OLED 掩模版Mura 缺陷分析與改善

束名揚，張玉星，袁卓穎

（中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 211000）

0 引言

有機發(fā)光二極管（OLED）顯示器具有可彎曲、高色域、寬視角等優(yōu)點，已替代傳統(tǒng)的液晶顯示器（LCD）成為當前顯示領域的主流。當前消費電子OLED 屏像素密度（PPI）已達441 及以上，對應掩模版圖形最小特征尺寸已達微米級。Mura 作為一種顯示畫質不良的缺陷，表現(xiàn)為顯示器件亮度不均勻，宏觀上呈現(xiàn)出各種痕跡。隨著顯示技術的發(fā)展，制造工藝日趨復雜，Mura的類型日益增多，因此對最終顯示器件良品率的影響也越來越大[1-4]。Mura 雖然不會影響到功能使用，但畫質缺陷直接影響到主觀視覺，客戶的品質需求以及激烈的競爭環(huán)境均對顯示質量提出更高要求[5-6]。通過光刻工藝將掩模版上的電路圖形轉移至基板上是OLED制造工藝中的關鍵環(huán)節(jié)，作為圖形復制模板，掩模版的圖形質量直接決定了終端顯示產(chǎn)品的品質，其Mura缺陷管控至關重要。

對OLED 掩模版生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的Mura 缺陷進行分析，發(fā)現(xiàn)這種缺陷與陣列像素單元鄰近輔助圖形有關，在顯影工藝后表現(xiàn)出陣列像素單元關鍵尺寸（CD）不均勻與宏觀色差。本文基于Mura 缺陷分析，定位到溶于顯影液中的光刻膠濃度差異對顯影速度的影響，并基于當前的顯影設備，提出了顯影工藝改進方案。

1 Mura 缺陷分析與工藝改進

1.1 Mura 缺陷分析

OLED 掩模版Mura 缺陷主要表現(xiàn)為陣列像素單元邊緣區(qū)域呈現(xiàn)宏觀色差，背景光下表現(xiàn)出明顯亮度差異，呈現(xiàn)出不規(guī)則痕跡，OLED 掩模版Mura 缺陷如圖1 所示。

圖1 OLED 掩模版Mura 缺陷

對掩模版Mura 缺陷分布情況進行分析，發(fā)現(xiàn)Mura 主要分布于陣列像素單元邊緣區(qū)域，且與陣列像素單元邊緣輔助（透光）圖形大小存在相關關系。選擇圖1 中的掩模版A、B Mura 區(qū)域進行分析，其中A 區(qū)域鄰近輔助圖形尺寸為1.61 mm×3.45 mm，距離陣列像素單元圖形1.48 mm；B 區(qū)域鄰近輔助圖形尺寸為1.61 mm×1.61 mm，距離陣列像素單元圖形1.48 mm。A、B 區(qū)域像素單元圖形CD 設計值為2.96 μm，利用MueTec 2010UV/VIS 型掩模版量測設備量測A、B 區(qū)域像素單元CD，其CD 分布分別如圖2、3 所示。

圖2 A 區(qū)域像素單元CD 分布

圖3 B 區(qū)域像素單元CD 分布

根據(jù)量測數(shù)據(jù)可知，A 區(qū)域的CD（Max）為3.208 μm，CD（Min）為2.897 μm；B 區(qū)域的CD（Max）為3.189 μm，CD（Min）為2.877 μm。由上述像素單元CD 分布可知，Mura 區(qū)域陣列像素單元圖形尺寸與正常區(qū)域存在較大差異。進一步對掩模版Mura 區(qū)域及正常區(qū)域CD 分布情況進行分析，可知Mura 區(qū)域面積與輔助圖形大小呈現(xiàn)正相關關系；Mura 區(qū)域CD 偏差與輔助圖形大小呈現(xiàn)正相關關系，與輔助圖形距離呈現(xiàn)負相關關系。

依據(jù) SEMI（Semiconductor Equipment and Materials International）標準給出的Mura 缺陷評估方法[7]，Mura 在最小可識別度條件下的對比度Cjnd與缺陷面積Sjnd的關系為

則Mura 的缺陷等級Semu可以表示為

式中，|Cx|為Mura 缺陷區(qū)域的平均對比度。由式（2）可知，Mura 缺陷等級與缺陷區(qū)域平均對比度以及缺陷面積呈現(xiàn)正相關關系。對于陣列像素單元圖形，其對比度可視為像素單元尺寸的對比度。據(jù)此分析，改善Mura 缺陷應主要從減少Mura 區(qū)域面積以及像素單元尺寸不均勻性著手。

1.2 Mura 形成機理分析

掩模版基版光刻膠為IP3500 系列正性膠，其主要成分為聚合物材料酚醛樹脂、感光材料重氮萘醌以及輔助溶劑，典型的顯影液為四甲基氫銨（TMAH）2.38%溶液。在顯影過程中，被曝光區(qū)域的光刻膠溶解于顯影液中，未曝光區(qū)域的光刻膠得以保留，曝光區(qū)域圖形經(jīng)顯影工藝顯現(xiàn)出來，IP3500 型光刻膠曝光原理如圖4 所示。

圖4 IP3500 型光刻膠曝光原理

掩模版典型顯影模式可分為浸入式、旋噴式以及旋覆浸沒式三種。影響顯影工藝的主要因素有顯影時間、顯影液中TMAH 濃度、溫度以及溶于顯影液中的光刻膠濃度。旋噴式顯影模式為將掩模版基版置于旋轉平臺上，利用柱狀噴嘴將顯影液均勻噴灑至掩模版基版上進行顯影，顯影液為2.38%TMAH 溶液，顯影液溫度控制在（22±0.1）℃。顯影過程中，顯影液通過柱狀噴嘴噴灑在掩模版基版表面，曝光區(qū)域的光刻膠溶于顯影液中并在旋轉離心力的作用下向掩模版基版邊緣移動直至旋離掩模版基版表面。

顯影液TMAH 溶液作為一種有機堿性溶液，在反應時單純以酸堿中和進行反應，而溶解于顯影液中的光刻膠除了具有親水性的酸性極性端，也擁有未反應部分的非極性有機物疏水端，故溶于TMAH 溶液的光刻膠起到了界面活性劑的作用，進而能夠比純TMAH溶液更易與曝光區(qū)域光刻膠反應，提高顯影液的反應速度[8]。

據(jù)此分析，顯影過程中當掩模版上溶解于顯影液中的光刻膠濃度存在差異時，顯影速度便會存在差異并最終表現(xiàn)出CD 不均勻性。依據(jù)圖1 可知，Mura 區(qū)域附近存在大尺寸輔助圖形（曝光圖形），據(jù)此判斷，鄰近輔助圖形的像素單元區(qū)域在顯影過程中因光刻膠溶解于顯影液中導致局部區(qū)域顯影液中光刻膠濃度偏高，顯影速度增加，最終表現(xiàn)出陣列像素單元局部區(qū)域CD 大于正常區(qū)域，宏觀下呈現(xiàn)出Mura 不良。

1.3 顯影工藝優(yōu)化

根據(jù)1.2 節(jié)的分析，鑒于陣列像素單元鄰近區(qū)域輔助圖形為電路設計需要，改善陣列像素單元邊緣區(qū)域Mura 不良主要從降低顯影過程中溶解于顯影液中的光刻膠濃度著手。掩模版顯影工藝主要分為純水浸潤、顯影液/純水過渡顯影、顯影液顯影以及純水清洗等步驟，顯影步驟如圖5 所示。

圖5 顯影步驟

基于當前配置的旋噴式顯影工藝設備，工藝上主要從顯影液流速、旋轉速度、純水流速以及純水/顯影液過渡時間等方面進行調整。考慮到顯影過程中曝光區(qū)域光刻膠主要溶解于顯影前期，采用分步顯影方式將顯影過程分為兩段，第一階段顯影時間較短、溶解于顯影液中的光刻膠濃度較高，通過提高掩模版旋轉速度，配合短時間純水沖洗縮短顯影液中高濃度光刻膠對顯影工藝的影響時間，第二階段分配較長顯影時間，確保掩模版整個版面均得到充分顯影。

2 實驗分析

實驗采用某型手機OLED 屏用掩模版（產(chǎn)品圖形同圖1），像素單元圖形為陣列排布的孔結構（設計值為2.96 μm）。顯影工藝改進實驗及Mura 情況如表1所示。其中，實驗1 為工藝改進前的原顯影工藝，實驗2～3 僅調整顯影液流速、旋轉速度、純水流速以及純水/顯影液過渡時間等工藝參數(shù)，實驗4～8 在調整工藝參數(shù)的同時采用分兩段顯影的方式。

表1 顯影工藝改進實驗及Mura 情況

由表1 的測試結果可知，實驗2～3 僅調整工藝參數(shù)，Mura 情況改善不明顯。采用分段顯影方式后，Mura 情況顯著改善。進一步優(yōu)化前、后段顯影工藝參數(shù)，實驗8 無視覺可見Mura。實驗8 中選擇圖1 中的A、B 區(qū)域陣列像素單元尺寸進行量測分析，工藝改進后A、B 區(qū)域像素單元CD 分布情況分別如圖6、7 所示。

圖6 工藝改進后A 區(qū)域CD 分布

圖7 工藝改進后B 區(qū)域CD 分布

根據(jù)量測數(shù)據(jù)可知，工藝改進后A 區(qū)域的CD（Max）為3.045 μm，CD（Min）為2.929 μm；B 區(qū)域的CD（Max）為2.975 μm，CD（Min）為2.902 μm。工藝改進前（實驗1）與改進后（實驗8）的關鍵技術指標對比如表2 所示。

表2 工藝改進前、后關鍵技術指標對比

由上述關鍵技術指標對比可知，通過顯影工藝的優(yōu)化，OLED 掩模版Mura 缺陷情況以及CD 不均勻性均有顯著改善。

3 結論

針對OLED 掩模版生產(chǎn)中發(fā)生的Mura 不良，基于Mura 缺陷分析，定位到其與陣列像素單元鄰近輔助圖形有關，在顯影工藝后表現(xiàn)出陣列像素單元CD不均勻與宏觀色差?；谛龂娛斤@影工藝設備，提出一種分段顯影方案并通過優(yōu)化相關顯影工藝參數(shù)，實現(xiàn)CD 不均勻性由大于300 nm 降低至120 nm 以內，陣列像素單元圖形邊緣Mura 不良區(qū)域由大于3%降低至無視覺可見Mura，OLED 掩模版Mura 缺陷得到顯著改善。