的氧可能会通过柱状界面的缝隙，扩散至 Al层，跟 Al发生氧化反应（如图1 ）。增加 Mo的膜厚，可在一定程度上延长扩散距离从而延长Al被腐蚀需要的时间，以达到保护 Al层的作用。对于更高信赖性要求的产品，需要更好的杜绝腐蚀。材料方面只能将 Mo用其它耐腐蚀的致密材料取代，如 MoTa合金。这样会造成制造成本的上升。所以，迫切地需要提升 Mo的致密性以更持久地保护 Al金属电极，使其使用寿命得以延长。
本文利用 DC-Sputter的溅射方式，通过提高镀膜时玻璃基板的温度，缩小薄膜原子从靶材逸出时与在玻璃基板上成膜的温度差，改善物理气相沉积（PVD）溅射过程中薄膜原子由气相到固相转变过程的热收缩应力；同时利用高温增强玻璃基板上表面原子的吸附能及迁移能，减少 Mo原子在成核长晶过程中的缺陷，原子间结合的更加紧密，来减小 Mo层柱状界面缝隙，达到改善Mo层的膜质及增强线路的抗腐蚀性能的目的。
图1 Mo Film的晶界图
Fig. 1 The grain boundary of Mo film
二、PVD Sputter薄膜的生长过程
薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及薄膜的最终性能。图 2为PVD Sputter 中薄膜沉积原子的生长过程图，从靶材表面逸出的靶材原子在玻璃基板表面发生相互碰撞，其中一部分被反射，另一部分停留在玻璃基板表面。停留在表面的原子、分子，在自身所带的能量及玻璃基板温度产生的热能的作用下，在玻璃基板上进行表面扩散、迁移以及原子吸附，最终形成连续膜层。薄膜中晶粒的尺寸、形态和纹理等与热应力的缓解有着直接联系。
图2 PVD Sputter 薄膜的生长过程图
Fig. 2 The progress of film formatting with PVD sputter
图3 PVD Tsub120℃与Tsub 50℃ channel 与Gate端子处 SEM断面像
Fig. 3 Cross section under SEM， in the position of TFT Channel and Gate Pad， with different temperature
三、高温成膜分析
（一）PVD高温成膜的SEM分析
使用 PVD Tsub 120℃ 与Tsub 50℃分别溅射 Gate电极 （Al/Mo （2500A/500A）），用 SEM断面像分别对该机种的 channel处及外围 Gate 端子处对比观察。如图3，在 TFT channel 处及 Gate 端子处， PVD Tsub
120℃ 较 Tsub 50℃ 溅射的薄膜，Mo 层的平整度、致密度均较好。
（二）PVD高温成膜的TEM分析
实验中，利用 PVD DC-Sputter的方式， Tsub 120℃与Tsub 50℃，分别制作Mo/Al/Mo（150 A/2500 A/500 A）薄膜，利用TEM明场像及暗场像 （如原理图4）比较在不同的玻璃基板温度条件下， Mo层的晶体缺陷与结构差异。
明场像 （Bright Field （BF） Image） 指将物镜光圈置于后聚焦平面只让直接穿透的电子束通过，借由质量-厚度与绕射对比成像：重原子较多的厚区以及结晶会以暗对比出现。暗场像 （Dark Field （DF） Image） 指利用物镜光圈将直射电子束挡住，只让一个或者多个绕射电子束通过物镜光圈成像。暗场成像广泛被应用在缺陷的观察如：差排、叠差、孪晶；或是鉴定晶粒大小等分析。
通过 Mo/Al/Mo金属薄膜的 TEM 明场像及暗场像对比分析（图5），发现单晶结构排列的 Mo 金属薄膜， PVD Tsub 120℃ 成膜较 PVD Tsub 50℃ 成膜，Mo 单晶衍射花样排列斑点更加整齐、致密，表明晶粒间的缺陷也较少。
图 4 TEM 明/暗场像成像系统图 Fig. 4 BF/DF System of TE
图5 PVD不同成膜条件下Mo的膜质特性TEM 分析
Fig.5 TEM analysis of Mo film with different PVD temperature
四、盐雾测试实验
本文利用 PVD DC-Sputter 方式，分以下三种条件制作 Al/Mo薄膜 ，DC power 为132 kw，每种条件各选取 5个 panel，对端子区域进行的盐雾测试实验。实验条件为：在35℃ 环境下，向面板喷洒浓度为5% 的 NaCl 溶液，连续喷雾 4小时为 1个周期，然后使用显微镜确认。
对比如图6的实验结果，在经过两个周期的盐雾测试后，条件1与条件2均比条件3发生端子腐蚀的程度低。即提高玻璃基板温度与增加 Mo 的厚度，均能改善 TFT端子区域的抗腐蚀性性能。同时提高玻璃基板表面温度比增加 Mo 的厚度的抗腐蚀性能更佳。
图6 产品不同条件的盐雾测试结果对比图
Fig. 6 Salty Test Results of Different Condition
五、结论
由以上 SEM、TEM 对比分析来看，PVD 提高玻璃基板的温度改善了成膜时玻璃基板上原子的吸附能与迁移能，减少了薄膜中的缺陷数量，使得晶粒大小均一且排布更加紧密，达到了减小 Mo层薄膜中柱状晶界缝隙的目的。 由盐雾测试结果表明：高温成膜较传统的增加 Mo 层膜厚的方法，均能改善 TFT 的端子的Al腐蚀。此项研究，对未来工控设备、车载装置等显示产品的发展具有借鉴意义。
参考文献：
[1]田民波.薄膜技术与薄膜材料[M].清华大学出版社. 2011.
[2]谷至华.薄膜晶体管（TFT）阵列制造技术[M].复旦大学出版社. 2007.
[3]宋文龙.磁控溅射薄膜附着性能的影响因素.中国科技论文在线.2005.
[4]戴亚翔.TFT-LCD面板的驱动与设计[M]. 清华大学出版社. 2008.
[5]王 璘.磁控溅射镀膜中工作气压对沉积速率的影响. 真空 VACUUM 2004年1月第41卷第1期.
[6]龚建华.大平面玻璃基片磁控溅射真空镀膜简介.2006年5月第43卷第3期.
[7]杨栋华.直流磁控溅射设备铝薄膜工艺参数.重庆工学院学报.第20卷第8期. 2006.8.
作者简介：
吴娟（1987—），女，江苏淮安市人，硕士，TFT-LCD 阵列薄膜工艺设计。
【关键词】玻璃基板温度 SEM TEM 盐雾测试
一、引言
随着科学技术的发展，工业设备以及自动化车载装置对多样化显示器件的需求与日俱增。然而工控、车载市场对显示器件增加的需求不仅体现在量上，对产品在极限使用环境下的信赖性提出了全面的挑战。
金属铝 （Al） 由于其极低的电阻率以及广泛的保有量而导致的低成本被 TFT-LCD （薄膜晶体管液晶显示器件） 广泛地应用在栅极 （Gate）、源极数据线 （Source） 等TFT器件的导通材料。因应玻璃与驱动线路板连接的需求，在 TFT-LCD的配线区 （Fan out），金属线路有可能裸露在空气中，尤其在通电的状况下发生电化学反应，容易出现金属线路（端子）腐蚀，严重影响 TFT-LCD 显示性能。为降低金属 Al发生腐蚀的风险现有技术在金属Al 层上方增加耐腐蚀的Mo。然而因 Mo层薄膜是柱状晶体结构，空气中的氧可能会通过柱状界面的缝隙，扩散至 Al层，跟 Al发生氧化反应（如图1 ）。增加 Mo的膜厚，可在一定程度上延长扩散距离从而延长Al被腐蚀需要的时间，以达到保护 Al层的作用。对于更高信赖性要求的产品，需要更好的杜绝腐蚀。材料方面只能将 Mo用其它耐腐蚀的致密材料取代，如 MoTa合金。这样会造成制造成本的上升。所以，迫切地需要提升 Mo的致密性以更持久地保护 Al金属电极，使其使用寿命得以延长。
本文利用 DC-Sputter的溅射方式，通过提高镀膜时玻璃基板的温度，缩小薄膜原子从靶材逸出时与在玻璃基板上成膜的温度差，改善物理气相沉积（PVD）溅射过程中薄膜原子由气相到固相转变过程的热收缩应力；同时利用高温增强玻璃基板上表面原子的吸附能及迁移能，减少 Mo原子在成核长晶过程中的缺陷，原子间结合的更加紧密，来减小 Mo层柱状界面缝隙，达到改善Mo层的膜质及增强线路的抗腐蚀性能的目的。
图1 Mo Film的晶界图
Fig. 1 The grain boundary of Mo film
二、PVD Sputter薄膜的生长过程
薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及薄膜的最终性能。图 2为PVD Sputter 中薄膜沉积原子的生长过程图，从靶材表面逸出的靶材原子在玻璃基板表面发生相互碰撞，其中一部分被反射，另一部分停留在玻璃基板表面。停留在表面的原子、分子，在自身所带的能量及玻璃基板温度产生的热能的作用下，在玻璃基板上进行表面扩散、迁移以及原子吸附，最终形成连续膜层。薄膜中晶粒的尺寸、形态和纹理等与热应力的缓解有着直接联系。
图2 PVD Sputter 薄膜的生长过程图
Fig. 2 The progress of film formatting with PVD sputter
图3 PVD Tsub120℃与Tsub 50℃ channel 与Gate端子处 SEM断面像
Fig. 3 Cross section under SEM， in the position of TFT Channel and Gate Pad， with different temperature
三、高温成膜分析
（一）PVD高温成膜的SEM分析
使用 PVD Tsub 120℃ 与Tsub 50℃分别溅射 Gate电极 （Al/Mo （2500A/500A）），用 SEM断面像分别对该机种的 channel处及外围 Gate 端子处对比观察。如图3，在 TFT channel 处及 Gate 端子处， PVD Tsub
120℃ 较 Tsub 50℃ 溅射的薄膜，Mo 层的平整度、致密度均较好。
（二）PVD高温成膜的TEM分析
实验中，利用 PVD DC-Sputter的方式， Tsub 120℃与Tsub 50℃，分别制作Mo/Al/Mo（150 A/2500 A/500 A）薄膜，利用TEM明场像及暗场像 （如原理图4）比较在不同的玻璃基板温度条件下， Mo层的晶体缺陷与结构差异。
明场像 （Bright Field （BF） Image） 指将物镜光圈置于后聚焦平面只让直接穿透的电子束通过，借由质量-厚度与绕射对比成像：重原子较多的厚区以及结晶会以暗对比出现。暗场像 （Dark Field （DF） Image） 指利用物镜光圈将直射电子束挡住，只让一个或者多个绕射电子束通过物镜光圈成像。暗场成像广泛被应用在缺陷的观察如：差排、叠差、孪晶；或是鉴定晶粒大小等分析。
通过 Mo/Al/Mo金属薄膜的 TEM 明场像及暗场像对比分析（图5），发现单晶结构排列的 Mo 金属薄膜， PVD Tsub 120℃ 成膜较 PVD Tsub 50℃ 成膜，Mo 单晶衍射花样排列斑点更加整齐、致密，表明晶粒间的缺陷也较少。
图 4 TEM 明/暗场像成像系统图 Fig. 4 BF/DF System of TE
图5 PVD不同成膜条件下Mo的膜质特性TEM 分析
Fig.5 TEM analysis of Mo film with different PVD temperature
四、盐雾测试实验
本文利用 PVD DC-Sputter 方式，分以下三种条件制作 Al/Mo薄膜 ，DC power 为132 kw，每种条件各选取 5个 panel，对端子区域进行的盐雾测试实验。实验条件为：在35℃ 环境下，向面板喷洒浓度为5% 的 NaCl 溶液，连续喷雾 4小时为 1个周期，然后使用显微镜确认。
对比如图6的实验结果，在经过两个周期的盐雾测试后，条件1与条件2均比条件3发生端子腐蚀的程度低。即提高玻璃基板温度与增加 Mo 的厚度，均能改善 TFT端子区域的抗腐蚀性性能。同时提高玻璃基板表面温度比增加 Mo 的厚度的抗腐蚀性能更佳。
图6 产品不同条件的盐雾测试结果对比图
Fig. 6 Salty Test Results of Different Condition
五、结论
由以上 SEM、TEM 对比分析来看，PVD 提高玻璃基板的温度改善了成膜时玻璃基板上原子的吸附能与迁移能，减少了薄膜中的缺陷数量，使得晶粒大小均一且排布更加紧密，达到了减小 Mo层薄膜中柱状晶界缝隙的目的。 由盐雾测试结果表明：高温成膜较传统的增加 Mo 层膜厚的方法，均能改善 TFT 的端子的Al腐蚀。此项研究，对未来工控设备、车载装置等显示产品的发展具有借鉴意义。
参考文献：
[1]田民波.薄膜技术与薄膜材料[M].清华大学出版社. 2011.
[2]谷至华.薄膜晶体管（TFT）阵列制造技术[M].复旦大学出版社. 2007.
[3]宋文龙.磁控溅射薄膜附着性能的影响因素.中国科技论文在线.2005.
[4]戴亚翔.TFT-LCD面板的驱动与设计[M]. 清华大学出版社. 2008.
[5]王 璘.磁控溅射镀膜中工作气压对沉积速率的影响. 真空 VACUUM 2004年1月第41卷第1期.
[6]龚建华.大平面玻璃基片磁控溅射真空镀膜简介.2006年5月第43卷第3期.
[7]杨栋华.直流磁控溅射设备铝薄膜工艺参数.重庆工学院学报.第20卷第8期. 2006.8.
作者简介：
吴娟（1987—），女，江苏淮安市人，硕士，TFT-LCD 阵列薄膜工艺设计。