1、液晶材料与技术（12） LCD工艺技术2, 阵列关键工艺 曝光与显影、刻蚀、 光刻胶剥离与退火,光刻技术主要由清洗、光刻胶涂布、坚 膜、曝光、显影、湿刻(金属膜)或干刻(非金属膜) 、剥离等工艺组成。,液晶材料与技术,曝光是精密地将掩膜板上的图形转写到光刻胶上的光化学反应。过程涉及的主要对象有镀膜的基板、清洗设备、光刻胶、涂胶机、掩膜板、曝光机、显影液及显影设备、坚膜设备等多个方面。在TFT阵列制作工艺中，根据不同的膜一般需要多次曝光。第5代以上的TFTLCD生产线的曝光次数已经减少到了4次，第7代生产线的曝光工艺已经减少到了3次。随着玻璃基板的增大，对曝光技术不断提出技术挑战，改进提高曝光技
2、术是TFT技术进步的重大课题。,液晶材料与技术,光刻胶形成图形后，根据图形对下面的膜层进行相应刻蚀，形成满足器件光电特性要求的膜层图形。因此，曝光工艺是影响膜层图形质量的重要因素。,液晶材料与技术,1、工艺原理,在光刻工艺中，成膜后的玻璃基板进行光刻胶(具有光敏性)。涂敷后，在曝光之前需要将匀胶完的基板进行预烘干，使光刻胶具有一定的硬 度。使用带有图形的掩模板(Mask)对基板进行曝光，掩模板上没有图形的部分可以透光，使光刻胶相应部分受到光照射。在之后的显影中，如果是正性光刻胶， 则受到光照射的光刻胶会溶解在显影液中，负性光刻胶的情况正好相反，因此， 掩模版上的图形被先转写在光刻胶上。,液晶材
3、料与技术,2、曝光工艺材料一一光刻胶,光刻胶是TFT制作的基础工艺材料之一，由树脂、感光化合物、溶剂3个基本成分组成，具有光化学敏感性，被紫外光、电子束、准分子激光束、X射线、离子束等曝光光源照射后，发生光化学反应，其溶解度发生变化。通过对光刻胶的曝光、显影等过程，把掩模板上的微细图形转移至待加工的衬底上，然后进行刻蚀加工，形成器件所需的图形。,液晶材料与技术,根据光刻胶的极性可将光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶。光刻胶在曝光之后，被浸入显影溶液中。正性光刻胶被曝光区域在显影液中被溶解，未曝光的区域保持不变。负性光刻胶正好相反，在显影剂中未曝光的区域将溶解，而曝光的区域被保留。正性光刻胶的分辨
4、力比较好，在 TFT阵列制造中一般选择正性光刻胶。,液晶材料与技术,TFT-LCD设计及制作,图7.5,对光刻胶的基本要求是，高灵敏度、高分辨力、高对比度、高纯度、好的蚀刻 阻抗性、易于处理、长寿命周期、低溶解度、低成本和比较高的玻璃化转换温度 (Tg)。其中主要的两个性能是灵敏度和分辨力。大多数光刻胶是无定向的聚合体。当温度高于玻璃化转换温度，聚合体中相当多的链条片以分子运动形式出现，因此聚合体呈黏性流动;当温度低于玻璃化转换温度，链条片段的分子运动停止，聚合体表现为玻璃而不是橡胶。,液晶材料与技术,3、光刻胶涂布工程,光刻胶涂布方法有：（1）甩胶涂布（spin-coating),又称旋转涂
5、布，简称旋涂。（2）狭缝涂布（slit-coating)（3）利用毛细管现象（CAP）的涂布对于TFT-LCD用光刻胶的涂布来说，为保证涂布膜厚的均匀性，主要采用甩胶涂布和狭缝涂布。,液晶材料与技术,（1）甩胶（旋涂）涂布法固定筒型旋涂法、旋转筒型涂布法。,液晶材料与技术,固定筒型旋转法，由于旋涂筒固定，仅玻璃基板高速旋转，而玻璃基板是长方形的，因此玻璃基板的棱角部位或玻璃基板表面会出现紊流和旋风，在端部的边沿处，光刻胶会出现局部隆起，膜厚均匀性较差。而且，甩出来的光刻胶与固定的旋涂筒碰撞而返回，以及在玻璃基板端部回流的光刻胶等会在玻璃基板上再附着，这些都会成为颗粒污染的来源。,液晶材料与技术
6、,液晶材料与技术,液晶材料与技术,作为改善对策，一般采用旋转筒型旋涂法。旋涂设备增设一个与基板同时旋转的旋涂内筒，并由内筒盖封闭。玻璃基板与旋涂内筒一起旋转时，光刻胶可以在更广阔的范围内布散，并且由于玻璃基板表面上的气氛也同时旋转，不会出现紊流，在端部不会发生光刻胶的突起，容易获得均匀的膜厚。,液晶材料与技术,（2）狭缝涂布法利用具有高精细度狭缝的喷嘴将光刻胶喷出，喷嘴和玻璃基板之间设定一定的间隙（gap),在喷嘴移动并保持该间隙的同时，将光刻胶涂布在玻璃基板上。这种狭缝涂布法不能兼用与甩胶旋涂，适用与大型玻璃基板的光刻胶涂布。,液晶材料与技术,（3）利用毛细管现象涂布法CAP涂布：利用喷嘴细
7、管的毛细管现象，在涂布时使位于光刻胶槽中的喷嘴上升，是光刻胶经过毛细管喷嘴涂布与玻璃基板上。,液晶材料与技术,液晶材料与技术,随着玻璃基板尺寸的增大，单纯旋转涂敷方式很难在玻璃基板表层形成均一的光刻胶膜层，所以首先通过狭缝刮涂（slit coater)方式在基板表面涂敷一层光刻胶，然后再采用旋转方式对光刻胶膜厚进行调节。光刻胶经过预先的狭缝刮涂后，表面并不均匀，而且四周还有空白，需要通过旋转进一步处理，以达到所需要求。通过调整旋转速度和时间，可以控制光刻胶膜厚与均一性。,液晶材料与技术,图7.8,液晶材料与技术,除水干燥：基板洗净经风刀干燥后，表面仍有水分存在，为防止光刻胶涂敷前水分附着带来的
8、影响，首先进行干燥处理，然后根据表面膜层的要求有选择地进行黏着强化剂涂敷，以增加光刻胶与基板的密着性。,液晶材料与技术,4、曝光装置,曝光装置是TFT阵列制造的核心设备。曝光工程对于LCD的显示性能及价格等有决定性的影响。曝光方式：（1）接近式一次曝光（2）反射镜投影一次曝光（3）透镜步进式分割曝光,液晶材料与技术,（1）接近式一次曝光接近式（proximity)一次曝光是利用一块大型掩膜板，一次完成曝光过程。掩膜板和玻璃基板之间设有微细间隙 （proximity gap),液晶材料与技术,接近式曝光由于是一次曝光，生产效率高，装置比较简单、价格便宜。但是由于掩膜板和玻璃基板之间留有微细的间隙
9、，会发生令人讨厌的光的衍射现象，造成图形线条模糊。多用于图形尺寸精度要求较为宽松的彩色滤光片和简单矩阵型LCD的制作。,液晶材料与技术,（2）反射镜投影一次曝光大直径透镜制作，控制球面像差等非常困难，而反射镜一次曝光是由反射镜替代透镜，将掩膜图形一次投影转写在玻璃基板上。由光源发出的光照射掩膜板，通过掩膜板的光在一对凹面镜和凸面镜，以及台形发射镜的联合反射作用下，最终将掩膜图形转写在玻璃基板上。由于成像区域仅限于具有一定宽度限制的圆弧状的图形，要将整个掩膜图形转写在玻璃基板上，需要掩膜板和玻璃基板之间进行整体扫描。,液晶材料与技术,（3）透镜步进式分割曝光经由透镜成像，但由于受到所使用投影透镜
10、有限直径的限制，一次曝光不能完成对大型玻璃基板的全面图形曝光。为此，使固定玻璃基板的支持台（stage)步进移动，按要求通过掩膜板的更换，完成几次步进式分割曝光。由于使用的是小型掩膜板，因此掩膜板的价格相对来说比较便宜。,液晶材料与技术,液晶材料与技术,液晶材料与技术,液晶材料与技术,镜面投影式和透镜扫描式的价格比较贵，产能也比较小，但是解析度、对位精度和重合精度都比较高;而接近式曝光的价格要低得多，解析度和重合精度也比较差，产能相对较大。相对于大规模集成电路的制造而言，TFT的制造电路结构非常简单，集成度很低，接近式曝光机已经完全可以满足工艺要求，因此TFT行业过去都采用接近式曝光机。随着分
11、辨率的提升，镜面投影曝光机使用开始普及。,液晶材料与技术,曝光工艺一方面是完成器件图形的转换，另一方面是建立产品的信息标志系统。在生产线上为了产品管理和工程管理，需要制作玻璃基板的产品管理信息，如批次编号、产品系列编号、生产日期等，如图7.13所示。通过设置的ID信 息用二维代码标记后，经过后工程的读取，可以构筑成遍及全线的管理体系。,液晶材料与技术,液晶材料与技术,TFT-LCD生产线投资中大约55%的投入是设备；其次是土木工程，大约占20%，因为是无尘室，所以占的比例比较高；再其次是土地成本，大约占10%。日本是TFT-LCD设备厂家最集中的地方，TFT-LCD设备的核心厂家或龙头厂家，绝
12、大部分是日本厂家。日本企业拥有绝对的竞争优势，市场占有率通常都超过40%，而在核心领域，市场占有率超过70%。在TFT-LCD设备中，价格最高的是曝光机、其次是CVD和PVD设备。阵列段的曝光机全球只有佳能和尼康能制造，一条月产能6万片的8代线，阵列段曝光机总售价高达数亿美元。,液晶材料与技术,5、显影 ( development),显影就是将感光部分的光刻胶溶除，留下未感光部分的胶膜，从而显示所需要的图形。将曝光后的玻璃基板放入显影槽中，摇摆的喷头将显影液喷洒在玻璃基板的光刻胶面上，过一定的时间后显出图形，再通过水洗，将显影液冲掉。显影液有两种;一种是与光刻胶配套的专用显影液，另一种是一定浓
13、度的碱液氢氧化钾或氢氧化钠(KOH或NaOH)。,液晶材料与技术,常用的显影工程主要有：喷淋显影浸渍（dip，浸泡）显影旋转（puddle）显影,液晶材料与技术,（1）喷淋显影按喷嘴动作分喷嘴摇摆和喷嘴整体水平摇动型。,液晶材料与技术,(2)浸渍（dip，浸泡）显影把玻璃基板放入浸渍槽中，往复运动，以实现显影。由于浸渍槽底部会积存含有杂质的显影液，在设备定期保养维修时必须将这些积存的显影液彻底去除干净。而且，药液循环使用同样会出现劣化，从而造成显影图形线条不合格，需要定期检查。,液晶材料与技术,(3)旋转（puddle）显影如同甩胶旋涂，利用同一旋转装置可完成显影、水洗、干燥等全过程。这种方式
14、生产效率高，适合大批量生产，但需要采用短时间即可完成显影的光刻胶，大型玻璃基板不适合采用这种方式显影。由于每次显影都使用新的药液，显影质量有保证，可期望发展成为稳定的工艺过程。,液晶材料与技术,因显影时胶膜会发生软化、膨胀而影响胶膜的抗蚀能力，在显影后必须用适当的温度烘焙玻璃基板以除去水分，增强胶膜与玻璃的黏附性以保证刻蚀的精 度。一般常采用红外光坚膜，重要参数为温度与时间，坚膜温度略高于前烘条件，一般设定温度为120 。,液晶材料与技术,刻蚀,针对金属膜、绝缘膜以及漏极、源极用膜层等，按光刻胶图形有选择地去除，以得到所需要的图形。刻蚀分为：湿法刻蚀干法刻蚀,液晶材料与技术,1、湿法刻蚀原理,
15、在湿刻工艺中，应根据不同金属膜，选择不同的刻蚀药液。但是基本上都是利用强酸，如磷酸(H3PO4) ，硝酸(HNO3) ，盐酸(HCl) ，冰醋酸(CH3COOH)等 及其混合物对金属的溶解和氧化还原过程，实现金属膜的图形化。,液晶材料与技术,2、湿刻工艺,湿刻过程一般分为两个阶段，一是刻蚀液在对象物质表面的移送阶段，二是 刻蚀液与对象物质的化学反应阶段。,液晶材料与技术,3、湿刻过程,(1)刻蚀液的移送。在刻蚀过程中，刻蚀液不断被消耗，同时反应生成物不断生成，这样在刻蚀对象周围形成浓度梯度，在浓度梯度作用下，新的刻蚀液不断向刻蚀对象输送，并将反应生成物从其表面除去，使新的刻蚀液与对象物质接 触
16、。通过浸润可加快这一过程，使药液移送的速度加快。 (2)化学反应。这一阶段指的是在对象物质表面，药液与刻蚀对象之间的化学反应阶段。反应速度由活化能快定，温度越高反应速度越快。,液晶材料与技术,4、湿刻方式,湿刻的刻蚀方式主要有3种:喷淋方式、浸润方式和浸泡方式。,液晶材料与技术,3种刻蚀方式的比较,液晶材料与技术,在刻蚀过程中若有气泡产生，在刻蚀的前半阶段必须要选择有除气泡功能的喷淋方式。否则，气泡被吸附在膜层上，具有与Mask相似的功能，从而容易导致刻蚀残余发生;而在刻蚀的后半阶段，由于刻蚀对象物质露出的部分较少，气泡比较难以被吸附在膜层上，此时根据性能要求选择其他的刻蚀方式。若对刻蚀形状要
17、求高，应选择刻蚀速率较低的方式 (浸润和浸泡);若对线宽控制要求高时，则应选择刻蚀速率较高的方式(喷淋)。,液晶材料与技术,高速刻蚀对线宽的控制性较好， 低速刻蚀对形状的控制性较好。,在各向同性刻蚀量相同的情况下，如图8.3(a)所示，在高速刻蚀时药液在光刻胶和对象膜层之间的浸入量较少;而在低速刻蚀时，如图8. 3(b)所示，药液在光 刻胶和对象膜层之间的浸入量较多。,液晶材料与技术,刻蚀方式的选择,液晶材料与技术,（1）栅极形状控制 由于栅极层位于整个TFT基板图形的最下层，刻蚀形状的好坏对以后各层膜的生长及图形的形成都有很大影响，因此对于栅极层来说，形状控制是首要的，要求形成顺梯形的形状。
18、若一旦出现逆梯形， 则在后面成膜时在梯形处容易发生断裂其中最可能发生的是D断线。,液晶材料与技术,（2）栅极线宽控制 金属电极的刻蚀，要求电极宽度控制良好，保证电极边缘刻蚀量有良好的一致性。如果基板上各处的边刻蚀量有很大差别，导致基板各处的栅源电极间电容Cgs(栅极电极与源极电极间电容量)容量大小不一，则会造成 产品显示不良，产生闪烁等现象。,液晶材料与技术,图8.8(a)所示栅极线刻蚀量过大，源极与栅极重复太少，极间电容小; 图8.8(c)所示栅极线刻蚀量太小，源极与栅极重复太多，极闻电容过大。,液晶材料与技术,（3）源漏极湿刻 源漏电极的工艺性能要求线宽控制的优先级高于形状控制。线宽控制
19、：源漏电极被刻蚀的量大，则沟道的宽长比W/L越小;源漏电极被刻蚀的量小，则沟道的宽长比W/L越大。,液晶材料与技术,沟道宽长比与开口率有关，与TFT的工作电流有关。若 W/L变大，则电流Ion变大，但开口率降低导致亮度以及对比度的降低，此外电流Ioff也变大，会产生漏电流造成显示不良;如果W/L变小，则电流Ion变小，而开态电流过小也会导致驱动电流不足，造成显示不良。此外，当漏源电极被刻蚀的量一致性较差时，基板各处W/L的尺寸偏差也会变大，同样也会导致显示不良。 另外，漏源电极被刻蚀的量太大，使得图形的最小线宽变大，限制了设计的自由度，因此漏极电极被刻蚀的量应该控制在一定的范围内。,液晶材料与
20、技术,（3）像素电极湿刻 在许多TFT的设计中，都把像素电极膜放在阵列基板的最上层，这样对电极形状的要求比较低，但是对线宽控制的要求比较高，因此在两刻蚀槽中均采用速度较快、对线宽控制较好的喷淋方式进行湿刻，在工艺性能上对ITO 残渣与线宽控制要求比较严格。,液晶材料与技术,像素电极刻蚀残余 若刻蚀量不足，且存在ITO膜的结晶不均匀时，易产生刻蚀残余，导致点缺陷和短路，还会造成端子部的短路。,液晶材料与技术,像素电极刻蚀线宽控制 若像素电极边缘刻蚀量(边刻蚀)过大，则可能会造成ITO与接触孔的错位而引起点缺陷，或引起遮光区域外的液晶分子控制不良，导致漏光。,液晶材料与技术,干法刻蚀,利用等离子体
21、或微波等使反应气体激发分解，生成离子及活性基，利用这些离子及活性基照射玻璃基板并与被刻蚀层发生反应，实现刻蚀，完成图形化的过程。TFT干刻(dry etching)工艺主要用于非金属膜图形的刻蚀。,液晶材料与技术,干刻的方式有等离子刻蚀 (plasma etching， PE)，反应性离子刻蚀(reactive ion etching， RIE)传导耦合等离子刻蚀(inductive couple plasma etching， ICP）等,液晶材料与技术,TFT-LCD设计及制作,等离子刻蚀是利用高能量惰性气体离子轰击被刻蚀物体的表面，达到溅射刻蚀的作用。因为采用这种方法，所以可以得到非常小
22、的特征尺寸和垂直的侧壁形貌。这是一种“通用”的刻蚀方式，可以在任何材料上形成图形。它的弱点刻蚀速度较低，选择性较差。传导耦合性等离子体刻蚀的优势在于刻蚀速率高、良好的物理形貌和通过 对反应气体的选择，达到针对光刻股和衬底的高选择比。一般用于对特征形貌没有要求的去胶(ashing，灰化)工艺。,反应离子刻蚀是上述两种刻蚀方法相结合的产物，它是利用有化学反应性气体产生具有化学活性的基团和离子。经过电场加速的高能离子轰击被刻蚀材料，使表面受损，提高被刻蚀材料表面活性，加速与活性刻蚀反应基团的反应速度，从而获得较高的刻蚀速度。这种化学和物理反应的相互促进，使得反应离子刻蚀具有上述两种干法刻蚀所没有的优
23、越性:良好的形貌控制能力(各向异性)、 较高的选择比、可以接受的刻蚀速率。因此在干法刻蚀工艺中反应性离子刻蚀得到广泛应用。,液晶材料与技术,基本步骤：（1）将待刻蚀材料置于真空腔的电极板正中央，经由机械泵粗抽真空室到10-20mtorr的真空度。（2）由涡轮泵细抽真空，到1mtoor以下。（3）达到高真空后，通入刻蚀气体。（4）设定射频的功率大小及刻蚀时间（5）待气压稳定且符合预定刻蚀气压后，启动射频电源。,液晶材料与技术,对于活性离子刻蚀中所使用的气体有几点要求：(1)气体必须能被刻蚀材料表面所吸附，以形成化学键。 (2)材料表面的原子必须能重新排列，以形成化学生成物。 (3)形成的化学生成
24、物必须能够从材料表面被释出。 这3项条件缺一不可，否则刻蚀就不会发生。,液晶材料与技术,刻蚀气体的选择干刻工艺针对不同的膜，选择的刻蚀气体是不同的。,液晶材料与技术,非晶硅层和n+非晶硅的刻蚀边用四氟化碳(CF4 )、六氟化硫(SF6 )、氯化氢 (HCl)、氦气(He)作为工艺气体，采用反应式等离子刻蚀。光刻胶的刻蚀（和硅岛刻蚀）采用的气体是氧气和氨气。沟道刻蚀也采用反应式等离子体刻蚀，气体采用四氟化碳、六氟化疏、氯化氢、氦气。在接触孔刻蚀中，不同部位的刻蚀量差异大，需要采用刻蚀速率快的传导藕合等离子体刻蚀方式，采用六氟化碳、氦气和氧气(灰化用)作为工艺气体。,液晶材料与技术,二氟化碳(CF
25、2)和氟( F )是四氟化碳等离子体中主要的化学基，氟和非晶 硅膜以及二氧化硅(SiO2)绝缘膜中的硅原子( Si )反应速率相当快，会形成四氟化硅（SiF4 )的挥发生成物，是良好的刻蚀气体。为了增加刻蚀速率也可以 通入氩气(Ar) ，因为氩原子的质量较大，当获得能量时就会有较大的冲量产生，进而将材料表面的原子键打断，因此增强了物理轰击的作用。,液晶材料与技术,刻蚀步骤 刻蚀的具体过程可描述为如下6个步骤: (1)刻蚀物质的产生。射频电源施加在一个充满刻蚀气体的反应腔上，通过等离子体辉光放电产生电子、离子、活性反应基团。 (2)刻蚀物质向基板表面扩散。 (3)刻蚀物质吸附在基板表面上。 (4
26、)在离子轰击下刻蚀物质和基板表面被刻蚀材料发生反应。 (5 )刻性反应副产物在离子轰击下脱离基板表面。 (6 )挥发性刻蚀副产物和其他未参加反应的物质被真空泵抽出反应腔。,液晶材料与技术,整个过程中有诸多的参数影响刻蚀工艺，其中最重要的是:压力、气体比率、气体流速、射频功率。另外基板的位置和刻蚀设备的结构也是刻蚀工艺的重要条件。,液晶材料与技术,干刻设备,干法刻蚀系统主要由主控制台，工艺室，电源，工作气体供应系统，环保废气处置系统，真空系统等组成。根据不同的刻蚀要求，系统可以做必要的局部调整。,液晶材料与技术,不同的干刻对象需要采用不同的干刻设备和干刻材料。,液晶材料与技术,湿法刻蚀与干法刻蚀
27、的比较,光刻胶剥离与退火,在TFT工艺中，通过溅射射或者CVD在阵列基板成膜。以光刻胶作为掩膜，通过湿法刻蚀或者干法刻蚀，在膜层上得到所需要的图案。然后去除作为掩膜的光刻胶，这个过程叫作剥离。光刻胶剥离对三极管特性、像素特性以及成品率等都有很大影响。,液晶材料与技术,为剥离作为高分子材料的光刻胶，一般采用湿法剥离和干法灰化两种方式。湿法剥离：是用有机溶剂或碱性水溶液与光刻胶聚合物发生络合反应使之溶解去除；干法灰化分为等离子体灰化和臭氧灰化，等离子体灰化是利用氧的活性基等，是高分子光刻胶聚合物发生氧化分解，变成低的相对分子质量的易挥发物而被去除，臭氧灰化是利用臭氧的灰化过程。,液晶材料与技术,T
28、FT-LCD设计及制作,光刻胶湿法剥离与干法灰化的比较,TFT-LCD设计及制作,在4次光刻的工艺中，栅极、漏极/硅岛、接触孔、像素电极光刻后都要做光刻胶的剥离处理。像素电极光刻胶剥离以后TFT的制作工艺进入最后一个环节就是退火处理。,TFT-LCD设计及制作,工艺要求,剥离的工艺要求主要有两个:一个是剥离性，要求剥离后没有光刻胶残留; 另外一个防止金属电极被腐蚀。,液晶材料与技术,液晶材料与技术,为了防止剥离液蒸气进入净化间，剥离装置内部设计为负压。各处理槽之间的气压关系为:剥离槽1和剥离槽2的气压基本相等，在整个装置中这个位置的气压最低，DMSO槽1、DMSO槽2和水洗槽1，水洗槽2的气压相同，比剥离槽高，比净化间气压低。 现在有些生产线开始采用U-turn系统的剥离设备，如图10.3所示，这个系统没有基板反转部，人口和出口共用一个机器手，更加简洁。,液晶材料与技术,退火,退火是将TFT基板加热到大约300 ，此工艺可以使TFT特性稳定，同时，可以提高金属和ITO薄膜的电导率。,液晶材料与技术,Array 部分的工序已讲完。请大家回忆一下都有哪些内容。,液晶材料与技术,清洗工艺,溅射成膜,CVD成膜,曝光与显影工艺,湿刻工艺,干刻工艺,光刻胶剥离及退火,液晶材料与技术,
