刘丹;方亮;陈启超;黄晟;秦刚;高朋朋;陈昊;蔡晓锐;王百强;冯家海
赵时碧【摘 要】卷烟器光刻胶经过曝光、显影后的锥角(Taper)和关键尺寸(Develop Inspection Critical Dimension,DICD)是光刻工艺的重要参数.明确影响锥角和DICD的工艺参数,进而控制锥角和DICD,这对工艺制程至关重要.本文结合光刻制程,探究了光刻胶厚度、曝光剂量、Z值、显影时间对锥角和DICD的影响,并结合蒙特卡罗算法对显影制程进行评估.实验结果表明:光刻胶厚度每增加1μm,DICD增加约2.6μm.同时,厚度增加会导致光刻胶顶部的锥角逐渐由锐角向钝角演变.曝光剂量每增加10 mJ/s,DICD则减小约0.8μm,锥角则呈阈值跳跃式上升趋势.基板在最佳焦平面曝光,DICD和锥角均一性最好.显影时间每增加10 s,DICD下降约0.3 m,锥角则增加约1.7°.最终,DICD和锥角呈负相关关系,可以通过调节光刻工艺参数对锥角和DICD进行控制. 【期刊名称】《液晶与显示》
【年(卷),期】2019(034)002
【总页数】9页(P146-154)
【关键词】光刻胶;锥角;显影后关键尺寸;光刻工艺;蒙特卡罗计算
【作 者】刘丹;方亮;陈启超;黄晟;秦刚;高朋朋;陈昊;蔡晓锐;王百强;冯家海
【作者单位】门槛记重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700;重庆大学 物理学院,重庆 400044;重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700;重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700;重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700;重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700;重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700;重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700;重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700;重庆京东方光电科技有限公司,重庆 400700
【正文语种】中 文
【中图分类】TN141.9;TP394.1
1 引 言
经过近10年的发展，薄膜晶体管-液晶显示(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，T
FT-LCD)已成为目前平板显示的主流技术，广泛应用于计算机、家电、医疗、交通等领域[1]。随着TFT-LCD分辨率(单位面积的像素数量)的提高，TFT器件的线宽与线间距倾于越来越小，即TFT器件的最终关键尺寸(Final Inspection Critical Dimension，FICD)越来越小。在刻蚀工艺条件不变的情况下，经光刻工艺制程后光刻胶的关键尺寸(Develop Inspection Critical Dimension，DICD)对FICD产生决定性影响[2]。
光刻制程是一个图形转移的过程：曝光光源经过掩膜板(Mask)、透镜，将掩膜板图形成像于玻璃基板上，经过显影后，玻璃基板上的光刻胶形成与掩膜板一样的电路图案[3-4]。以正性光刻胶为例，形成图案的光刻胶宽度被称作DICD；同时，形成图案的光刻胶在截面方向形成锥角或坡度角，此锥角在TFT行业被称作Taper[5]。光刻胶的DICD和锥角是光刻制程的重要工艺指标。光刻制程复杂，包括基板清洗、光刻胶涂覆与干燥、烘烤、曝光、显影等阶段。制程中各阶段对DICD及其均一性、锥角会产生影响[9]。
三通管接头本文结合京东方15.6HADS产品的栅极光刻制程，采用控制变量原则，以单因素试验为基础探究了光刻胶涂覆厚度、曝光工艺参数、显影工艺参数对DICD和锥角的影响，并采用Crystal Ball软件以蒙特卡罗算法评估量产条件下DICD与锥角的分布区间以及概率。最终明
确了光刻制程对DICD和锥角的影响因素和相关关系，为调控DICD和锥角探索出了可行的技术路线。
2 实 验
2.1 实验流程
实验在京东方8.5代线的15.6HADS产品栅极(Gate电极)光刻制程进行，其流程如图1所示：成膜后的玻璃基板经过纯H2O清洗，然后进行光刻胶涂覆，通过涂覆过程参数的调节可以控制光刻胶的厚度；光刻胶主要由树脂、溶剂、感光剂和添加剂组成，树脂是光刻胶主体，溶剂确保光刻胶完整涂覆于基板上，感光剂在曝光阶段发生光化学反应；光刻胶涂覆完成后，基板进行减压真空干燥(Vacuum Dry，VCD)，在此阶段通过抽气减压获得真空状态，使得光刻胶中的溶剂沸点下降，进而导致溶剂在此阶段大量挥发；VCD完成后，基板进入烘烤阶段，此阶段通过加热的空气进行烘烤，使溶剂进一步挥发并增加光刻胶与基板的粘附力；完成烘烤后，基板进入曝光阶段，此阶段中，被光照射的光刻胶会发生光化学反应，此反应使得该处的光刻胶显酸性，其显影速度增加；曝光剂量、Z值将影响DICD和锥角；完成曝光后，基板进入显影阶段，显影液呈碱性，故被光照射的光刻胶被显影液侵
蚀而未被光照的光刻胶则被保留。经历光刻制程后，光刻胶在截面方向形成锥角，如图2所示。
图1 光刻工艺制程Fig.1 Process flow of lithography
图2 光刻制程光刻胶锥角示意图Fig.2 Schematic of taper for PR in lithography process
2.2 实验样品联轴器弹簧
采用控制变量法，在光刻制程中采用单因素试验，每项试验中仅变更一项工艺参数，而其余工艺参数则与量产条件持平。如表1中的试验区块一，该项试验中，仅光刻胶厚度进行变化，其余条件均与15.6HADS产品量产条件一致，完成此项试验后，玻璃基板在TFT产线的HTCD设备进行DICD测试。HTCD设备采用非接触的成像加像素分析的技术手段，以非接触的方式测量DICD，每张玻璃基板测试54个点位，获得54个DICD数据，通过54个数据的平均值和3倍标准差反应DICD情况。DICD测试完成后，采用扫描电子显微镜SEM进行光刻胶微观形貌测试，对截面照片进行分析，测量锥角。试验区块二、区块三的情况与区块一类似，详细的试验条件如表1所示。
陶瓷添加剂
表1 光刻制程实验条件Tab.1 Experiment split of lithography process实验区块探究区域样品编号区块一光刻胶厚度的影响S1～S5区块二曝光剂量的影响S6～S11Z值的影响S12～S18区块三显影时间的影响S19～S24量产显影条件的蒙特卡罗计算--
3 实验结果及分析
3.1 光刻胶厚度对DICD和锥角的影响
在光刻工艺条件不变的情况下，光刻胶厚度对DICD的影响如图3所示。光刻胶厚度增加，DICD呈线性增加趋势，且光刻胶厚度每增加1 μm，DICD增加约2.6 μm；且光刻胶厚度在2.0 μm时，DICD均一性最好，其3倍标准差约0.222。不同光刻胶厚度下DICD的分布如图4所示，所有厚度的DICD均服从正态分布，光刻胶厚度为2.0 μm时，DICD在6.4 μm附近分布最集中。
图3 不同光刻胶厚度下的DICD趋势Fig.3 DICD trend in different photo resist thickness
在曝光阶段，光照射到光刻胶上表面，光刻胶上表面对光进行吸收，光刻胶发生变性。沿着光刻胶厚度方向，光透过光刻胶上表面向下传输，光强逐渐衰减。最终形成光刻胶上表
面受辐射最强，下部光刻胶所受辐射最弱，中部光刻胶所受辐射逐渐递减的态势。其详细情况如图5所示：光刻胶浅部分代表吸收辐射强度大，深部分表示吸收辐射强度较小，沿着光刻胶厚度方向，吸收的辐射强度逐渐减弱。吸收辐射的强度与光化学程度呈正相关关系，吸收辐射强度大，光化学反应越强烈，显影速度越快，正性光刻胶的DICD也就越小。光刻胶膜厚增加，其底部的显影速度慢，最终导致显影后的DICD增加。
图4 不同光刻胶厚度下的DICD分布Fig.4 DICD distribution of different photo resist thickness
图5 光照强度沿厚度方向衰减示意Fig.5 Attenuation of light intensity along photo-resist thickness direction
光刻胶厚度与锥角的关系如图6所示，随着光刻胶厚度的增加，光刻胶底部一直保持锥角形貌，光刻胶顶部逐渐由锐角向直角过渡并最终形成钝角。光刻胶顶部形成直角或者钝角，这会导致光刻胶的重心升高，有光刻胶塌陷的风险[6]。
曝光阶段，在沿光刻胶厚度方向存在辐射梯度，引发光化学反应强度的梯度，上部的光刻
胶显影速度快，而下部光刻胶显影速度慢，最终形成了上部光刻胶锥角大而下部光刻胶锥角小的截面。同时，在VCD阶段，光刻胶中的溶剂通过光刻胶上表面逐渐挥发，顶部光刻胶处的溶剂挥发最快，故顶部光刻胶最致密。在显影阶段，致密的光刻胶显影速度慢，这也会导致顶部光刻胶的锥角偏大。当光刻胶厚度增加，沿光刻胶厚度方向接收辐射剂量和致密度差异增加，故光刻胶顶部最终形成了图6中的直角或钝角。
图6 不同光刻胶厚度下的锥角形貌Fig.6 Taper appearance of different photo-resist thickness
综合上述，光刻胶厚度增加，会导致DICD增加，顶部光刻胶的锥角会逐渐由锐减演变为钝角。当光刻胶厚度增加，需增加曝光剂量，才能确保获得生产所需的DICD和锥角。
3.2 曝光剂量对DICD和锥角的影响
在曝光阶段，主要通过调节曝光剂量(Dose)和曝光时间控制效果。曝光剂量乘以曝光时间便是实际的曝光能量。从图7中可以看出，曝光剂量增加，DICD呈线性下降，每增加1个曝光剂量，DICD下降约0.08 。曝光剂量与锥角的关系如图8所示，曝光剂量在一定范围内，
锥角保持稳定；但曝光剂量增加，锥角会在某一个曝光剂量形成突变形式的增加。如图所示，曝光剂量在37～38范围，锥角突然增加3，曝光剂量37～38可作为锥角变化的阈值。
图7 不同曝光剂量条件下的DICD趋势Fig.7 DICD trend in different exposure dose
图8 不同曝光剂量下的锥角趋势Fig.8 Taper trend in different exposure dose
图9 不同曝光剂量下光刻胶吸收光强示意图Fig.9 Schematic diagram of absorption intensity of of photo-resist under different exposure dose
曝光剂量增加，光刻胶接收的辐射量增加，光化学反应越充分，显影时显影速率越快，故曝光剂量增加，DICD下降。如图9所示，曝光剂量增加，虽然在厚度方向存在光照强度衰减，但底部的光刻胶接受的辐射强度会增加，光化底部学反应增强，底部显影速度增加，故锥角增加。
综上，对于正性光刻胶，增加曝光剂量，DICD减小，锥角呈上升趋势。在实际生产中，可以结合产品设计的DICD和DICD关于曝光剂量的回归方程，推算出合适的曝光剂量。
3.3 曝光Z值对DICD和锥角的影响
在曝光阶段，高压汞灯作为光源发光，光透过掩膜板上的空隙到达透镜，再由透镜投射到玻璃基板，玻璃基板与透镜的保持合适的距离，曝光光路示意见图10。
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