王效坤，房偉華，劉 飛

(合肥京東方光電科技有限公司，安徽 合肥 230012)

1 引 言

在TFT-LCD行業(yè)，低反射率材料得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如在黑矩陣(BM)技術(shù)、觸摸屏的表面黑化等方面[1-4]。在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，比如應(yīng)用在航空電子設(shè)備中的液晶顯示器, 要求在寬視角范圍內(nèi)具有高亮度、低反射、高對(duì)比度等性能[5]。然而，液晶顯示屏因其結(jié)構(gòu)或組裝的需要，在屏幕邊緣不可避免地會(huì)有一部分無(wú)法顯示的邊框區(qū)域,目前市面上常見(jiàn)的無(wú)邊框技術(shù)、超窄邊框技術(shù)，其本質(zhì)上仍然是一種窄邊框技術(shù)[6]。邊框的存在會(huì)降低整個(gè)顯示屏的視覺(jué)效果[7]。一種解決方案是，使其在黑色狀態(tài)下更暗，提高整個(gè)面板的對(duì)比度，可明顯改善顯示效果[8-9]。

窄邊框工藝中，一般選擇TFT層反置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，黑化層沉積在金屬層的下面。比如黑化層搭載8 Mask工藝：黑化層(低反層)/柵極(Gate)→ACT→GI→SD→Organic(Resin)→1stITO→PVX→2ndITO[10]。低反射技術(shù)方案主要有a-Si/SiNx復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，雙層SiNx復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，MoNb/MoNbOx疊層結(jié)構(gòu)以及鉬(及其合金)的氧化物薄膜等方式。其中，a-Si/SiNx復(fù)合膜結(jié)構(gòu)和雙層SiNx復(fù)合膜結(jié)構(gòu)需要增加a-Si和SiNx的多次沉積、曝光以及非金屬層的刻蝕工序，對(duì)產(chǎn)能影響較大，且反射率相對(duì)較高。而MoNb/MoNbOx疊層結(jié)構(gòu)不但工序多，產(chǎn)能影響大，MoNb層與MoNbOx之間還容易發(fā)生側(cè)向“底切”現(xiàn)象，刻蝕性差。氧化鉬薄膜則具有反射率低，可以采用濕法刻蝕的方式與作為柵極的金屬層一同刻蝕，具有工藝簡(jiǎn)單，量產(chǎn)性高的特點(diǎn)。

氧化鉬薄膜可以采取鉬靶材在磁控濺射成膜過(guò)程中通入氧氣的方式制備，但是氧氣的控制以及和鉬的反應(yīng)是難點(diǎn)，容易出現(xiàn)反應(yīng)不充分及不均勻的情況。而采用鉬(及其合金)和氧以一定比例制備的MoOx靶材來(lái)制備MoOx薄膜，則可以很好地解決此問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)中,MoOx靶材購(gòu)買自PLANSEE(其中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)約8%的Ta元素，MoOx中x值約2.7)。使用交流磁控濺射沉積法在玻璃基板表面沉積MoOx薄膜，并在MoOx薄膜上沉積不同的金屬層。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)設(shè)備分析膜面的結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)百格測(cè)試的方式測(cè)試其和不同金屬層及玻璃基板之間的粘附力，采用四探針設(shè)備(4-point probe)測(cè)試其方塊電阻(Rs)，采用TOHO的薄膜應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試薄膜應(yīng)力，通過(guò)CM-700d分光測(cè)色計(jì)測(cè)試其反射率(Reflectivity)和色差，分析探討MoOx及其搭配金屬層復(fù)合膜的特性，為其在TFT-LCD行業(yè)的應(yīng)用提供參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

本文采用ULVAC的SMD-1800V型立式磁控濺射鍍膜機(jī)在玻璃基板表面沉積MoOx薄膜，本底真空度小于5.0×10-4Pa，氬氣純度為99.999 9%，購(gòu)買自Air Liquid。玻璃基板購(gòu)買自東旭光電科技股份有限公司，其尺寸為1 850 mm×1 500 mm，厚度為0.5 mm。成膜工藝如表1所示，成膜溫度為常溫。

表1 MoOx樣品制備條件

續(xù) 表

測(cè)試各成膜條件樣品以及搭配玻璃基板和不同金屬層的特性。本文所采用的四探針測(cè)試儀是NAPSON的RS-1300型；薄膜應(yīng)力測(cè)試儀為TOHO的 FLX-2320-S型；場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)為Hitachi的S-4800型；X射線衍射儀(XRD)為Bruker D4 Endeavor型，2θ掃描范圍20°～80°；使用的光學(xué)測(cè)試設(shè)備為CM-700d分光測(cè)色計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 Rs測(cè)試結(jié)果分析

方塊電阻Rs反應(yīng)的是材料的電學(xué)性能。圖1是在成膜壓力0.67 Pa、不同功率條件下制備的55 nm MoOx薄膜Rs變化趨勢(shì)圖。由圖可知，Rs隨著成膜功率的增加而降低，同金屬層及ITO具有相同的規(guī)律，原因推測(cè)為功率增加，濺射離子能量增加，轟擊出的靶材原子能量增大，成膜更致密，導(dǎo)電性更好。

圖1 Rs隨成膜功率變化趨勢(shì)圖

圖2是在成膜功率13/11 kW、不同成膜壓力條件下制備的55 nm MoOx薄膜Rs變化趨勢(shì)圖。由圖可知，Rs隨著成膜壓力的增加而增大。

圖2 Rs隨成膜壓力變化趨勢(shì)圖

從MoOx的Rs測(cè)試結(jié)果看，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬層和ITO層，和柵極金屬層搭配時(shí)，其電學(xué)影響可以忽略不計(jì)。此外，MoOx薄膜Rs值的均勻性很差，分析可能原因?yàn)樵诔赡み^(guò)程中，玻璃基板周邊位置因Ar氣流等原因?qū)е铝溯^多的氧元素?fù)p失，周邊位置Rs較中間位置偏低許多，但是對(duì)光學(xué)特性基本沒(méi)有影響。

3.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

薄膜中存在殘余應(yīng)力是薄膜生產(chǎn)、制備過(guò)程中的普遍現(xiàn)象。所有薄膜幾乎都處于某種應(yīng)力狀態(tài)之中，而殘余應(yīng)力的存在會(huì)對(duì)薄膜性能及其生產(chǎn)性能產(chǎn)生影響[11]。薄膜沉積在基體以后，薄膜處于應(yīng)變狀態(tài)，若以薄膜應(yīng)力造成基體彎曲形變的方向來(lái)區(qū)分，可將應(yīng)力分為拉應(yīng)力(Tensile stress)和壓應(yīng)力(Compressive stress)。拉應(yīng)力是當(dāng)膜受力向外伸張，基板向內(nèi)壓縮、膜表面“下凹”，薄膜因?yàn)橛欣瓚?yīng)力的作用，薄膜本身產(chǎn)生收縮的趨勢(shì)，如果膜層的拉應(yīng)力超過(guò)薄膜的彈性限度，則薄膜就會(huì)破裂甚至剝離基體而翹起。壓應(yīng)力則呈相反的狀況，膜表面產(chǎn)生外凸的現(xiàn)象，在壓應(yīng)力的作用下，薄膜有向表面擴(kuò)張的趨勢(shì)。如果壓應(yīng)力到達(dá)極限，則會(huì)使薄膜向基板內(nèi)側(cè)卷曲，導(dǎo)致膜層起泡。

薄膜應(yīng)力測(cè)試儀的測(cè)試原理為在晶片(Wafer)上沉積MoOx薄膜，測(cè)量薄膜沉積引起的晶片曲率的變化，根據(jù)晶片的彈性模量，通過(guò)彈性方程計(jì)算得到應(yīng)力。圖3是成膜壓力0.67 Pa、不同功率條件下制備的55 nm MoOx薄膜應(yīng)力變化趨勢(shì)圖。其中0°指平行于玻璃短邊方向，90°平行于玻璃長(zhǎng)邊方向。從測(cè)試結(jié)果可以看出，測(cè)試結(jié)果為負(fù)值，為壓應(yīng)力，且隨著成膜功率的增大而增大。

圖3 應(yīng)力隨成膜功率變化趨勢(shì)圖

圖4是成膜功率13/11 kW、不同成膜壓力條件下制備的55 nm MoOx薄膜應(yīng)力變化趨勢(shì)圖。測(cè)試結(jié)果同樣為負(fù)值，為壓應(yīng)力，隨著成膜壓力的增大而減小。

圖4 應(yīng)力隨成膜壓力變化趨勢(shì)圖

綜合圖4、圖5測(cè)試結(jié)果可知，在一定的成膜條件下，MoOx薄膜均呈現(xiàn)出壓應(yīng)力，其數(shù)值并不大。玻璃基板角部(Corner)位置的應(yīng)力值要大于中部(Center)位置，其中一個(gè)可能的原因是，角部位置磁場(chǎng)更強(qiáng)，等離子體密度更大，沉積膜層更致密導(dǎo)致。

3.3 SEM和XRD測(cè)試結(jié)果分析

圖5是在玻璃基底上，在功率13/11 kW、成膜壓力0.67 Pa的條件下沉積單層55 nm的MoOx薄膜的SEM圖。MoOx為黑色透明薄膜，與玻璃基底比較相近，從SEM測(cè)試圖片看，其界面并不明顯。觀測(cè)其結(jié)構(gòu)，無(wú)可見(jiàn)晶狀結(jié)構(gòu)。為便于對(duì)MoOx薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行SEM分析研究，可在MoOx薄膜和玻璃基板之間沉積結(jié)構(gòu)差別較大的底膜，比如金屬層，便于區(qū)分界面，并適當(dāng)提高需要測(cè)試的膜層厚度。

圖5 MoOx薄膜SEM圖

圖6是在成膜功率13/11 kW、成膜壓力0.67 Pa的條件下沉積單層55 nm MoOx薄膜的XRD圖譜，為平滑的曲線，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)特征峰，說(shuō)明制備出的MoOx薄膜為非晶結(jié)構(gòu)[8]。這和 Schmidt等人的研究結(jié)論一致。成膜功率和成膜壓力等對(duì)MoOx薄膜膜質(zhì)結(jié)構(gòu)是否有影響，本文沒(méi)有做進(jìn)一步的研究。

圖6 MoOx薄膜的XRD圖譜

3.4 粘附力測(cè)試結(jié)果分析

MoOx薄膜粘附力測(cè)試是通過(guò)百格測(cè)試的方式。如圖7，在玻璃基板上沉積55 nm的MoOx薄膜，并在薄膜上分別沉積Al/Mo(260/80 nm)、Mo/Al/Mo(15/300/80 nm)、Mo(220 nm)、Cu/MTD(200/20 nm)和MTD/Cu(20/200 nm)等柵極常使用的金屬層。在測(cè)試樣品上劃10×10個(gè)約1 mm×1 mm小網(wǎng)格，每一條劃線深及測(cè)試膜層底部，并將測(cè)試區(qū)域的碎片刷干凈。使用3M610號(hào)膠紙牢牢粘住被測(cè)試小網(wǎng)格，在垂直方向迅速扯下(以不扯碎玻璃樣品為準(zhǔn))膠紙。

圖7 粘附力測(cè)試方式

圖8是百格測(cè)試結(jié)果。其中,MoOx和玻璃基板之間的粘附性很好，無(wú)MoOx膜層剝落的發(fā)生。在MoOx和Al金屬常用的搭配中，MoOx與Al之間的粘附性好，與Mo之間的粘附性很差：搭配Al/Mo只有極少量膜層剝落的發(fā)生；搭配Mo/Al/Mo有部分膜層剝落；搭配單層Mo，整片膜層剝落。在和Cu金屬常用的搭配中，MoOx和Cu之間的粘附性較好，和MTD之間的粘附性較差：搭配Cu/MTD有少量膜層剝落；搭配MTD/Cu，可見(jiàn)大面積膜層的剝落。

圖8 MoOx薄膜和不同金屬材料粘附性測(cè)試結(jié)果

總結(jié)測(cè)試結(jié)果：MoOx和玻璃基板之間粘附性很好，生產(chǎn)上可以在玻璃上直接沉積MoOx薄膜。MoOx和Al系常用金屬搭配中，粘附性Al/Mo>Mo/Al/Mo>單層Mo;與Cu系常用金屬搭配中，粘附性Cu/MTD>MTD/Cu。考慮到MTD、MoNb等同為Mo的合金靶，可以預(yù)見(jiàn)，MoOx和MoNb等Mo合金材料具有和Mo及MTD相似的粘附性。

3.5 反射率測(cè)試結(jié)果分析

反射率是MoOx薄膜作為低反材料在窄邊框工藝應(yīng)用過(guò)程中的重要技術(shù)參數(shù)。在反置的TFT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是從TFT側(cè)即玻璃基板背部一側(cè)體現(xiàn)視覺(jué)效果的(圖9)，故本文的反射率和色差數(shù)據(jù)是MoOx薄膜搭配金屬層，并從玻璃基板側(cè)測(cè)得的，如圖10所示。

圖9 低反材料MoOx在窄邊框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

圖10 反射率測(cè)試方式

圖11 不同厚度MoOx搭配Mo/Al/Mo的反射率

圖11是在成膜功率13/11 kW、壓力0.67 Pa的條件下制備的不同厚度的MoOx薄膜搭配Mo/Al/Mo(15/300/80 nm)的反射率測(cè)試數(shù)據(jù)。從中可以看出，隨著MoOx薄膜厚度的增加，長(zhǎng)波段光波對(duì)應(yīng)的反射率降低，短波段光波對(duì)應(yīng)的反射率增加。此現(xiàn)象推測(cè)與光的干涉效應(yīng)有關(guān)。當(dāng)從MoOx薄膜表面反射出的光波和金屬層表面反射的光波在傳播方向、頻率和振動(dòng)方向相同，相位趨于相反時(shí)，光波會(huì)發(fā)生相互干擾和抵消。MoOx厚度增加時(shí)，長(zhǎng)波段光波發(fā)生干擾和抵消現(xiàn)象增多，由此產(chǎn)生長(zhǎng)波段光波反射率降低的現(xiàn)象。

圖12 不同功率制備MoOx(55 nm)搭配Mo/Al/Mo的反射率

圖13 不同成膜壓力制備MoOx(55 nm)薄膜搭配Mo/Al/Mo的反射率

圖12是在成膜壓力0.67 Pa、不同沉積功率條件下制備的55 nm MoOx薄膜搭配Mo/Al/Mo(15/300/80 nm)的反射率測(cè)試數(shù)據(jù)。從中可以看出，MoOx薄膜的成膜功率對(duì)反射率基本無(wú)影響。圖13是在成膜功率13/11 kW、不同成膜壓力條件下制備的55 nm MoOx薄膜搭配Mo/Al/Mo(15/300/80 nm)的反射率測(cè)試數(shù)據(jù)。由圖可知，MoOx薄膜的成膜壓力對(duì)反射率也基本沒(méi)有影響。

綜合圖11～圖13的測(cè)試結(jié)果可知：MoOx薄膜搭配金屬層復(fù)合膜的反射率和MoOx的厚度相關(guān)性大，與其成膜功率、壓力等工藝條件相關(guān)性小。

圖14 不同厚度MoOx薄膜搭配Cu/MTD的反射率

圖14是在成膜功率13/11 kW、壓力0.67 Pa的條件下制備的不同厚度的MoOx薄膜搭配Cu/MTD(200/20 nm)的反射率測(cè)試數(shù)據(jù)。從中可以看出，同搭配Mo/Al/Mo一樣，隨著MoOx薄膜厚度的增加，長(zhǎng)波段光波對(duì)應(yīng)的反射率降低，短波段光波對(duì)應(yīng)的反射率增加。對(duì)比圖14和圖11可知，MoOx薄膜搭配不同的金屬材料，其反射率曲線不同。搭配Cu/MTD時(shí)，不同厚度MoOx薄膜的反射率曲線最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光波波長(zhǎng)更長(zhǎng)，分析原因可能為Cu/MTD界面反射的光波中長(zhǎng)波段光波比例較Mo/Al/Mo反射的光波高，此部分光波和MoOx薄膜表面反射出的長(zhǎng)波段光波相互干擾和抵消導(dǎo)致?？梢?jiàn)，MoOx薄膜搭配的金屬種類對(duì)其反射率影響同樣較大。

圖15是相同厚度的55 nm MoOx薄膜和不同厚度的Cu/MTD搭配時(shí)的反射率曲線。從中可知，金屬層的厚度對(duì)反射率的影響不大。

圖15 MoOx薄膜和不同厚度Cu/MTD的反射率

3.6 色差測(cè)試結(jié)果分析

MoOx薄膜在反置TFT產(chǎn)品的應(yīng)用上，除了反射率之外，色差是另一個(gè)重要的性能參數(shù)，且不同的客戶可能會(huì)有不同的色差喜好，測(cè)試色差的影響因素很有必要。

圖16是不同厚度的MoOx薄膜搭配Al/Mo及Cu/MTD復(fù)合膜的CIE Lab色空間坐標(biāo)圖。從中可以看出，MoOx搭配不同的金屬層，其呈現(xiàn)出的色差不同。MoOx搭配Al/Mo時(shí)，隨著MoOx薄膜厚度的增加，b*值向負(fù)方向變化，a*值變化不大，即由黃褐色逐漸向偏藍(lán)方向變化；MoOx搭配Cu/MTD時(shí)，隨著MoOx薄膜厚度的增加，a*值逐漸減小并向負(fù)方向變化，b*值向負(fù)方向輕微下降，即由紅褐色逐漸向偏藍(lán)方向變化。

圖16 不同厚度MoOx薄膜和不同金屬的CIE Lab色坐標(biāo)

圖17是55 nm的MoOx薄膜搭配不同厚度的Cu/MTD的CIE Lab色空間坐標(biāo)圖。從中可以看出，隨著Cu薄膜厚度的增加，其坐標(biāo)值幾乎無(wú)變化；b*值只是向負(fù)方向極輕微下降(即向偏藍(lán)方向變化)，但其變化幅度很小?？梢?jiàn)，同反射率一樣，金屬層厚度對(duì)復(fù)合膜色差的影響同樣不大。

圖17 MoOx薄膜和不同厚度Cu/MTD的CIE Lab色坐標(biāo)

4 結(jié) 論

本文分析了磁控濺射法在不同功率、不同成膜壓力條件下制備的MoOx薄膜及搭配金屬層的特性，結(jié)果表明：常溫條件下磁控濺射法制備的MoOx薄膜是一種非晶結(jié)構(gòu)的黑色透明導(dǎo)電膜，其方塊電阻值很大，搭配金屬層時(shí)可以忽略；MoOx薄膜呈壓應(yīng)力狀態(tài)，隨成膜功率的增大而增大，隨成膜壓力的升高而降低。MoOx薄膜材料和玻璃之間的粘附性較好，可以直接沉積無(wú)需打底膜；和Al、Cu之間的粘附性較Mo及Mo合金材料好。MoOx和金屬層組成復(fù)合膜時(shí)，其反射率和色差主要由MoOx的厚度以及金屬材料的種類決定。