TFT-LCD行業(yè)顯影液參數(shù)對(duì)半色調(diào)光刻膠膜厚的影響

陳 國，韓亞軍，于洪祿，丁振勇，王 鵬，鄭鐵元，李 偉

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

近年來，薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)技術(shù)日益成熟，以其功耗低、壽命周期長、顯示亮度高，以及輕、薄、美觀等優(yōu)勢(shì)，已成為電視機(jī)、電腦、移動(dòng)設(shè)備及車載等電子產(chǎn)品的主流顯示器[1-4]。隨著對(duì)TFT-LCD分辨率要求的不斷提高，薄膜晶體管器件制程趨于更精細(xì)[5]，特別是陣列工藝中源漏極的制備，目前主流工藝都采用半色調(diào)掩膜(Half Tone Mask，HTM)光刻技術(shù)，制程中光刻膠半色調(diào)膜厚(Half Tone Thickness，THK)的控制尤為重要[6-7]，若出現(xiàn)異常，將直接影響刻蝕后最終形成的TFT 器件形貌，從而影響TFT產(chǎn)品的光學(xué)電學(xué)性，因此THK是源漏極光刻工藝的重要管控參數(shù)之一。

光刻工藝中，影響THK的主要因素有涂膠、光刻、顯影以及烘烤，其中涂膠膜厚、光刻曝光劑量以及烘烤溫度生產(chǎn)過程中都可固定參數(shù)設(shè)置[8]，而顯影用的顯影液(四甲基氫氧化銨，TMAH)，是一種大宗有機(jī)堿性藥液，業(yè)界生產(chǎn)基本都是回收過濾重復(fù)利用，主要參數(shù)有濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C1)、酸根離子濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)C2)，業(yè)界主要控制其C1參數(shù)，不管控C2參數(shù)。隨著高分辨率產(chǎn)品逐漸導(dǎo)入，TFT-LCD 各項(xiàng)參數(shù)管控臨界值(Margin)越來越小[9]，THK波動(dòng)很容易導(dǎo)致刻蝕工藝后溝道橋接(Channel Bridge)與溝道開裂(Channel Open)等不良，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的良率，研究發(fā)現(xiàn)THK的波動(dòng)與顯影液C2參數(shù)有一定相關(guān)性，本文通過對(duì)顯影液C1、C2參數(shù)分別對(duì)THK值的影響進(jìn)行研究，得到C1、C2的顯影能力的比例關(guān)系，將二者對(duì)THK影響的比例關(guān)系按公式導(dǎo)入顯影液控制系統(tǒng)，C2的波動(dòng)通過C1實(shí)時(shí)補(bǔ)償調(diào)整，保障生產(chǎn)過程中THK的穩(wěn)定，降低溝道不良的發(fā)生。

2 光刻工藝反應(yīng)機(jī)理

光刻膠感光組分被紫外線照射生成五元環(huán)烯酮化合物，之后與顯影液中水結(jié)合生成羧酸，可與顯影液中TMAH進(jìn)行酸堿反應(yīng)，合成可溶鹽類，如圖1所示流程，可以從玻璃基板表面清洗下來溶入顯影液中[10]。由于顯影液是循環(huán)重復(fù)利用的，顯影液中持續(xù)溶有不定量的酸根離子，同時(shí)顯影液與光刻膠的反應(yīng)是在常壓大氣氣氛中進(jìn)行，空氣中會(huì)溶入部分二氧化碳，碳酸根離子含量會(huì)隨之增加，依據(jù)相似相溶原理，光刻膠生成的酸類與碳酸都具有有機(jī)酸的特性，酸根離子濃度的不同會(huì)影響顯影液的顯影能力，從而導(dǎo)致THK的不同，圖2為THK測(cè)試點(diǎn)位半色調(diào)的俯視形貌和截面形貌。

圖1 光刻工藝反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Photolithographic process reaction mechanism

圖2 半色調(diào)俯視和截面形貌Fig.2 Top view and sectional view of Halftone

3 測(cè)試與驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

采用81 cm(32 in)ADS產(chǎn)品源漏極鍍膜完成的玻璃基板，進(jìn)行HTM光刻制程測(cè)試。利用控制變量法，在光刻制程中采用單因素實(shí)驗(yàn)，僅分別驗(yàn)證顯影液C1、C2參數(shù)對(duì)THK的影響關(guān)系，其余條件均同量產(chǎn)條件一致。實(shí)驗(yàn)完成后玻璃基板在產(chǎn)線ST8K 膜厚測(cè)試設(shè)備進(jìn)行半色調(diào)THK測(cè)試，膜厚測(cè)試設(shè)備以非接觸光折射原理進(jìn)行測(cè)量，每張玻璃基板測(cè)試72個(gè)點(diǎn)位，點(diǎn)位分布如圖3，獲得72個(gè)THK數(shù)據(jù)，通過這72個(gè)數(shù)據(jù)的均值反應(yīng)整張玻璃基板的THK值。

圖3 THK測(cè)試點(diǎn)位規(guī)劃圖Fig.3 THK test point map

3.2 顯影液C1對(duì)THK的影響

控制顯影液C2參數(shù)為0.50%，其余光刻條件同量產(chǎn)，C1量產(chǎn)管控為2.43%，通過添加純水和高濃度顯影液調(diào)整C1數(shù)值，測(cè)試C1變化對(duì)THK的影響，詳細(xì)條件如表1所示。

表1 C1變化對(duì)THK的影響Tab.1 Influence of C1 change on THK

從表中數(shù)據(jù)看，在其他條件不變的情況下，隨著顯影液C1的逐漸變大，THK逐漸降低，表明顯影能力逐漸增強(qiáng)。從圖4看，顯影液C1的增加，THK呈線性減小趨勢(shì)，且線性擬合R2值為0.993，非常接近線性關(guān)系，C1值每增加0.01%，THK值減小70.2 nm。

圖4 C1變化對(duì)THK的影響Fig.4 Influence of C1 change on THK

3.3 顯影液C2對(duì)THK的影響

控制顯影液C1值為2.43%，其余光刻條件同量產(chǎn)，最初顯影液儲(chǔ)槽打滿新藥液(C2值為0)，通過添加循環(huán)利用的顯影液以及空氣中長時(shí)間放置，調(diào)整C2值，測(cè)試C2值變化與THK的影響，詳細(xì)條件如表2。

表2 C2變化對(duì)THK的影響Tab.2 Influence of C2 change on THK

從表中數(shù)據(jù)看，在其他條件不變的情況下，隨著顯影液C2的逐漸變大，THK逐漸降低，表明顯影能力逐漸增強(qiáng)。從圖5看，顯影液C2的增加，THK呈線性減小趨勢(shì)，且線性擬合R2值為0.978，也接近線性關(guān)系，C2值每增加0.1%，THK值減小45 nm。

圖5 C2變化對(duì)THK的影響Fig.5 Influence of C2 change on THK

3.3 數(shù)據(jù)分析

以上兩組單因素實(shí)驗(yàn)表明，C1、C2的變化都會(huì)引起THK的變化，且都呈線性負(fù)相關(guān)，根據(jù)兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)截距，C1為-702，C2為-450，C2值變化0.1%，相當(dāng)于C1值變化0.0064%。實(shí)際生產(chǎn)過程中，THK標(biāo)準(zhǔn)控制在(550±50)nm，顯影液控制系統(tǒng)主要針對(duì)C1進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證C1值穩(wěn)定在設(shè)定值，而隨著生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行以及與大氣持續(xù)接觸，顯影液C2值會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律的波動(dòng)，從而導(dǎo)致相同生產(chǎn)條件下出現(xiàn)THK波動(dòng)情況，波動(dòng)過大即會(huì)造成溝道橋接和溝道開裂不良，由于THK波動(dòng)導(dǎo)致的不良發(fā)生率0.20%以上，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)。

3.4 改善措施及效果

通過對(duì)C1、C2與THK變化的研究規(guī)律，可將兩個(gè)參數(shù)之間建立公式關(guān)系:

[H/TC1=PVC1+X*(SVC2-PVC2)]

其中：H/TC1為補(bǔ)償后的濃度；PVC1為當(dāng)前系統(tǒng)濃度；SVC2為初始設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值；PVC2為當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)際值；X為C1與C2對(duì)THK影響的比例關(guān)系系數(shù)。

編輯導(dǎo)入顯影液控制系統(tǒng)，最初系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)初始C1和C2值作為標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)參數(shù)，連續(xù)生產(chǎn)過程中，隨著C2的變化，通過公式關(guān)系實(shí)時(shí)反饋給系統(tǒng)C1需要補(bǔ)償值，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求通過加入純水或高濃度顯影液來調(diào)節(jié)C1，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)參數(shù)的顯影能力，圖6為一臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備一段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)入系統(tǒng)公式后C1、C2的實(shí)際關(guān)系趨勢(shì)，保持生產(chǎn)過程中的顯影液的顯影能力處于相同水平。抽樣測(cè)試導(dǎo)入公式后不同C2值時(shí)32 in ADS產(chǎn)品的THK，如表3，都處于標(biāo)準(zhǔn)THK管控范圍((550±50)nm)。

圖6 C1與C2的補(bǔ)償關(guān)系趨勢(shì)Fig.6 Compensation relations trend of C1 and C2

表3 抽樣測(cè)試THK數(shù)據(jù)Tab.3 Sampling test data of THK

導(dǎo)入前后分別選取一片基板，對(duì)比72個(gè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)的等值線圖，如圖7(導(dǎo)入前選取玻璃基板THK均值為543.1 nm，導(dǎo)入后選取的為542.5 nm)，可看出導(dǎo)入后THK分布更均勻，偏大點(diǎn)和偏小點(diǎn)明顯減少，改善有效，體現(xiàn)在溝道不良的發(fā)生率也從0.20%以上降至0.03%以下。

圖7 改善前后THK等值線圖對(duì)比Fig.7 Comparison of THK contour map before and after improvement

4 結(jié) 論

通過對(duì)TFT-LCD制程中顯影液參數(shù)對(duì)半色調(diào)掩膜工藝光刻膠THK的分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及改善，主要結(jié)論如下：顯影液的濃度C1和酸根離子濃度C2對(duì)顯影能力都有影響，C1、C2的變化都與THK呈線性負(fù)相關(guān)，兩者之間與THK的關(guān)系成對(duì)應(yīng)比例關(guān)系，C2值變化0.1%，相當(dāng)于C1值變化0.0064%，C2的變化波動(dòng)可通過調(diào)整C1來補(bǔ)償，實(shí)時(shí)保持顯影能力穩(wěn)定。最終通過對(duì)顯影液控制系統(tǒng)軟體改造，將C1、C2之間比例關(guān)系公式導(dǎo)入系統(tǒng)，使生產(chǎn)過程中THK穩(wěn)定在管控范圍內(nèi)，溝道相關(guān)不良改善明顯，從0.20%以上降至0.03%以下，有效提升了產(chǎn)品良率。