TFT-LCD行业显影液参数对半色调光刻胶膜厚的影响

陈 国，韩亚军，于洪禄，丁振勇，王 鹏，郑铁元，李 伟

(北京京东方显示技术有限公司，北京 100176)

1 引 言

近年来，薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)技术日益成熟，以其功耗低、寿命周期长、显示亮度高，以及轻、薄、美观等优势，已成为电视机、电脑、移动设备及车载等电子产品的主流显示器[1-4]。随着对TFT-LCD分辨率要求的不断提高，薄膜晶体管器件制程趋于更精细[5]，特别是阵列工艺中源漏极的制备，目前主流工艺都采用半色调掩膜(Half Tone Mask，HTM)光刻技术，制程中光刻胶半色调膜厚(Half Tone Thickness，THK)的控制尤为重要[6-7]，若出现异常，将直接影响刻蚀后最终形成的TFT 器件形貌，从而影响TFT产品的光学电学性，因此THK是源漏极光刻工艺的重要管控参数之一。

光刻工艺中，影响THK的主要因素有涂胶、光刻、显影以及烘烤，其中涂胶膜厚、光刻曝光剂量以及烘烤温度生产过程中都可固定参数设置[8]，而显影用的显影液(四甲基氢氧化铵，TMAH)，是一种大宗有机碱性药液，业界生产基本都是回收过滤重复利用，主要参数有浓度(质量分数，C1)、酸根离子浓度(质量分数C2)，业界主要控制其C1参数，不管控C2参数。随着高分辨率产品逐渐导入，TFT-LCD 各项参数管控临界值(Margin)越来越小[9]，THK波动很容易导致刻蚀工艺后沟道桥接(Channel Bridge)与沟道开裂(Channel Open)等不良，严重影响产品的良率，研究发现THK的波动与显影液C2参数有一定相关性，本文通过对显影液C1、C2参数分别对THK值的影响进行研究，得到C1、C2的显影能力的比例关系，将二者对THK影响的比例关系按公式导入显影液控制系统，C2的波动通过C1实时补偿调整，保障生产过程中THK的稳定，降低沟道不良的发生。

2 光刻工艺反应机理

光刻胶感光组分被紫外线照射生成五元环烯酮化合物，之后与显影液中水结合生成羧酸，可与显影液中TMAH进行酸碱反应，合成可溶盐类，如图1所示流程，可以从玻璃基板表面清洗下来溶入显影液中[10]。由于显影液是循环重复利用的，显影液中持续溶有不定量的酸根离子，同时显影液与光刻胶的反应是在常压大气气氛中进行，空气中会溶入部分二氧化碳，碳酸根离子含量会随之增加，依据相似相溶原理，光刻胶生成的酸类与碳酸都具有有机酸的特性，酸根离子浓度的不同会影响显影液的显影能力，从而导致THK的不同，图2为THK测试点位半色调的俯视形貌和截面形貌。

图1 光刻工艺反应机理Fig.1 Photolithographic process reaction mechanism

图2 半色调俯视和截面形貌Fig.2 Top view and sectional view of Halftone

3 测试与验证

3.1 实验流程

采用81 cm(32 in)ADS产品源漏极镀膜完成的玻璃基板，进行HTM光刻制程测试。利用控制变量法，在光刻制程中采用单因素实验，仅分别验证显影液C1、C2参数对THK的影响关系，其余条件均同量产条件一致。实验完成后玻璃基板在产线ST8K 膜厚测试设备进行半色调THK测试，膜厚测试设备以非接触光折射原理进行测量，每张玻璃基板测试72个点位，点位分布如图3，获得72个THK数据，通过这72个数据的均值反应整张玻璃基板的THK值。

图3 THK测试点位规划图Fig.3 THK test point map

3.2 显影液C1对THK的影响

控制显影液C2参数为0.50%，其余光刻条件同量产，C1量产管控为2.43%，通过添加纯水和高浓度显影液调整C1数值，测试C1变化对THK的影响，详细条件如表1所示。

表1 C1变化对THK的影响Tab.1 Influence of C1 change on THK

从表中数据看，在其他条件不变的情况下，随着显影液C1的逐渐变大，THK逐渐降低，表明显影能力逐渐增强。从图4看，显影液C1的增加，THK呈线性减小趋势，且线性拟合R2值为0.993，非常接近线性关系，C1值每增加0.01%，THK值减小70.2 nm。

图4 C1变化对THK的影响Fig.4 Influence of C1 change on THK

3.3 显影液C2对THK的影响

控制显影液C1值为2.43%，其余光刻条件同量产，最初显影液储槽打满新药液(C2值为0)，通过添加循环利用的显影液以及空气中长时间放置，调整C2值，测试C2值变化与THK的影响，详细条件如表2。

表2 C2变化对THK的影响Tab.2 Influence of C2 change on THK

从表中数据看，在其他条件不变的情况下，随着显影液C2的逐渐变大，THK逐渐降低，表明显影能力逐渐增强。从图5看，显影液C2的增加，THK呈线性减小趋势，且线性拟合R2值为0.978，也接近线性关系，C2值每增加0.1%，THK值减小45 nm。

图5 C2变化对THK的影响Fig.5 Influence of C2 change on THK

3.3 数据分析

以上两组单因素实验表明，C1、C2的变化都会引起THK的变化，且都呈线性负相关，根据两组实验数据截距，C1为-702，C2为-450，C2值变化0.1%，相当于C1值变化0.0064%。实际生产过程中，THK标准控制在(550±50)nm，显影液控制系统主要针对C1进行实时调节，保证C1值稳定在设定值，而随着生产连续进行以及与大气持续接触，显影液C2值会出现不规律的波动，从而导致相同生产条件下出现THK波动情况，波动过大即会造成沟道桥接和沟道开裂不良，由于THK波动导致的不良发生率0.20%以上，严重影响产品品质。

3.4 改善措施及效果

通过对C1、C2与THK变化的研究规律，可将两个参数之间建立公式关系:

[H/TC1=PVC1+X*(SVC2-PVC2)]

其中：H/TC1为补偿后的浓度；PVC1为当前系统浓度；SVC2为初始设定的标准值；PVC2为当前系统实际值；X为C1与C2对THK影响的比例关系系数。

编辑导入显影液控制系统，最初系统设置一个初始C1和C2值作为标准生产参数，连续生产过程中，随着C2的变化，通过公式关系实时反馈给系统C1需要补偿值，系统根据实际需求通过加入纯水或高浓度显影液来调节C1，达到标准生产参数的显影能力，图6为一台生产设备一段时间内导入系统公式后C1、C2的实际关系趋势，保持生产过程中的显影液的显影能力处于相同水平。抽样测试导入公式后不同C2值时32 in ADS产品的THK，如表3，都处于标准THK管控范围((550±50)nm)。

图6 C1与C2的补偿关系趋势Fig.6 Compensation relations trend of C1 and C2

表3 抽样测试THK数据Tab.3 Sampling test data of THK

导入前后分别选取一片基板，对比72个点测试数据的等值线图，如图7(导入前选取玻璃基板THK均值为543.1 nm，导入后选取的为542.5 nm)，可看出导入后THK分布更均匀，偏大点和偏小点明显减少，改善有效，体现在沟道不良的发生率也从0.20%以上降至0.03%以下。

图7 改善前后THK等值线图对比Fig.7 Comparison of THK contour map before and after improvement

4 结 论

通过对TFT-LCD制程中显影液参数对半色调掩膜工艺光刻胶THK的分析、实验验证以及改善，主要结论如下：显影液的浓度C1和酸根离子浓度C2对显影能力都有影响，C1、C2的变化都与THK呈线性负相关，两者之间与THK的关系成对应比例关系，C2值变化0.1%，相当于C1值变化0.0064%，C2的变化波动可通过调整C1来补偿，实时保持显影能力稳定。最终通过对显影液控制系统软体改造，将C1、C2之间比例关系公式导入系统，使生产过程中THK稳定在管控范围内，沟道相关不良改善明显，从0.20%以上降至0.03%以下，有效提升了产品良率。