PS光阻頂部凹陷問題研究

張 宇，陳珍霞，侯偉康，陳黎暄

(深圳市華星光電技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518132)

1 引 言

隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對于信息交流和傳遞等方面的依賴程度日益增加。而顯示器件作為信息交換和傳遞的主要載體和物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)已成為眾多從事信息光電研究科學(xué)家爭相搶占的熱點和高地。在液晶顯示的發(fā)展趨勢中，高亮度，高對比度，高解析度等高畫質(zhì)需求十分強(qiáng)烈[1-4]。

對于達(dá)到高解析度這一目標(biāo)，有許多相關(guān)設(shè)計都要隨之改變和改善。對柱狀隔離子(PS)提出的更高要求是尺寸更小，坡度角更大，頂部面積相對底部面積的比例更大，這意味著要求在制造中對PS的形狀控制更加精細(xì)。業(yè)內(nèi)對于這一要求的解決方案主要有兩種，一種是對PS材料的改善，一種是對制程工藝的改善。材料的改善通常是提升PS材料的光敏感度，制程上的改善主要是通過調(diào)整光罩和曝光條件來改進(jìn)曝光顯影的精度。本文對PS形狀的控制，主要通過制程工藝的改善，與傳統(tǒng)的手法不同的是，本文通過對曝光的光分布情況進(jìn)行分析，并針對其根源提出改善方案。

目前陣列基板部分提升光刻工藝容限主要是通過改變涂膠、光刻、顯影、前烘、后烘的條件及光刻機(jī)的調(diào)焦調(diào)平等方法[5],但這些方法在實際生產(chǎn)中由于長期進(jìn)行不斷的循環(huán)改善工作,使得改善空間有限[6-8]。業(yè)內(nèi)不斷有研究者通過對曝光過程進(jìn)行計算，找出改善的方向和條件，如通過推導(dǎo)并計算出光刻膠段差區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)變化量，計算出光刻平面的調(diào)整量，改善溝道的光刻膠殘留[9]。同時為應(yīng)對LCD高解析度的需求,提升PS的光刻工藝容限,已成為必要。

2 實 驗

實驗采用負(fù)型透明PS光阻，實驗流程如圖1所示。采用旋涂進(jìn)行成膜，熱盤進(jìn)行預(yù)烤，使用光罩圖形為正方形，其中曝光間隙10～300 μm，使用KOH溶液進(jìn)行顯影，后烘烤制程仍然是熱盤加熱。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Flow chart of experiment

圖2 普通PS(a)和精細(xì)化PS(b)截面圖Fig.2 Cross section of normal PS(a) and fine PS(b)

3 結(jié)果分析與計算

如圖2所示，通常采用柱狀光阻作為LCD盒內(nèi)的支撐物，傳統(tǒng)材料所形成的坡度角都比較小，如圖2(a)。而在分辨率不斷提升的大趨勢下，PS尺寸在微米尺度上變得更小，而又需要保持其支撐能力，需要通過增大其頂部面積來達(dá)到上述兩方面的平衡。通過增大坡度角，如圖2(b)，頂部面積相對底部面積比例變大的同時，總的尺寸也發(fā)生了縮減。當(dāng)縮小PS的尺寸時，往往發(fā)生PS頂部凹陷問題，從而導(dǎo)致PS支撐力不足，影響顯示器件性能。本文從曝光顯影的角度對精細(xì)化制程中出現(xiàn)的PS光阻頂部凹陷的問題進(jìn)行了研究。

不同曝光間隙條件下得到的透明的圖案化光阻的形狀，如圖3所示，由接近光罩的正方形形狀，變?yōu)榱庑?，這是由于光罩的間距提高后，直角區(qū)域的光分布由于衍射能量降低導(dǎo)致。同時圖案化后的PS光阻頂部的凹陷由嚴(yán)重變得輕微。當(dāng)曝光光源到光刻膠的間距逐漸增大后，顯影圖形變?yōu)轫敳可贤?圖3e～g)。

圖3 不同曝光間距下透明光阻的形狀變化。間距變化從10～300 μm，其中10～150 μ變化時，凹陷由0.17 μm逐漸減小到0.04 μm，間距繼續(xù)上升，頂部轉(zhuǎn)變?yōu)樯贤埂ig.3 PS shapes with different gaps. Gap value changes from 10 μm to 300 μm. As gap value changes from 10 μm to 150 μm, the PS top convave changes from 0.17 μm decrease to 0.04 μm; when gap value increases, PS top shape changes to convex.

圖4 曝光間距為10 μm的樣品其頂部3D輪廓：PS光刻膠成型后的頂部凹陷模擬。Fig.4 3-D top profile of samples with exposure gap of 10 μm: simulation of top depression after PS photoresist forming

圖5 不同曝光間距下光強(qiáng)分布情況模擬Fig.5 Simulation of light intensity distribution under different exposure gap

圖6 透明光阻圖案化后頂部分區(qū)塊圖Fig.6 Top block map after transparent photoresist patterning

針對這種現(xiàn)象,采用GenIsys商業(yè)軟件進(jìn)行了模擬計算,模擬結(jié)果如圖4所示。從模擬結(jié)果中可得到兩個重要趨勢：(1)角落光強(qiáng)分布的形狀，從與光罩形狀一致的正方形變?yōu)橹苯窍魅鹾蟮牧庑?，這與實際圖案化的光阻形狀變化是一致的；(2)PS光阻頂部受到光能量照射后，圖形變化趨勢也與實驗一致，隨著間距變大光組頂部由凹陷轉(zhuǎn)為上凸。頂部凹陷還有一個微小的細(xì)節(jié)，如圖5(a-4,a-5)，在曝光間隙在150～200 μm時，頂部形貌呈現(xiàn)出分區(qū)塊的情況，這部分同樣由實驗得到驗證，如圖6所示。圖6中采用了平行度更高的曝光機(jī)進(jìn)行，其提供的光源更接近高斯光束，更好地復(fù)現(xiàn)出高斯光束在經(jīng)歷不同的傳播距離時發(fā)生的變化。

由曝光機(jī)中的光源發(fā)出的光，經(jīng)由其內(nèi)部的光學(xué)構(gòu)件UM成像系統(tǒng)，變?yōu)楦咚构馐鴮迳系墓庾柽M(jìn)行曝光，光束與基板間放置一個光罩實現(xiàn)光阻的圖案化。經(jīng)過光罩后光束的傳播符合高斯分布，它可以通過麥克斯韋方程式推導(dǎo)得到[10]均勻介質(zhì)中的高階高斯光束公式如式(1)。

(1)

圖7 幾種高階高斯光束的光強(qiáng)分布圖。TEM0，TEM1，TEM2。Fig.7 Intensity distributions of several higher-order Gauss beams. TEM0，TEM1，TEM2.

圖8 高階高斯光束的光強(qiáng)分布與模擬光強(qiáng)分布Fig.8 Intensity distribution and simulated intensity distribution of higher-order Gauss beams

其中：m，n為x，y方向上的零點數(shù)，此時高階高斯光束分布為厄米-高斯光束，表示為TEMmn模式。幾種高階高斯光束的光強(qiáng)分布圖如圖7所示，其中n為0，m為0,1,2。本實驗中光強(qiáng)的區(qū)塊分布符合TEM22，TEM11，TEM00，如圖8所示。

4 結(jié) 論

通過實驗可見，光阻頂部凹陷現(xiàn)象，與曝光間距形成強(qiáng)相關(guān)。當(dāng)曝光間距由小變大，即曝光機(jī)內(nèi)光源發(fā)出的光，經(jīng)由光罩后傳播的距離變化，會引起到達(dá)光阻的光分布的改變，簡單描述為分峰狀況由多到少變化。在100～200 μm的曝光間距范圍內(nèi)，分峰數(shù)量為4，峰谷強(qiáng)度差異最大，此時容易發(fā)生頂部凹陷的問題，且可明顯觀察到頂部圖形呈四區(qū)塊。因此，建議在LCD PS高精細(xì)化的需求下，降低曝光間距，從傳統(tǒng)的250 μm降低到150 μm或100 μm以下，可避免頂部凹陷問題；另外，也可考慮改變光罩圖形，如從原來的單孔變?yōu)槎嗫紫嗥?，可增加分峰?shù)量，使光強(qiáng)分布差異減小。