TFT-LCD 四次光刻工藝中的光刻膠剩余量

蔣 雷， 黃學(xué)勇， 劉良軍， 李廣圣， 王 尖，李向峰， 慕紹帥， 邵 博

(成都中電熊貓顯示科技有限公司，四川 成都 610200)

1 引 言

隨著薄膜晶體管液晶顯示(Thin film transistor liquid crystal display, TFT-LCD)技術(shù)愈加成熟，傳統(tǒng)非晶硅 (Amorphous silicon, a-Si)工藝的劣勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，如因電子遷移率低而導(dǎo)致的難以實(shí)現(xiàn)高清晰度和高分辨率[1-2]，以及難以作為有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(Active-matrix organic light-emitting diode, AMOLED)的背板而應(yīng)用在新一代的顯示技術(shù)中。非晶銦鎵鋅氧化物(Amorphous indium gallium zinc oxide)則因具有高載流子遷移率、大電流開關(guān)比、低功耗等優(yōu)勢(shì)，更加適用于作為超高分辨率屏幕的半導(dǎo)體有源層[3-4]。

在液晶面板行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，各面板廠家除了追求優(yōu)良的產(chǎn)品品味，更將縮減生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)節(jié)拍作為重點(diǎn)研發(fā)方向[5-6]。四次光刻工藝是在五次光刻工藝的基礎(chǔ)之上，采用半光刻技術(shù)，將有源層與源漏金屬層合并為一次光刻制程。其中，精確控制光刻膠剩余膜厚極為重要[7-8]，直接關(guān)系到導(dǎo)電溝道的寬長(zhǎng)比 (W/L)，進(jìn)而影響TFT的電學(xué)特性。在半光刻工藝中，減壓干燥時(shí)間、預(yù)烘溫度、曝光量、顯影時(shí)間都直接影響半光刻區(qū)域光刻膠剩余量。一方面，光刻膠剩余量過大，易導(dǎo)致源漏金屬層短接，形成亮點(diǎn)異常；光刻膠剩余量過小，則溝道處非晶銦鎵鋅氧化物可能被刻開，導(dǎo)致無(wú)法驅(qū)動(dòng)，形成暗點(diǎn)。更為重要的是，陣列基板上AA區(qū)域(Active area)和GOA區(qū)域 (Gate on array)TFT的寬長(zhǎng)比 (W/L) 尺寸有可能存在差異，這就要求在半光刻工藝中，光刻膠剩余量必須滿足不同寬長(zhǎng)比 (W/L) TFT的規(guī)格范圍 (Margin)，更增加了工藝條件的控制難度。

就目前而言，非晶硅基TFT-LCD的四次光刻工藝研究比較成熟[9]，而關(guān)于非晶銦鎵鋅氧化物有源層四次光刻工藝的研究較少。因此，本研究主要針對(duì)非晶銦鎵鋅氧化物四次光刻工藝，通過全因子實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證半光刻工藝中減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間對(duì)光刻膠剩余量的影響，并采用控制變量法驗(yàn)證曝光量對(duì)光刻膠剩余量、線寬的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備

采用2 620 mm×2 290 mm的玻璃基板進(jìn)行單金屬 (Cu)成膜，然后在涂膠顯影裝置(Semes SIPMU2290)和曝光裝置(Nikon FX-86S2)進(jìn)行半光刻的涂布曝光顯影制程。該制程的主要步驟為：清洗、烘烤、光刻膠涂布、減壓干燥、預(yù)烘、光刻膠曝光(圖1(a))、光刻膠顯影(圖1(b))。光刻膠材料型號(hào)為默克SCR-100，光刻膠涂布厚度為2.2 μm，顯影液濃度為2.16%，顯影液酸根離子濃度C2為2.5×10-5，顯影液濁度在0.1%以下。影響光刻膠膜殘量的主要因素有減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度、曝光量以及顯影時(shí)間。其中，減壓干燥快抽時(shí)間以及預(yù)烘溫度會(huì)影響光刻膠的固化程度，進(jìn)而影響與顯影液反應(yīng)速度，影響最終的光刻膠剩余量以及線寬；曝光量會(huì)影響光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)，從而影響最終的光刻膠剩余量以及線寬；顯影時(shí)間會(huì)影響光刻膠與顯影液的反應(yīng)時(shí)間，從而影響最終的光刻膠剩余量以及線寬。如圖1(a)所示，在掩膜版的半光刻區(qū)域存在半透膜，相對(duì)于正常曝光區(qū)域只有部分光強(qiáng)透過，使光刻膠只有部分感光。如圖1(b)所示，正常曝光區(qū)域在顯影后被完全顯影，無(wú)光刻膠殘留；然而，在半光刻區(qū)域的光刻膠由于部分感光，在顯影后底部存在部分光刻膠殘留(黑色方框區(qū)域)。

圖1 光刻膠半光刻示意圖。 (a)曝光后；(b)顯影后。

2.2 減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間對(duì)半光刻區(qū)域光刻膠剩余量、線寬的影響

為了研究光刻膠剩余量、線寬以及均一性(((Max-Min)/(Max+Min))×100%)與減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了以上因素的全因子實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。其中減壓干燥快抽時(shí)間分別為10，12.5，15 s，預(yù)烘溫度為105，110，115 ℃，顯影時(shí)間為52，56，60 s，曝光量固定為71 mJ/cm2。

表1 減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間的全因子驗(yàn)證

2.3 曝光量對(duì)半光刻區(qū)域光刻膠剩余量、線寬的影響

根據(jù)減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用控制變量法，驗(yàn)證光刻膠曝光量對(duì)光刻膠剩余量、線寬以及均一性的影響，曝光量分別設(shè)置為63，67，71，75，79 mJ/cm2，減壓干燥快抽時(shí)間為10 s，預(yù)烘溫度為115 ℃，顯影時(shí)間為52 s，實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 曝光量單因子實(shí)驗(yàn)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)收集

采用線寬測(cè)量裝置、膜厚測(cè)量裝置對(duì)線寬、光刻膠剩余量進(jìn)行測(cè)量，每一枚基板測(cè)量120個(gè)點(diǎn)位，點(diǎn)位如圖2所示。使用掃描電子顯微鏡以及原子力顯微鏡對(duì)半光刻區(qū)域的光刻膠剩余量以及形貌進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)，圖3為半光刻區(qū)域光刻膠剩余量的俯視圖(圖3(a))、截面圖 (圖3(b))以及3D形貌圖 (圖3(c))。

圖2 半光刻區(qū)域線寬和光刻膠剩余量測(cè)試點(diǎn)位分布圖

圖3 半光刻區(qū)域俯視圖(a)、截面圖(b)和3D形貌圖(c)。

3.2 減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間對(duì)光刻膠剩余量、線寬的影響

表3為不同條件下光刻膠剩余量、線寬以及均一性。分析可知，隨著減壓干燥快抽時(shí)間的增加，光刻膠剩余量逐漸減小；隨著預(yù)烘溫度逐漸升高，光刻膠剩余量逐漸增大；隨著顯影時(shí)間的增加，光刻膠剩余量逐漸減小。其中減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度均對(duì)光刻膠在曝光時(shí)的感光度有影響，從而影響到最終的光刻膠剩余量。顯影時(shí)間是通過影響光刻膠感光部與顯影液反應(yīng)時(shí)間，從而影響到最終的光刻膠剩余量。此外，不同條件下的光刻膠剩余量均一性(<5%)以及線寬均一性(<4%)良好。由圖4可知，減壓干燥快抽時(shí)間對(duì)光刻膠剩余量影響的主效應(yīng)較小，預(yù)烘溫度以及顯影時(shí)間對(duì)光刻膠剩余量的影響較為顯著。當(dāng)減壓干燥快抽時(shí)間為10 s，預(yù)烘溫度為115 ℃、顯影時(shí)間為52 s時(shí)，光刻膠剩余量和線寬分別為 0.42 μm和10.95 μm，其所對(duì)應(yīng)的均一性分別為3.70%和3.40%。

表3 光刻膠剩余量、線寬及均一性的測(cè)試結(jié)果

圖4 減壓干燥快抽時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間對(duì)半色調(diào)光刻膠膜殘量主效應(yīng)圖。

3.3 曝光量對(duì)光刻膠剩余量、線寬的影響

采用控制變量法，驗(yàn)證單因子曝光量與光刻膠剩余量、線寬的關(guān)系。從圖5(a)可以看出，隨著曝光量的逐漸增加，半光刻區(qū)域光刻膠剩余量逐漸減少，且線性擬合值為R2=0.996，表明曝光量與光刻膠剩余量呈強(qiáng)線性關(guān)系。此外，光刻膠剩余量均一性隨著曝光量的增加，未見明顯波動(dòng)。從圖5(b)可以看出，隨著曝光量的逐漸增加，線寬逐漸減小，且線性擬合值為R2=0.997 9，也接近線性關(guān)系。線寬均一性隨著曝光量的增加，無(wú)明顯波動(dòng)。曝光量每增加1 mJ/cm2，線寬減小約0.055 μm，光刻膠剩余量減少0.037 μm。圖6表示曝光量為 64 mJ/cm2時(shí)，半光刻區(qū)域光刻膠剩余量 (圖6(a))與線寬 (圖6(b))的等值線圖。可以看出光刻膠剩余量偏大的位置，線寬同樣偏大；光刻膠剩余量偏小的位置，線寬同樣偏小?？紤]到后續(xù)的濕法刻蝕與干法刻蝕(灰化)的對(duì)光刻膠影響，曝光量在67 mJ/cm2時(shí)，光刻膠剩余量0.51 μm 較為理想。

圖5 曝光量變化對(duì)光刻膠剩余量以及均一性 (a)、線寬以及均一性(b)的影響。

圖6 半色調(diào)光刻光刻膠剩余量 (a)、線寬 (b) 的等值線圖。

4 討 論

在半光刻的涂布曝光顯影制程中，減壓干燥單元通過控制腔室底部的蝴蝶閥開啟大小來控制抽氣速率，主要分為3個(gè)步驟(圖7)。前期為慢抽(蝴蝶閥開合度較小)，去除光刻膠中大部分溶劑，中期為保持階段(蝴蝶閥關(guān)閉)，可以使光刻膠在縱向維度具有良好的均一性；后期為快抽，用于除去在慢抽階段中不易抽干的光刻膠溶劑。

圖7 減壓干燥主要步驟

減壓干燥快抽時(shí)間對(duì)半光刻區(qū)域光刻膠剩余量的影響如圖4所示。隨著減壓干燥快抽時(shí)間的逐漸增加，光刻膠剩余量呈降低趨勢(shì)。減壓干燥快抽時(shí)間對(duì)光刻膠剩余量的影響主要有兩方面，一是減壓干燥快抽時(shí)間增加，光刻膠水分更少，在曝光顯影后，光刻膠剩余量會(huì)增加；另一方面是減壓干燥快抽時(shí)間增加，光刻膠膜減量會(huì)增加，光刻膠剩余量會(huì)減小。綜合以上兩項(xiàng)因素，使得隨減壓干燥快抽時(shí)間的增加，光刻膠剩余量的變化較小，且光刻膠的膜減量作用大于因光刻膠水分的減少而導(dǎo)致的光刻膠剩余量增加。由于減壓干燥快抽時(shí)間對(duì)光刻膠剩余量影響較小，考慮到生產(chǎn)節(jié)拍影響，選擇減壓干燥快抽時(shí)間10 s作為最優(yōu)條件。

由圖4可知，預(yù)烘溫度對(duì)光刻膠剩余量影響較大。溫度從105 ℃升高到115 ℃后，光刻膠剩余量有明顯的增大。預(yù)烘是使用近距離加熱方式，通過熱輻射對(duì)光刻膠進(jìn)行加熱，加熱溫度越高，對(duì)光刻膠的水分蒸發(fā)越多，固化作用越明顯，從而在顯影時(shí)的反應(yīng)速率降低，導(dǎo)致光刻膠剩余量增大。同時(shí)，溫度越高，光刻膠中感光成分揮發(fā)越多，在相同的曝光量下，光刻膠感光量更少，光刻膠剩余量增大。由于這兩方面的綜合作用，使得預(yù)烘溫度對(duì)光刻膠剩余量影響較大[10]。

由圖4可知，顯影時(shí)間對(duì)光刻膠剩余量影響較大。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，玻璃基板置于顯影單元的傳送軸上，單元內(nèi)的噴頭均勻噴灑顯影液，通過控制基板在傳送軸上的傳送速度進(jìn)而控制顯影液與光刻膠的反應(yīng)時(shí)間。圖8為在52 s顯影條件下的半光刻區(qū)域的掃描電子顯微鏡下的形貌，具有良好的錐角(Taper)角，可滿足生產(chǎn)節(jié)拍，因此選擇52 s作為最優(yōu)條件。

圖8 顯影時(shí)間為52 s時(shí)的半光刻區(qū)域形貌

曝光量與曝光功率(mW/cm2)、曝光寬幅(mm)、曝光速度(mm/s)存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，如公式 (1)所示。

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(1)

在曝光過程中，曝光功率×曝光寬幅是固定的，通過控制曝光速度進(jìn)而控制曝光量。圖5為曝光量與光刻膠剩余量、線寬之間的關(guān)系，即曝光量越大，曝光速度越慢，在單位時(shí)間內(nèi)光刻膠接受到的輻射量增加，光化學(xué)反應(yīng)越充分，在顯影時(shí)顯影速率越快。故隨著曝光量的增加，光刻膠剩余量、線寬越小。一方面，在曝光過程中，曝光機(jī)通過干涉計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)測(cè)基板載臺(tái)與掩膜版載臺(tái)的位置，使得在曝光過程中兩者的移動(dòng)速率保持一致；另一方面，曝光機(jī)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)基板載臺(tái)的水平度，保證基板始終在最佳焦深范圍內(nèi)，從而可以調(diào)節(jié)不同的曝光量，獲得理想的光刻膠剩余量、線寬的均一性。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，須穩(wěn)定控制半光刻區(qū)域的光刻膠剩余量大小以及均一性，確保整個(gè)基板的TFT驅(qū)動(dòng)特性。若光刻膠剩余量過大，在干法刻蝕時(shí)需增加灰化時(shí)間，以保證TFT溝道處的光刻膠灰化完全，但會(huì)導(dǎo)致橫向方向線寬損失量過大，濕法刻蝕后走線線寬偏小。若光刻膠剩余量過小，在GOA (Gate on array) 區(qū)域W/L比例不同，在部分位置存在半光刻區(qū)域無(wú)光刻膠殘留或者光刻膠殘留較小，會(huì)影響刻蝕后的驅(qū)動(dòng)特性以及TFT形貌。在此次驗(yàn)證中，當(dāng)控制光刻膠剩余量在0.51 μm左右、線寬在11.17 μm左右時(shí)，可滿足后續(xù)的光刻膠灰化、以及濕刻工藝制程。

5 結(jié) 論

減壓干燥時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間、曝光量均會(huì)影響四次光刻制程中光刻膠剩余量、線寬以及均一性。為了獲得制程最佳工藝條件，可先對(duì)減壓干燥時(shí)間、預(yù)烘溫度、顯影時(shí)間進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以獲得上述參數(shù)的最佳條件組合；再利用曝光量與光刻膠剩余量的線性關(guān)系特點(diǎn)，采用控制變量法通過改變曝光量對(duì)光刻膠剩余量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而有效控制光刻膠剩余量。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)減壓干燥快抽時(shí)間為10 s、預(yù)烘溫度為115 ℃、顯影時(shí)間為52 s、曝光量為67 mJ/cm2時(shí)，光刻膠剩余量為0.51 μm， 均一性為3.67%；線寬為11.17 μm，均一性為3.4%。