錯(cuò)位疊加曝光法制作楔形斜面微結(jié)構(gòu)研究

董立文， 宋曉欣， 顧仁權(quán)， 張 鋒， 袁廣才， 姚 琪， 呂志軍， 劉文渠， 崔 釗

(京東方科技集團(tuán)股份有限公司，北京 100176)

1 引 言

近年來(lái)，隨著液晶顯示技術(shù)的發(fā)展日漸成熟，人們對(duì)顯示體驗(yàn)的需求越來(lái)越多樣化，促使各種不同應(yīng)用場(chǎng)景的新型顯示器件層出不窮，如裸眼3D顯示[1-2]、指向式顯示[3-4]、透明顯示[5-6]等顯示器件。為實(shí)現(xiàn)這類(lèi)顯示器件的不同功能，通常在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出特殊需求，如光柵結(jié)構(gòu)、斜面反射結(jié)構(gòu)、高PS結(jié)構(gòu)等等，不僅對(duì)材料特性提出較高的要求，對(duì)制作工藝也帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

對(duì)于裸眼3D顯示技術(shù)或指向式顯示技術(shù)，為達(dá)到相應(yīng)顯示效果，通常會(huì)在器件內(nèi)部制作斜面反射微結(jié)構(gòu)，形成特定光場(chǎng)，使入射光或出射光按照設(shè)定光路沿特定角度進(jìn)行反射，從而實(shí)現(xiàn)裸眼3D或特定角度顯示的顯示效果。目前，從工藝角度來(lái)講，對(duì)于楔形微結(jié)構(gòu)的形成，最佳的制作手段是納米壓印技術(shù)[7]，其形成微結(jié)構(gòu)的斜角精度最高、斜面平坦度最好，但該技術(shù)對(duì)設(shè)備和材料要求極高，且壓印模版制作成本較高，而且為形成顯示器件內(nèi)部特定光路，對(duì)微結(jié)構(gòu)位置精度要求在1 μm以?xún)?nèi)，但納米壓印技術(shù)控制的層間對(duì)位精度最高為10 μm，很難將光學(xué)微結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)地壓印在特定位置。此外，灰階曝光技術(shù)[8]也可以實(shí)現(xiàn)斜面結(jié)構(gòu)的制作，通過(guò)制作具有連續(xù)灰階的光罩，實(shí)現(xiàn)UV透過(guò)率在一個(gè)方向連續(xù)變化，使光阻在該方向接收UV劑量也連續(xù)變化，最終使顯影后的光阻呈現(xiàn)斜面形貌。但具有灰階的掩膜 (Gray Tone Mask，GTM)實(shí)現(xiàn)灰階的方式是形成不同間距的縫隙，每個(gè)縫隙的寬度相同，間距沿特定方向逐漸遞增或遞減，而且為實(shí)現(xiàn)灰階變化的連續(xù)性，縫隙需做得很窄(<1 μm)，導(dǎo)致這種光罩的加工難度高，制作成本高。

本文基于T公司生產(chǎn)的某型號(hào)正性光阻，采用錯(cuò)位疊加曝光的方法，實(shí)現(xiàn)灰階曝光的效果，最終得到具有特定角度的楔形微結(jié)構(gòu)的斷面形貌，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該型號(hào)光阻的UV光吸收系數(shù)以及使光阻發(fā)生分解反應(yīng)的臨界曝光能量進(jìn)行計(jì)算。

2 模型建立與計(jì)算

2.1 錯(cuò)位疊加曝光

本文提出的錯(cuò)位疊加曝光技術(shù)是一種利用常規(guī)掩膜版達(dá)到灰階曝光效果的光刻工藝技術(shù)，無(wú)需使用灰階曝光掩膜。工藝過(guò)程如下：在完成一次曝光后，移動(dòng)一定距離再次進(jìn)行曝光，然后按相同方向再次進(jìn)行移動(dòng)和曝光，如圖1所示。每次移動(dòng)的距離及曝光次數(shù)根據(jù)微結(jié)構(gòu)斜面角度而定。

圖1 錯(cuò)位疊加曝光方法原理圖Fig.1 Diagram of dislocation and superposition exposure method

2.2 模型計(jì)算

光阻的曝光、顯影以及固化過(guò)是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。為進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算并表征出最終的光阻形貌，首先將理想斜面結(jié)構(gòu)等效成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，分別稱(chēng)之為理想模型和等效模型，根據(jù)Lambert-beer定律[9]：

I=I0E-αh

(1)

其中：I0為初始UV光能量值，I為使光阻中感光劑PAC不能再繼續(xù)反應(yīng)的臨界曝光能量值，α為光阻對(duì)UV的吸收系數(shù)。

由于采用錯(cuò)位疊加曝光方案實(shí)現(xiàn)灰階曝光，對(duì)于光阻的某個(gè)區(qū)域在縱向上并非只進(jìn)行一次感光，而是多次感光，而且光阻經(jīng)過(guò)UV感光的區(qū)域與未經(jīng)感光的區(qū)域?qū)V的吸收系數(shù)不同，因此需要對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化。如圖2所示，光阻UV感光的順序從Step1到Step4，假設(shè)未感光光阻吸收系數(shù)為α，感光區(qū)域光阻吸收系數(shù)為α′，可得到如下關(guān)系：

圖2 錯(cuò)位疊加曝光效果示意圖Fig.2 Schematic diagram of exposure effect of dislocation and superposition

I=i1E-αh1

(2)

(3)

I=i3E-[α′(h1+h2)+αh3)]

(4)

I=i4E-[α′(h1+h2+h3)+αh4)]

(5)

根據(jù)以上關(guān)系，可以對(duì)i值、α以及α′進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)上述方法計(jì)算出每個(gè)Step需要的曝光能量。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 正性光阻

實(shí)驗(yàn)采用T公司生產(chǎn)的一款正性紫外感光光阻，主體成分為聚酰亞胺前體(Polyimide precursor)、γ-丁內(nèi)酯(GBL)、乳酸乙酯(EL)、丙二醇單甲醚醋酸酯(PGMEA)以及添加劑。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)上述模型，可以計(jì)算出錯(cuò)位疊加曝光過(guò)程中，每次感光所需的曝光能量值。為得到曝光能量，首先需要3個(gè)重要的參數(shù)，即光阻在感光前后對(duì)UV光的吸收系數(shù)α、α′以及光阻發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的臨界曝光能量I值。為得到上述參數(shù)，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)用基板為康寧(CORNING)公司生產(chǎn)的Lotus-TM NTX系列玻璃，玻璃尺寸為370 mm×470 mm，厚度為0.5 mm。在玻璃進(jìn)行涂膠之前，需進(jìn)行清洗處理，然后將光阻均勻涂覆在玻璃基板表面。本實(shí)驗(yàn)采用旋涂方式進(jìn)行涂膠，然后用熱板進(jìn)行前烘工藝(Soft Bake)，前烘溫度為120 ℃，時(shí)間為500 s。曝光工藝過(guò)程采用兩種方式進(jìn)行：(1)錯(cuò)位疊加曝光的每次UV照射能量相同；(2)每次UV照射能量不同。曝光過(guò)程完成后進(jìn)行顯影工藝，顯影方式為噴淋式顯影(Spray)，顯影時(shí)間為3 min，顯影液為濃度2.38%的TMAH，最后在烘箱中進(jìn)行固化，固化溫度230 ℃，時(shí)間60 min。以上實(shí)驗(yàn)完成后，計(jì)算并得到吸收系數(shù)α和α′， 以及光阻發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的臨界曝光能量I值，最后計(jì)算得到每一次錯(cuò)位疊加曝光的能量值。為證明錯(cuò)位疊加曝光法的準(zhǔn)確性，再次進(jìn)行涂膠、前烘、曝光、顯影以及熱固化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變。

4 結(jié)果與討論

在進(jìn)行錯(cuò)位疊加曝光的過(guò)程中，當(dāng)每次UV照射能量相同時(shí)，根據(jù)Lambert-beer定律，等效模型中每個(gè)臺(tái)階的感光情況如下：

Step1:I=i1E-αh1

(6)

(7)

Step3:I=i3E-[α′(h1+h2)+αh3)]

(8)

因?yàn)閕1=i2=i3，可得：

(9)

圖3為SEM的測(cè)試結(jié)果，Step0區(qū)域的光阻未進(jìn)行感光處理，光阻厚度約5.2 μm，說(shuō)明涂膠實(shí)際厚度約為5.2 μm。當(dāng)UV的照射能量值超過(guò)90 mJ時(shí)，第三次進(jìn)行錯(cuò)位疊加曝光后，Step3區(qū)域的光阻基本無(wú)殘余厚度，說(shuō)明能量為270 mJ的UV光已經(jīng)使5.2 μm厚的光阻完全感光并完全顯影。根據(jù)h1和h2測(cè)試數(shù)據(jù)(表1)可計(jì)算得到如下關(guān)系：

(10)

(11)

圖3 錯(cuò)位疊加曝光能量相同情況得到的光阻形貌Fig.3 Photoresist profile obtained by the same exposure energy of each dislocation

表1 錯(cuò)位疊加曝光能量相同情況的h值Tab.1 h value at the same exposure energy of etch dislocation

但由于每次進(jìn)行錯(cuò)位疊加曝光的i值相同，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法計(jì)算出具體的α值以及I值，因此需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，對(duì)每個(gè)Step采用不同的曝光能量進(jìn)行曝光，目的是為了引入i變量，求得α值以及I值。

當(dāng)錯(cuò)位疊加曝光每次的UV照射能量不同時(shí)，即i值不同，根據(jù)Lambert-beer定律。等效模型中每個(gè)臺(tái)階的感光情況如下：

Step1:I=i1E-αh1

(12)

(13)

Step3:I=i3E-α′(h1+h2)E-αh3

(14)

可以根據(jù)Step1和Step2感光情況得到如下關(guān)系：

(15)

且α’≈0.2α，最終可得如下關(guān)系：

(16)

將圖4及表2中測(cè)試數(shù)據(jù)i的能量值和h段差值代入上述公式，計(jì)算α約為1.14；再將α值代入Step1公式，可計(jì)算出I值，計(jì)算結(jié)果I約為8 mJ，也就是說(shuō)使光阻不在進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)的UV能量約為8 mJ。最終根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，求得α約為1.14，α′約為0.22，I值為8 mJ。

圖4 錯(cuò)位疊加曝光能量不同情況得到的光阻形貌Fig.4 Photoresist profile obtained by the different exposure energy of each dislocation

表2 錯(cuò)位疊加曝光能量不同情況的h值Tab.2 h value at the different exposure energy of etch dislocation

基于以上數(shù)據(jù)，分別制作兩種不同高度的斜面結(jié)構(gòu)對(duì)上述理論進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，判斷I值和α值的準(zhǔn)確性。首先需要計(jì)算出每次錯(cuò)位曝光需要的能量i，設(shè)定斜面目標(biāo)高度分別為3.7 μm以及7.5 μm，斜角θ目標(biāo)值為32°，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，按照Lambert-beer定律，分別計(jì)算出錯(cuò)位疊加曝光過(guò)程中每次感光能量大小，如表3所示。

表3 基于I值和α值計(jì)算錯(cuò)位疊加曝光的能量值Tab.3 Each dislocation exposure energy calculated based on the I and α value

對(duì)于第一種高度的結(jié)構(gòu)，楔形斜面反射結(jié)構(gòu)高度H為3.7 μm，斜面角度θ為32°時(shí)，從圖5的SEM數(shù)據(jù)中可以看出Step1的曝光能量60 mJ不變時(shí)，Step2曝光能量從110 mJ增加至140 mJ，所得到的楔形斜面的底角θ在31°～33°之間變化，結(jié)構(gòu)高度H在3.69～3.74 μm之間變化，該結(jié)構(gòu)基本符合目標(biāo)值。如圖5(d)所示，當(dāng)Step2的曝光能量增加至140 mJ時(shí)，該區(qū)域的光阻殘留厚度降低，最終導(dǎo)致斜面底角θ增大至40°，與目標(biāo)值偏差較大。

對(duì)于第二種高度的結(jié)構(gòu)，楔形斜面反射結(jié)構(gòu)高度H為7.5 μm，斜面角度θ為32°，從圖6的SEM數(shù)據(jù)中可以看出，圖6(a～d)中Step1和Step2的曝光能量分別為100 mJ和200 mJ不變，而圖6(a)Step3曝光能量為200 mJ時(shí)，斜面的底角θ約為27°，主要原因是Step3區(qū)域光阻接受到總的曝光能量為500 mJ，能量過(guò)低，導(dǎo)致Step3區(qū)域殘留光阻厚度過(guò)大，最終使斜面的底角θ偏小。如圖6(b)、6(c)中樣品SEM數(shù)據(jù)所示，當(dāng)提高Step3總的曝光能量至600～700 mJ時(shí)，即i3的能量為300～400 mJ時(shí)，所得到的楔形斜面的底角θ約為33°，結(jié)構(gòu)高度H在7.10～7.34 μm之間變化，該結(jié)構(gòu)基本符合目標(biāo)值。但圖6(a～c)中樣品的斜面底角θ為36°，主要原因?yàn)镾tep4區(qū)域接收到的總曝光能量過(guò)高，約為1 100 mJ，而圖6(a～c)中樣品Step4區(qū)域接收到的總曝光能量卻為1 000 mJ，過(guò)高的曝光能量會(huì)提高衍射影響程度，導(dǎo)致Step3區(qū)域光阻殘余厚度降低，最終使斜面的底角θ偏大。另外，對(duì)于圖5中樣品Step3～Step5的能量選擇以及圖6中樣品Step4的能量選擇，因該區(qū)域不需要?dú)埩艄庾?，只要該區(qū)域光阻所接收的UV能量足以使光阻完全發(fā)生反應(yīng)并對(duì)相鄰Step區(qū)域光阻因衍射不至于產(chǎn)生過(guò)大影響即可。

圖5 不同曝光條件(左)得到的相應(yīng)楔形光阻形貌(右)(H=3.7 μm)。(a) Step2=110 mJ；(b) Step2=120 mJ；(c) Step2=130 mJ；(d) Step2=140 mJ。Fig.5 Wedge-shaped photoresist profile obtained under different exposure conditions (H=3.7 μm). The images on the left represent the exposure condition. (a) Step2=110 mJ； (b) Step2=120 mJ； (c) Step2=130 mJ； (d) Step2=140 mJ.

圖6 不同曝光條件(左)得到的相應(yīng)楔形光阻形貌(右)(H=7.5 μm)。(a) Step3=200 mJ，Step4=400 mJ；(b) Step3=300 mJ，Step4=300 mJ；(c) Step3=400 mJ，Step4=200 mJ；(d) Step3=400 mJ，Step4=300 mJ。Fig.6 Wedge-shaped photoresist profile obtained under different exposure conditions (H=7.5 μm). Images on the left represent the exposure condition. (a) Step3=200 mJ, Step4=400 mJ； (b) Step3=300 mJ, Step4=300 mJ； (c) Step3=400 mJ, Step4=200 mJ； (d) Step3=400 mJ, Step4=300 mJ.

圖7為制作的單色指向式顯示器件不同視角的效果圖，目標(biāo)視角為30°。從顯示效果可以看出，視角小于或大于30°時(shí)，屏幕的亮度均有所降低，說(shuō)明采用錯(cuò)位疊加曝光方法制作的斜面微結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)背光的特定角度反射。

圖7 指向式顯示器件不同視角的顯示效果Fig.7 Display effects from different perspectives

5 結(jié) 論

本文基于UV感光的T公司生產(chǎn)的某正性光阻，采用錯(cuò)位疊加曝光的方法，實(shí)現(xiàn)了同灰階曝光技術(shù)相同的效果，建立了獲得特性角度的楔形斜面結(jié)構(gòu)的理想模型以及等效模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)在Lambert-beer定律的基礎(chǔ)上計(jì)算出該型號(hào)正性光阻感光前后的不同吸收系數(shù)α與α′，以及使該光阻發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的臨界能量，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)制作出與理論設(shè)計(jì)匹配的楔形斜面結(jié)構(gòu)的光阻結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該型光阻在感光前與感光后對(duì)UV的吸收系數(shù)不同，感光前的吸收系數(shù)α約為1.14，而感光后的吸收系數(shù)α′約為感光前的20%。使該型光阻發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的臨界UV能量約為8 mJ，低于該能量值時(shí)光阻幾乎不發(fā)生反應(yīng)?；阱e(cuò)位疊加曝光的方法，將具有特定角度及高度的楔形斜面結(jié)構(gòu)等效為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)后，并根據(jù)Lambert-beer定律計(jì)算得到的錯(cuò)位曝光能量，可以得到與理論設(shè)計(jì)相同的楔形斜面結(jié)構(gòu)。