错位叠加曝光法制作楔形斜面微结构研究

董立文， 宋晓欣， 顾仁权， 张 锋， 袁广才， 姚 琪， 吕志军， 刘文渠， 崔 钊

(京东方科技集团股份有限公司，北京 100176)

1 引 言

近年来，随着液晶显示技术的发展日渐成熟，人们对显示体验的需求越来越多样化，促使各种不同应用场景的新型显示器件层出不穷，如裸眼3D显示[1-2]、指向式显示[3-4]、透明显示[5-6]等显示器件。为实现这类显示器件的不同功能，通常在器件结构设计方面提出特殊需求，如光栅结构、斜面反射结构、高PS结构等等，不仅对材料特性提出较高的要求，对制作工艺也带来很大的挑战。

对于裸眼3D显示技术或指向式显示技术，为达到相应显示效果，通常会在器件内部制作斜面反射微结构，形成特定光场，使入射光或出射光按照设定光路沿特定角度进行反射，从而实现裸眼3D或特定角度显示的显示效果。目前，从工艺角度来讲，对于楔形微结构的形成，最佳的制作手段是纳米压印技术[7]，其形成微结构的斜角精度最高、斜面平坦度最好，但该技术对设备和材料要求极高，且压印模版制作成本较高，而且为形成显示器件内部特定光路，对微结构位置精度要求在1 μm以内，但纳米压印技术控制的层间对位精度最高为10 μm，很难将光学微结构精准地压印在特定位置。此外，灰阶曝光技术[8]也可以实现斜面结构的制作，通过制作具有连续灰阶的光罩，实现UV透过率在一个方向连续变化，使光阻在该方向接收UV剂量也连续变化，最终使显影后的光阻呈现斜面形貌。但具有灰阶的掩膜 (Gray Tone Mask，GTM)实现灰阶的方式是形成不同间距的缝隙，每个缝隙的宽度相同，间距沿特定方向逐渐递增或递减，而且为实现灰阶变化的连续性，缝隙需做得很窄(<1 μm)，导致这种光罩的加工难度高，制作成本高。

本文基于T公司生产的某型号正性光阻，采用错位叠加曝光的方法，实现灰阶曝光的效果，最终得到具有特定角度的楔形微结构的断面形貌，并通过实验对该型号光阻的UV光吸收系数以及使光阻发生分解反应的临界曝光能量进行计算。

2 模型建立与计算

2.1 错位叠加曝光

本文提出的错位叠加曝光技术是一种利用常规掩膜版达到灰阶曝光效果的光刻工艺技术，无需使用灰阶曝光掩膜。工艺过程如下：在完成一次曝光后，移动一定距离再次进行曝光，然后按相同方向再次进行移动和曝光，如图1所示。每次移动的距离及曝光次数根据微结构斜面角度而定。

图1 错位叠加曝光方法原理图Fig.1 Diagram of dislocation and superposition exposure method

2.2 模型计算

光阻的曝光、显影以及固化过是一个极其复杂的过程。为进行简单计算并表征出最终的光阻形貌，首先将理想斜面结构等效成台阶状结构，分别称之为理想模型和等效模型，根据Lambert-beer定律[9]：

I=I0E-αh

(1)

其中：I0为初始UV光能量值，I为使光阻中感光剂PAC不能再继续反应的临界曝光能量值，α为光阻对UV的吸收系数。

由于采用错位叠加曝光方案实现灰阶曝光，对于光阻的某个区域在纵向上并非只进行一次感光，而是多次感光，而且光阻经过UV感光的区域与未经感光的区域对UV的吸收系数不同，因此需要对上述关系进行转化。如图2所示，光阻UV感光的顺序从Step1到Step4，假设未感光光阻吸收系数为α，感光区域光阻吸收系数为α′，可得到如下关系：

图2 错位叠加曝光效果示意图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)

根据以上关系，可以对i值、α以及α′进行计算，然后根据上述方法计算出每个Step需要的曝光能量。

3 实验过程

3.1 正性光阻

实验采用T公司生产的一款正性紫外感光光阻，主体成分为聚酰亚胺前体(Polyimide precursor)、γ-丁内酯(GBL)、乳酸乙酯(EL)、丙二醇单甲醚醋酸酯(PGMEA)以及添加剂。

3.2 实验过程

根据上述模型，可以计算出错位叠加曝光过程中，每次感光所需的曝光能量值。为得到曝光能量，首先需要3个重要的参数，即光阻在感光前后对UV光的吸收系数α、α′以及光阻发生光化学反应的临界曝光能量I值。为得到上述参数，设计以下实验。

实验用基板为康宁(CORNING)公司生产的Lotus-TM NTX系列玻璃，玻璃尺寸为370 mm×470 mm，厚度为0.5 mm。在玻璃进行涂胶之前，需进行清洗处理，然后将光阻均匀涂覆在玻璃基板表面。本实验采用旋涂方式进行涂胶，然后用热板进行前烘工艺(Soft Bake)，前烘温度为120 ℃，时间为500 s。曝光工艺过程采用两种方式进行：(1)错位叠加曝光的每次UV照射能量相同；(2)每次UV照射能量不同。曝光过程完成后进行显影工艺，显影方式为喷淋式显影(Spray)，显影时间为3 min，显影液为浓度2.38%的TMAH，最后在烘箱中进行固化，固化温度230 ℃，时间60 min。以上实验完成后，计算并得到吸收系数α和α′， 以及光阻发生光化学反应的临界曝光能量I值，最后计算得到每一次错位叠加曝光的能量值。为证明错位叠加曝光法的准确性，再次进行涂胶、前烘、曝光、显影以及热固化实验进行验证，实验参数不变。

4 结果与讨论

在进行错位叠加曝光的过程中，当每次UV照射能量相同时，根据Lambert-beer定律，等效模型中每个台阶的感光情况如下：

Step1:I=i1E-αh1

(6)

(7)

Step3:I=i3E-[α′(h1+h2)+αh3)]

(8)

因为i1=i2=i3，可得：

(9)

图3为SEM的测试结果，Step0区域的光阻未进行感光处理，光阻厚度约5.2 μm，说明涂胶实际厚度约为5.2 μm。当UV的照射能量值超过90 mJ时，第三次进行错位叠加曝光后，Step3区域的光阻基本无残余厚度，说明能量为270 mJ的UV光已经使5.2 μm厚的光阻完全感光并完全显影。根据h1和h2测试数据(表1)可计算得到如下关系：

(10)

(11)

图3 错位叠加曝光能量相同情况得到的光阻形貌Fig.3 Photoresist profile obtained by the same exposure energy of each dislocation

表1 错位叠加曝光能量相同情况的h值Tab.1 h value at the same exposure energy of etch dislocation

但由于每次进行错位叠加曝光的i值相同，通过上述实验数据无法计算出具体的α值以及I值，因此需要进一步实验，对每个Step采用不同的曝光能量进行曝光，目的是为了引入i变量，求得α值以及I值。

当错位叠加曝光每次的UV照射能量不同时，即i值不同，根据Lambert-beer定律。等效模型中每个台阶的感光情况如下：

Step1:I=i1E-αh1

(12)

(13)

Step3:I=i3E-α′(h1+h2)E-αh3

(14)

可以根据Step1和Step2感光情况得到如下关系：

(15)

且α’≈0.2α，最终可得如下关系：

(16)

将图4及表2中测试数据i的能量值和h段差值代入上述公式，计算α约为1.14；再将α值代入Step1公式，可计算出I值，计算结果I约为8 mJ，也就是说使光阻不在进行进一步反应的UV能量约为8 mJ。最终根据以上实验及测试数据的计算结果，求得α约为1.14，α′约为0.22，I值为8 mJ。

图4 错位叠加曝光能量不同情况得到的光阻形貌Fig.4 Photoresist profile obtained by the different exposure energy of each dislocation

表2 错位叠加曝光能量不同情况的h值Tab.2 h value at the different exposure energy of etch dislocation

基于以上数据，分别制作两种不同高度的斜面结构对上述理论进一步进行验证实验，判断I值和α值的准确性。首先需要计算出每次错位曝光需要的能量i，设定斜面目标高度分别为3.7 μm以及7.5 μm，斜角θ目标值为32°，根据以上数据，按照Lambert-beer定律，分别计算出错位叠加曝光过程中每次感光能量大小，如表3所示。

表3 基于I值和α值计算错位叠加曝光的能量值Tab.3 Each dislocation exposure energy calculated based on the I and α value

对于第一种高度的结构，楔形斜面反射结构高度H为3.7 μm，斜面角度θ为32°时，从图5的SEM数据中可以看出Step1的曝光能量60 mJ不变时，Step2曝光能量从110 mJ增加至140 mJ，所得到的楔形斜面的底角θ在31°～33°之间变化，结构高度H在3.69～3.74 μm之间变化，该结构基本符合目标值。如图5(d)所示，当Step2的曝光能量增加至140 mJ时，该区域的光阻残留厚度降低，最终导致斜面底角θ增大至40°，与目标值偏差较大。

对于第二种高度的结构，楔形斜面反射结构高度H为7.5 μm，斜面角度θ为32°，从图6的SEM数据中可以看出，图6(a～d)中Step1和Step2的曝光能量分别为100 mJ和200 mJ不变，而图6(a)Step3曝光能量为200 mJ时，斜面的底角θ约为27°，主要原因是Step3区域光阻接受到总的曝光能量为500 mJ，能量过低，导致Step3区域残留光阻厚度过大，最终使斜面的底角θ偏小。如图6(b)、6(c)中样品SEM数据所示，当提高Step3总的曝光能量至600～700 mJ时，即i3的能量为300～400 mJ时，所得到的楔形斜面的底角θ约为33°，结构高度H在7.10～7.34 μm之间变化，该结构基本符合目标值。但图6(a～c)中样品的斜面底角θ为36°，主要原因为Step4区域接收到的总曝光能量过高，约为1 100 mJ，而图6(a～c)中样品Step4区域接收到的总曝光能量却为1 000 mJ，过高的曝光能量会提高衍射影响程度，导致Step3区域光阻残余厚度降低，最终使斜面的底角θ偏大。另外，对于图5中样品Step3～Step5的能量选择以及图6中样品Step4的能量选择，因该区域不需要残留光阻，只要该区域光阻所接收的UV能量足以使光阻完全发生反应并对相邻Step区域光阻因衍射不至于产生过大影响即可。

图5 不同曝光条件(左)得到的相应楔形光阻形貌(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.

图6 不同曝光条件(左)得到的相应楔形光阻形貌(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.

图7为制作的单色指向式显示器件不同视角的效果图，目标视角为30°。从显示效果可以看出，视角小于或大于30°时，屏幕的亮度均有所降低，说明采用错位叠加曝光方法制作的斜面微结构可以有效地实现背光的特定角度反射。

图7 指向式显示器件不同视角的显示效果Fig.7 Display effects from different perspectives

5 结 论

本文基于UV感光的T公司生产的某正性光阻，采用错位叠加曝光的方法，实现了同灰阶曝光技术相同的效果，建立了获得特性角度的楔形斜面结构的理想模型以及等效模型，并通过实验在Lambert-beer定律的基础上计算出该型号正性光阻感光前后的不同吸收系数α与α′，以及使该光阻发生光化学反应的临界能量，最后通过实验制作出与理论设计匹配的楔形斜面结构的光阻结构。

实验结果证明：该型光阻在感光前与感光后对UV的吸收系数不同，感光前的吸收系数α约为1.14，而感光后的吸收系数α′约为感光前的20%。使该型光阻发生光化学反应的临界UV能量约为8 mJ，低于该能量值时光阻几乎不发生反应。基于错位叠加曝光的方法，将具有特定角度及高度的楔形斜面结构等效为台阶状结构后，并根据Lambert-beer定律计算得到的错位曝光能量，可以得到与理论设计相同的楔形斜面结构。