浅谈光掩模版设计与制作

王小霞　甄娟

摘 要：光掩模版（简称Mask）是TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器，Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）显示屏技术常用的光刻工艺所使用的图形母版。本文介绍了液晶显示屏中TFT-Array（阵列）侧基板和CF（彩色滤光片，color filter）侧基板的Mask的概念、Mask版图设计与制作相关基本内容。

关键词：Mask版；Mask版图设计；制版工艺

中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）32-0325-01

1 引 言

曝光工艺是TFT-LCD制造工业中光刻技术中重要环节。曝光工艺是实现Mask上图形像PR（光刻胶，Photoresist）的转写，PR形成图形后，对下面的膜进行相应的刻蚀，膜层上就形成图形。Mask是曝光流程衔接的关键部分，是流程中造价最高的一部分，也是限制最小线宽的瓶颈之一。

2 Mask版简介

（1）Mask光罩定义：Mask又称光掩模版、掩膜版，英文名称PHOTOMASK，材质：石英玻璃、金属铬和感光胶，是由石英玻璃作为衬底，在其上面镀上一层金属铬和感光胶（一种感光材料），把已设计好的图形通过电子激光设备曝光在感光胶上，被曝光的区域会被显影出来，在金属铬上形成图形，成为类似曝光后的底片的光掩模版。当然衬底基板也可是聚酯板，这种光罩叫做菲林版，价格便宜，曝光线幅一般30um以上。

（2）Mask光罩分类：正性Mask光罩和负性Mask光罩，光罩的正负性选择是由于光刻胶特性决定的。

（3）Mask光罩应用：掩膜版应用十分广泛，在涉及光刻工艺的领域都需要使用掩膜版，如IC（Integrated Circuit，集成电路）、FPD（Flat Panel Display，平板显示器）、PCB（Printed Circuit Boards，印刷电路板）、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）等。一般情况下，TFT-Array基板需要做出TFT器件、像素等图案需要经过G（Gate）、I（Island）、D（Date）、C（Contact Hole）、PI（Polyimide）5道工程，形成5层薄膜图案，而与之对应的CF侧基板由黑色矩阵BM、色层RGB、柱状PS5道工程，形成5层像素图案，每形成一层图案就都需要一张Mask。CF Mask不是独立使用的，它必须配套于与之相匹配的TFT-Array基板，才能实现其价值。

3 Mask版图设计

3.1 绘制软件

使用a-SX版图编辑器绘制版图，绘制完成后通过“export”导出为GDS文件。目前仅接受GDS格式文件（后缀名.gds）。

3.2 Array Mask版图设计要素

（1）面板尺寸：驱动负载，信号延迟，画素大小；

（2）解析度：驱动频率、驱动负载，画素大小；

（3）操作电压：TFT充电能力，Feedthrough效应；

（4）极性反转模式：Cstongate，commom调变；

（5）开口率：信号线宽，储存电容大小；

（6）其它光学目标：视角，反应速度，……。

3.3 CF Mask版图设计要素

（1）设计首要条件：设备、工艺能力了解确认；

（2）Cell盒厚：PS高度、密度计算，PS材料选择；

（3）CF画素设计：画素尺寸大小，与Array匹配BM_CD（开口率），RGB_CD，Overlay大小，如果设计不合理，就会出现漏光、画素边缘色不均等异常问题；

（4）CF引起MURA：PS高度均匀性、RGB膜厚均匀性、牛角段差等问题引起液晶配向不良导致。

3.4 Mask版图绘制說明

3.4.1 图 层

掩膜制版以图层（layer）为单位。一个版图文件中可以绘制多个图层，但一块掩膜版只能对应其中某一个图层上的图形，无法将多个图层同时曝光在一块掩膜版上，也无法将单一图层割裂只曝光其中部分图形结构。因此Mask制作多个掩膜版，并且其图形之间存在套刻关系时，需将各掩膜版上的图形绘制在同一版图文件的不同图层上，并设计统一大小的边框。各层图形的位置需根据套刻关系严格对应，并设置相应的套刻标记，以方便制版之后的光刻操作。

3.4.2 类 型

显示屏设计包含像素设计、显示屏周边设计和基板设计。Mask版图有单体型Mask和拼接型Mask。单体型Mask是指这张版图上含一个或者多个整个屏完整外形，而拼接型Mask是指含一个或者多个重复单元和不能重复单元同时分布在这张版图上，通过拼接才能形成一个完整的屏。

3.4.3 常见的错误

绘制过程常常出现隐藏层、隐藏图形、字符无宽度、图形合并错误、圆形图案曝光出错等等问题。这些若不能及时发现，有可能导致整个产品报废，造成人力物力的浪费，因此需格外注意。

4 Mask版制版工艺简介

掩膜制版工艺大致是先导入Mask版图GDS文件至光刻机，在有胶的空白掩膜版上进行曝光，显影，刻蚀，去胶形成相应图形Mask，清洗后进入包装，流程图如图1所示。

其中掩膜版图形数据由用户自行设计并提交，后续加工工艺由工程师完成。由于图形数据准备是掩膜版加工中的关键步骤，要求用户对所提交的版图文件仔细核对，确保图形正确性。

5 结 语

当前，高性价比TFT-LCD显示屏才有竞争力，提高显示屏的质量的同时，还要尽量降低成本，降低PR工艺也成了降低成本设计的一个重要课题。降低PR工艺，Mask版数相应也减少，mask版图设计需要更加精细精密，向低成本设计方向发展，GTM（Gray Tone Mask）技术或者HTM（Half Tone Mask）技术卓有成效，高端的掩膜版技术也正在进入市场。

参考文献

[1]中国科学技术大学微纳研究与制造中心.光刻掩膜版设计与加工指南，2017，6.

[2]马群刚.TFT-LCD原理与设计.电子工业出版社，2012.

收稿日期：2018-9-29

作者简介：王小霞（1986-），女，工程师，主要从事液晶显示器件彩膜的研发工作。