電子紙的2W2D工藝改善研究

佟 月，佟 碩，王鳳濤，曹洪韜，劉艷葵，耿紅帥，李 森， 張鵬曲，盧 凱，孫 亮，張 磊，陳 思，王 威

(北京京東方光電科技有限公司，北京 100176)

1 引 言

借鑒成熟的薄膜晶體管液晶顯示(TFT-LCD)技術(shù)，新興的電子紙行業(yè)也開始了飛速發(fā)展[1-4]，電子紙的TFT基板設(shè)計(jì)越來越注重精簡(jiǎn)工藝，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低。其中，最有效的精簡(jiǎn)方式是減少掩膜數(shù)量，于是發(fā)展了半色調(diào)掩膜工藝[5-7]，實(shí)現(xiàn)了由5次光刻減少為4次光刻工藝。半色調(diào)掩膜工藝是通過將5次光刻產(chǎn)品的有源半導(dǎo)體層和源漏極層光刻合二為一，通過一次曝光，形成有源半導(dǎo)體層和源漏極層兩層的圖形，除正常的完全曝光外，在TFT溝道處需進(jìn)行部分曝光，留有部分光刻膠，以實(shí)現(xiàn)TFT溝道處n+a-Si的刻蝕。由于同時(shí)涉及金屬層和非金屬層的刻蝕，因此半色調(diào)掩膜后同時(shí)需要濕刻和干刻兩道工序。

傳統(tǒng)的半色調(diào)掩膜后的刻蝕工藝采用的是一次濕刻一次干刻(1W1D)工藝，其中干刻過程包括刻蝕a-Si形成a-Si圖形[8-11]，灰化溝道處的光刻膠暴露溝道，刻蝕溝道處金屬M(fèi)o和n+a-Si層。由于干刻過程刻蝕膜層多，刻蝕時(shí)間長，因此刻蝕均一性差，導(dǎo)致玻璃四周的溝道厚度過薄，影響TFT特性，損失良率。此外，采用1W1D的刻蝕方法對(duì)半色調(diào)掩膜光刻膠的厚度和均一性都有較高的要求，管控難度大，生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)未達(dá)管控標(biāo)準(zhǔn)返工重新進(jìn)行曝光的情況，嚴(yán)重浪費(fèi)了產(chǎn)能。

為了改善1W1D帶來的問題，我們參考了非電子紙產(chǎn)品的兩次濕刻兩次干刻(2W2D)的工藝方法。然而非電子紙的2W2D工藝會(huì)產(chǎn)生較長的a-Si拖尾，導(dǎo)致較大的寄生電容，對(duì)像素電壓造成擾動(dòng)，產(chǎn)生良率損失；此外，a-Si殘留和溝道特性問題也阻礙了電子紙良率的進(jìn)一步提升。

因此，本文對(duì)非電子紙產(chǎn)品的2W2D工藝進(jìn)行了改善，開發(fā)適合電子紙產(chǎn)品的2W2D工藝。通過降低兩次濕刻時(shí)間，改善灰化條件，減小a-Si拖尾現(xiàn)象；建立a-Si處理工序，消除a-Si殘留；調(diào)整a-Si成膜條件和鈍化層成膜前處理?xiàng)l件，改善溝道特性，使其可以完全滿足電子紙的特性要求。相比于1W1D方法，改善后的2W2D方法得到的溝道厚度均一性提升了50%，陣列檢測(cè)良率提升了4%～10%；同時(shí)無需管控半色調(diào)掩膜光刻膠的均一性，僅滿足光刻膠厚度的管控要求即可，使曝光返工比例降低60%，有效地改善了電子紙產(chǎn)品的溝道特性與刻蝕均一性，提升了產(chǎn)品良率，減少了產(chǎn)能浪費(fèi)，降低了成本，對(duì)4次光刻電子紙產(chǎn)品具有重要指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1為傳統(tǒng)的1W1D、非電子紙2W2D和本文提出的電子紙2W2D工序流程圖。圖中自下而上的膜層分別為玻璃基板，柵極金屬層，柵絕緣層，a-Si有源層，n+a-Si層和源漏極金屬層。傳統(tǒng)的1W1D工藝流程為：在半色調(diào)掩膜曝光顯影后，首先通過濕刻法刻蝕源漏極走線圖案；再通過干刻法刻蝕a-Si形成a-Si圖形，灰化溝道處的半色調(diào)掩膜光刻膠暴露溝道，刻蝕溝道處金屬M(fèi)o和n+a-Si層。非電子紙2W2D工藝流程為：首先通過第一次濕刻形成源漏極層走線圖形；再通過第一次干刻進(jìn)行a-Si層刻蝕，并灰化溝道處的光刻膠；然后通過第二次濕刻去除溝道處的金屬；最后通過第二次干刻完成溝道處n+a-Si的刻蝕。本文提出的電子紙2W2D工藝流程相比非電子紙2W2D工藝，主要變更在第一次干刻過程，增加a-Si處理步驟，改善a-Si殘留問題。此外，參數(shù)方面降低了兩次濕刻時(shí)間，變更灰化工藝條件，共同改善a-Si拖尾現(xiàn)象；調(diào)整了a-Si膜層的沉積條件和鈍化層沉積前處理?xiàng)l件，改善溝道特性。

圖1 1W1D、非電子紙2W2D和電子紙2W2D刻蝕工序流程圖。Fig.1 Flowcharts of 1W1D, 2W2D for non-electronic paper and 2W2D for electronic paper.

3 電子紙2W2D工藝改善驗(yàn)證

3.1 a-Si拖尾現(xiàn)象改善

3.1.1 a-Si拖尾現(xiàn)象不良原因

在電子紙產(chǎn)品開發(fā)過程中，采用傳統(tǒng)1W1D工藝的a-Si拖尾距離較長，長度約1.5 μm，SEM圖如圖2所示。而直接參考非電子紙2W2D方法，得到的圖形a-Si拖尾比1W1D更大，長度約1.8 μm。

圖2 1W1D的a-Si拖尾現(xiàn)象SEM圖Fig.2 SEM image of a-Si tail by 1W1D

由于a-Si拖尾區(qū)域下方無金屬遮擋，當(dāng)有光照時(shí)，該區(qū)域也會(huì)存在微弱的電荷傳輸，產(chǎn)生的作用等同于源漏極走線變寬，這時(shí)源漏極走線與像素之間的橫向距離d減小，根據(jù)公式(1)，源漏極走線與像素之間的寄生電容Cpd增大。

(1)

根據(jù)公式(2)，寄生電容增加會(huì)導(dǎo)致像素電壓Vp降低，對(duì)像素電壓造成擾動(dòng)，產(chǎn)生產(chǎn)品良率損失。

(2)

3.1.2 a-Si拖尾現(xiàn)象改善方法

為改善a-Si拖尾現(xiàn)象，我們?cè)诒ＷC源漏極金屬無殘留的情況下，降低兩次濕刻時(shí)間，并改善灰化工藝條件，來減小a-Si拖尾長度。圖3為1W1D、非電子紙2W2D和本文提出的電子紙2W2D工藝a-Si拖尾現(xiàn)象形成機(jī)理圖。

在1W1D工藝中，由于濕刻具有同向性，源漏極走線單邊會(huì)較光刻膠內(nèi)縮1.5 μm左右，而a-Si干刻具有異向性，因此a-Si與光刻膠的邊緣相齊。經(jīng)過灰化后，光刻膠的橫向和縱向均有內(nèi)縮，此時(shí)會(huì)露出部分a-Si邊緣，經(jīng)過溝道Mo和n+a-Si的干刻，露出的a-Si邊緣上層部分被刻蝕，但底部仍有殘余，而a-Si層較源漏極走線寬出的區(qū)域均為a-Si拖尾部分。非電子紙工藝之所以比1W1D的a-Si拖尾長度更長，是因?yàn)榈诙螡窨踢^程源漏極走線進(jìn)一步內(nèi)縮。本文提出的改善措施主要有兩方面，一是保證無金屬殘留情況下，盡可能降低兩次濕刻時(shí)間，減小源漏極走線邊緣內(nèi)縮程度；另一方面是變更灰化工藝參數(shù)，配合光刻膠涂膠厚度趨勢(shì)，提高膠厚處灰化速率，降低膠薄處灰化速率，減小光刻膠的橫向內(nèi)縮程度。

圖3 1W1D、非電子紙的2W2D和電子紙的2W2D刻蝕工序的a-Si拖尾現(xiàn)象形成機(jī)理圖。Fig.3 Mechanism diagrams of a-Si tail by 1W1D, 2W2D for non-electronic paper and 2W2D for electronic paper.

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，光刻膠的厚度等值線分布如圖4所示，邊緣的光刻膠偏厚，中心的光刻膠偏薄。

圖4 光刻膠的厚度等值線分布圖Fig.4 Thickness contour map of photoresist

常規(guī)的灰化條件、灰化速率等值線分布如圖5所示，灰化速率最快的位置靠近玻璃內(nèi)部，導(dǎo)致玻璃內(nèi)部的光刻膠橫向內(nèi)縮嚴(yán)重，a-Si拖尾偏長。

圖5 常規(guī)灰化條件灰化速率等值線分布圖Fig.5 Ashing rate contour map of traditional ashing condition

因此，我們對(duì)灰化工序的功率、壓強(qiáng)、SF6、O2氣體流量開展了4因子2水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中W1

表1 灰化條件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experiment design of ashing condition

結(jié)果表明，增加功率和壓強(qiáng)，降低SF6和O2氣體流量，灰化速率呈現(xiàn)邊緣快內(nèi)部慢的趨勢(shì)，即條件4的灰化速率分布情況與光刻膠厚度分布情況最為接近，因此我們選用條件4(功率W2、壓強(qiáng)P2、SF6流量G1、O2流量G1′)為電子紙2W2D的灰化條件。

圖6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)灰化速率等值線圖Fig.6 Ashing rate contour map of experimental design

綜合降低兩次刻蝕時(shí)間和變更灰化條件改善方法，進(jìn)行了a-Si拖尾長度的測(cè)試，電子紙2W2D工藝可使a-Si拖尾長度降低至0.5 μm左右，SEM圖如圖7所示。

圖7 電子紙2W2D的a-Si tail SEM圖Fig.7 SEM image of 2W2D for electronic paper

3種工藝的a-Si拖尾長度測(cè)試結(jié)果如圖8，采用電子紙2W2D工藝的a-Si拖尾長度較1W1D和非電子紙2W2D分別減少67%和72%，因此，電子紙的2W2D工藝對(duì)a-Si拖尾現(xiàn)象改善明顯。

圖8 不同工藝a-Si拖尾長度測(cè)試結(jié)果Fig.8 Results of a-Si tail length for different processes

3.2 a-Si殘留改善

3.2.1 a-Si處理工序建立

盡管降低兩次濕刻時(shí)間、變更灰化條件改善了a-Si拖尾現(xiàn)象，但是TFT基板溝道特性仍然存在問題，漏電流(Ioff)異常偏大，嚴(yán)重?fù)p害產(chǎn)品良率。無論是采用傳統(tǒng)的1W1D工藝方法，還是采用改善a-Si拖尾現(xiàn)象后的2W2D方法，這種電子紙產(chǎn)品的Ioff都無法滿足正常標(biāo)準(zhǔn)。

這主要是由于與常規(guī)LCD顯示產(chǎn)品相比，電子紙產(chǎn)品的源漏極金屬面積較大，在半色調(diào)掩膜曝光后，源漏極金屬圖形上方均覆蓋有光刻膠，因此光刻膠的面積較大，在干刻刻蝕a-Si圖形時(shí)，刻蝕環(huán)境同時(shí)具有刻蝕光刻膠的能力，因此光刻膠會(huì)分散a-Si刻蝕能力，導(dǎo)致柵極金屬邊緣出現(xiàn)a-Si殘留，SEM圖如圖9，造成漏電流偏大，無法維持正常像素電壓。盡管增加a-Si刻蝕時(shí)間，a-Si殘留問題有部分改善，但仍然無法徹底解決a-Si殘留問題。

圖9 a-Si殘留SEM圖Fig.9 SEM image of a-Si residue

因此，在a-Si刻蝕后我們?cè)黾恿藢?duì)殘留a-Si的處理工序，并對(duì)該工序的功率、壓強(qiáng)、SF6、O2、He氣體流量開展了5因子2水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中W3

表2 a-Si處理實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of a-Si experimental treatment

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，功率增加，壓強(qiáng)降低，SF6流量增加，O2流量增加，He流量降低時(shí)，殘留a-Si的處理能力更好，陣列檢測(cè)良率更高。因此，我們采用功率W4、壓強(qiáng)P3、SF6流量G4、O2流量G4′、He流量G3″，即條件14，作為電子紙的2W2D工藝a-Si處理?xiàng)l件。經(jīng)SEM測(cè)試證明，該條件刻蝕后無a-Si殘留，SEM結(jié)果如圖10所示。與a-Si刻蝕條件相比，殘留a-Si處理?xiàng)l件增加了壓強(qiáng)，提升了SF6和O2氣體流量，說明增加壓強(qiáng)，提升SF6和O2的流量對(duì)殘留a-Si處理能力更強(qiáng)。

圖10 采用殘留a-Si處理工序的SEM圖Fig.10 SEM image using residual a-Si treatment

3.2.2 a-Si刻蝕與殘留a-Si處理時(shí)間優(yōu)化

由于a-Si刻蝕與殘留a-Si處理工序均是對(duì)a-Si層的刻蝕，如果刻蝕時(shí)間較短，會(huì)導(dǎo)致a-Si殘留無法完全消除；而刻蝕時(shí)間較長，則會(huì)導(dǎo)致一定程度的柵絕緣層過刻，影響良率。因此，我們對(duì)a-Si刻蝕與殘留a-Si處理時(shí)間進(jìn)行了不同組合的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中T1

表3 不同a-Si刻蝕時(shí)間的測(cè)試結(jié)果Tab.3 Results of different etch time of a-Si

續(xù) 表

當(dāng)無殘留a-Si處理過程時(shí)，即使a-Si刻蝕時(shí)間在可選范圍內(nèi)已達(dá)到最高，也存在a-Si殘留，良率為0。當(dāng)增加a-Si處理過程后，隨著a-Si處理時(shí)間的加長，陣列檢測(cè)良率均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，a-Si處理工序時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致柵絕緣層過刻，影響良率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)a-Si刻蝕時(shí)間為T1，殘留a-Si處理時(shí)間為t2，即條件6，陣列檢測(cè)良率最高。因此選用條件6為電子紙的2W2D刻蝕條件。

3.3 TFT特性改善

為了進(jìn)一步提升電子紙的良率，我們對(duì)產(chǎn)品的TFT特性進(jìn)行了改善，即提升Ion，降低Ioff。TFT特性主要與a-Si膜層的膜質(zhì)和背溝道的界面有關(guān)，因此，我們分別對(duì)a-Si成膜條件和鈍化層前處理?xiàng)l件進(jìn)行了改善與優(yōu)化。

3.3.1 a-Si成膜條件改善

不同的a-Si成膜條件會(huì)影響膜層的致密程度與缺陷程度，產(chǎn)生不同的電子遷移率，對(duì)溝道特性有著至關(guān)重要的影響。因此，本實(shí)驗(yàn)選用不同的a-Si成膜條件(條件1和條件2)進(jìn)行驗(yàn)證，采用相同的刻蝕條件，測(cè)試TFT特性和陣列檢測(cè)良率，結(jié)果如表4所示。兩種成膜條件的工作電流Ion水平接近，但條件2較條件1相比，暗態(tài)和光態(tài)的漏電流(Ioff)均降低43%，陣列檢測(cè)良率提升4%。這主要是由于條件2的a-Si膜層較條件1的膜層相對(duì)疏松，更有利于消除a-Si殘留，降低暗態(tài)和光照條件下的Ioff特性，實(shí)現(xiàn)良率的進(jìn)一步提升。

表4 不同成膜條件的測(cè)試結(jié)果Tab.4 Results of different film conditions

3.3.2 鈍化層成膜前處理?xiàng)l件改善

產(chǎn)生漏電流(Ioff)的一個(gè)重要因素是TFT器件的背溝道效應(yīng)，背溝道形成于a-Si和鈍化層接觸的界面，因此在鈍化層成膜前需要對(duì)溝道的a-Si表面進(jìn)行化學(xué)處理，以降低背溝道的導(dǎo)電能力，從而降低Ioff，提升良率。其中，鈍化層前處理的功率是影響特性的主要參數(shù)，因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)鈍化層成膜前處理的功率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(W5

表5 不同鈍化層成膜前處理功率的測(cè)試結(jié)果

Tab.5 Results of different power before passivation deposition

條件功率/W 暗態(tài)Ioff/pA 光態(tài)Ioff/pA 陣列檢測(cè)良率1W5I2'I2″Y42W60.78 I2'0.71 I2″1.03 Y43W70.63 I2'0.59 I2″1.06Y4

增大鈍化層前處理功率，暗態(tài)和光照條件下的Ioff均有降低，其中W7條件最佳，暗態(tài)和光照條件下的Ioff分別降低37%和41%，陣列檢測(cè)良率提升6%。

3.4 均一性改善驗(yàn)證

我們選用最佳a(bǔ)-Si成膜條件2；電子紙2W2D刻蝕條件，即降低兩次濕刻時(shí)間并搭配灰化條件4，a-Si處理?xiàng)l件14，a-Si刻蝕時(shí)間條件6；鈍化層成膜前處理?xiàng)l件3，對(duì)刻蝕后溝道厚度的均一性進(jìn)行了驗(yàn)證，與增加了殘留a-Si處理工藝的1W1D工藝對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表6所示。電子紙的2W2D工藝在無需管控半色調(diào)掩膜膠厚均一性的條件下，刻蝕后溝道均一性較傳統(tǒng)1W1D提升50%，使曝光工序的返工發(fā)生率降低60%，減少了產(chǎn)能浪費(fèi)，四周溝道過刻現(xiàn)象徹底改善，陣列檢測(cè)良率得到了4%的提升。

表6 刻蝕均一性測(cè)試結(jié)果Tab.6 Results of etching uniformity

3.5 不同型號(hào)產(chǎn)品改善效果驗(yàn)證

我們選用最佳a(bǔ)-Si成膜條件2；電子紙2W2D刻蝕條件，即降低兩次濕刻時(shí)間并搭配灰化條件4，a-Si處理?xiàng)l件14，a-Si刻蝕時(shí)間條件6；鈍化層成膜前處理?xiàng)l件3，對(duì)3款4次光刻電子紙產(chǎn)品進(jìn)行了改善驗(yàn)證，與增加殘留a-Si處理工藝的1W1D刻蝕及其配套成膜條件的TFT特性與陣列檢測(cè)良率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表7所示。兩種刻蝕工藝相比，電子紙的2W2D工藝對(duì)Ion特性略有提升，對(duì)Ioff特性降低明顯，使電子紙TFT特性得到了顯著提升；同時(shí)由于2W2D工藝對(duì)a-Si拖尾現(xiàn)象和刻蝕均一性改善明顯，使得陣列檢測(cè)良率提升了4%～10%，這也進(jìn)一步表明本文提出的電子紙2W2D工藝對(duì)4次光刻電子紙產(chǎn)品具有普適性，且較單純?cè)黾觓-Si處理?xiàng)l件的1W1D方法均有明顯的改善效果。

表7 1W1D與2W2D工藝結(jié)果對(duì)比Tab.7 Comparisons of 1W1D and 2W2D results

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)非電子紙產(chǎn)品的2W2D工藝進(jìn)行改善，開發(fā)了適合電子紙產(chǎn)品的2W2D工藝。通過降低兩次濕刻時(shí)間，改善灰化條件，使a-Si拖尾長度降低至0.3 μm；建立a-Si處理?xiàng)l件，消除a-Si殘留；調(diào)整a-Si成膜條件和鈍化層成膜前處理?xiàng)l件，改善TFT特性，最終得出電子紙的最佳2W2D工藝。相比于1W1D方法，改善后的2W2D方法得到的溝道厚度均一性提升了50%，陣列檢測(cè)良率提升了4%～10%；同時(shí)無需管控半色調(diào)掩膜光刻膠的均一性，僅滿足光刻膠厚度的管控要求即可，使曝光返工比例降低60%，有效地改善了電子紙產(chǎn)品的溝道特性與刻蝕均一性，提升了產(chǎn)品良率，減少了產(chǎn)能浪費(fèi)，降低了成本，對(duì)4次光刻電子紙產(chǎn)品具有重要指導(dǎo)意義。