81、薄膜晶体管液晶显示器光刻技术解析

最新推荐文章于 2025-10-30 16:38:20 发布

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分类专栏：解密视觉显示的科技密码文章标签： TFT LCD 光刻技术光刻胶材料

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薄膜晶体管液晶显示器光刻技术解析

1 引言

经过数十年全球范围内对平板显示商业化的不懈追求，薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD）逐渐成为领先的平板显示技术之一。近年来，LCD 市场呈现出以下趋势：
- 更亮且能耗更低的显示器。
- 更高的图像分辨率。
- 更高的帧率以减少运动模糊。
- 更高清晰度的 3D 图像和动态画面显示。

这些趋势不断推动着研发工作，旨在进一步缩小显示面板上的微器件尺寸，并提高像素开口率。而这些关键结构特征主要通过光刻技术在 TFT LCD 生产过程中得以实现，因此光刻技术是 TFT LCD 技术进步和市场增长的重要成功因素之一。

LCD 光刻在尺寸、重量和技术挑战方面与 IC 半导体光刻有明显区别。例如，第 8.5 代光刻设备占地约 5800 平方米，重达约 410 吨。由于巨大的市场潜力，TFT LCD 行业面临的独特技术挑战吸引了大量的研发关注。为了实现清晰、无斑纹的图像质量，TFT LCD 领域在光刻工程方面投入了大量精力，包括材料、设备和加工技术，以在整个 8.69 平方米的基板上实现像素图案的微观精度和亚微米均匀性。

自 20 世纪 90 年代以来，随着电视显示面板尺寸扩展到 65 英寸和 71 英寸，TFT LCD 基板尺寸从第 1 代（300×400 毫米）增加到第 10 代（2880×3130 毫米），增长了超过 75 倍。同时，提高生产吞吐量也是 LCD 行业的持续驱动力，但随着玻璃基板尺寸的增加，在不影响产量、质量和性能的前提下提高吞吐量变得更加紧迫。

2 光刻胶材料工程

光刻胶由光活性化合物（PACs）、聚合物树脂、溶剂和添加剂（表面活性剂和/或附着力促进剂）组成，在光刻工艺中起着至关重要的作用，用于定义器件电路和彩色像素图案。近年来，材料工程方面的努力主要集中在开发更高的光学灵敏度、高分辨率、与激光（作为光源）的兼容性以及低成本解决方案。

2.1 正性和负性光刻胶

光刻胶分为正性和负性两种类型：
- 正性光刻胶 ：经紫外线照射后，正性光刻胶容易在显影剂中溶解。未曝光的光刻胶在后续蚀刻步骤中保护底层薄膜。由于晶体管和电子电路需要更高分辨率的图案，正性光刻胶常用于 TFT 阵列工艺。
- 负性光刻胶 ：负性光刻胶的成分在紫外线辐射下发生交联和聚合反应。未曝光的光刻胶在显影剂中容易溶解并随后被水冲洗掉，交联的聚合物进一步加热硬化，在玻璃基板上形成稳定的图案结构。由于其交联和聚合特性，负性光刻胶比正性光刻胶更稳定可靠，常用于彩色滤光片工艺中形成黑矩阵、红、绿、蓝图案以及光间隔物。

2.2 正性光刻胶的成分

典型的商用正性光刻胶成分如下表所示：
|成分|占比|
| ---- | ---- |
|溶剂|70 - 85%|
|树脂|12 - 24%|
|PAC|2 - 5%|
|添加剂|~1%|

溶剂通常占重量的 70 - 85%，在后续工艺步骤中会被去除。剩余的光刻胶是用于光诱导化学反应以实现图案化功能的活性化合物。正性光刻胶中的活性成分主要是酚醛清漆树脂和 PACs。PACs 是重氮萘醌（DNQ）与多羟基二苯甲酮酯化反应的产物。

在没有紫外线辐射的情况下，PAC 中的 DNQ 与酚醛清漆树脂的偶氮耦合反应产物在显影剂中不溶解。而紫外线辐射会使 DNQ 中形成羧基（COOH），从而使曝光的酸性光刻胶在碱性显影剂溶液中可溶。因此，需要精心设计 DNQ 的最佳比例，以抑制未曝光光刻胶的溶解并促进曝光光刻胶的容易溶解。

溶剂用于完全溶解聚合物树脂和 PAC，以便在基板上进行光刻胶涂覆。通过调整溶剂浓度，可以控制光刻胶溶液的粘度以实现最佳涂覆。常用的溶剂如丙二醇甲醚醋酸酯，还会添加少量添加剂，如附着力促进剂和各种类型的表面活性剂，分别用于提高光刻胶的附着力和涂覆厚度的均匀性。

2.3 TFT 阵列工艺光刻胶的重要特性

为了简化生产管理，生产线通常倾向于使用单一类型的光刻胶用于 TFT 阵列图案化工艺。因此，光刻胶需要精心设计和配制，以满足所有工艺要求，包括高光学灵敏度、高分辨率、低暗蚀、与底层材料的良好附着力、宽的 CD 控制工艺窗口以及在等离子体和湿化学蚀刻过程中的稳定性等。

2.3.1 光敏性与曝光剂量的关系

正性光刻胶的光敏性定义为诱导光刻胶成分发生足够化学反应所需的曝光剂量，使其在显影剂中完全溶解，通常以毫焦每平方厘米为单位表示。典型的光刻胶厚度 - 剂量关系曲线显示，曝光和显影后，剩余膜厚度在起始点后随曝光剂量的增加而减小。正性光刻胶的对比度γp 是灵敏度曲线线性部分的斜率，计算公式为：
[γ_p = \frac{1}{\log E_{th} - \log E_0}]
其中，$E_{th}$ 是光刻胶在显影剂中完全可溶的阈值剂量，$E_0$ 是起始点的曝光能量。$E_{th}$ 是光敏性的指标，LCD 光刻的推荐操作剂量 $E_{op}$（约 30 mJ/cm²）通常是阈值剂量的 1.1 - 1.3 倍。与半导体加工相比，LCD 的 $E_{op}$ 较低，因为需要更短的曝光时间。为了实现这一点，高灵敏度的 LCD 光刻胶采用较低分子量的酚醛清漆树脂、较小的酯化比和较小的 PAC 浓度。

2.3.2 光刻胶分辨率

光刻的分辨率定义为在密集图案区域中可以分辨的最小特征。它强烈依赖于许多因素，如设备硬件能力、工艺特性和光刻胶材料。分辨率还与正性光刻胶的链断裂和负性光刻胶的交联网络有关。由于分辨率与光刻胶的对比度密切相关，可以通过增加酯化比和 PAC 浓度等因素来提高分辨率，但这会以降低光敏性为代价。正性光刻胶通常具有较低的分子量和较高的对比度，并且其在显影剂中的溶解机制与负性光刻胶不同，正性光刻胶在与显影剂接触时体积增加不如负性光刻胶明显，因此正性光刻胶能够实现更高的分辨率，通常用于所有 TFT 阵列工艺步骤。

2.3.3 抗等离子体蚀刻和暗蚀性能

正性光刻胶旨在在后续的干蚀刻过程中保护底层薄膜免受等离子体蚀刻，但仍会有一小部分光刻胶被侵蚀。在控制不佳的情况下，部分干燥的正性光刻胶可能会部分被侵蚀，副产物会沉积在光刻胶边缘，形成硬涂层，阻止底层薄膜进一步蚀刻，甚至可能导致电流泄漏路径，降低显示面板性能。因此，必须仔细控制溶剂蒸汽的干燥和蒸发。

未曝光的正性光刻胶在显影剂中设计为稳定的，但不可避免地会有微量光刻胶在显影过程中溶解，这被称为“暗蚀”。在某些情况下，严重的暗蚀可能会不利地改变光刻胶轮廓并降低图案特征的 CD。为了减少这种影响，可以通过增加酚醛清漆树脂的分子量和/或邻位取代比来提高抗暗蚀性能，但这会以降低光敏性为代价。为了满足光敏性、显影剂溶解性、热稳定性和光刻胶对比度的要求，通常会配制不同分子量的酚醛清漆树脂混合物来生产最佳的光刻胶。

下表总结了正性光刻胶成分对光刻行为的影响：
|成分|光敏性|未曝光光刻胶的溶解抑制|曝光光刻胶的溶解促进|热稳定性|对比度|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|酚醛清漆树脂分子量|直接成正比|直接成正比|直接成正比|直接成正比|直接成正比|
|酚醛清漆树脂邻位取代|直接成正比|直接成正比|直接成正比|直接成正比|直接成正比|
|PAC 中的酯化比|成反比|直接成正比|直接成正比|直接成正比|直接成正比|
|PAC 浓度|成反比|直接成正比|直接成正比|直接成正比|直接成正比|

由于溶剂蒸发对温度敏感，有时在升降销和真空孔处会观察到斑纹现象，这些位置的温度与基板台不同。为了减轻热依赖性和斑纹形成，会使用多种不同沸点的溶剂。尽管已经在开发无斑纹光刻胶方面投入了大量努力，但 LCD 行业仍然需要更好的解决方案，以及更高吞吐量的光刻胶产品。

3 光刻工艺和设备

典型的光刻工艺流程如下：

graph LR
    A[玻璃清洗] --> B[脱水烘烤]
    B --> C{是否进行底漆处理}
    C -- 是 --> D[用六甲基二硅氮烷底漆处理]
    C -- 否 --> E[光刻胶涂覆]
    D --> E
    E --> F[真空干燥]
    F --> G[预烘烤]
    G --> H[曝光]
    H --> I[显影]
    I --> J[水洗干燥]
    J --> K[后烘烤]
    K --> L{后续处理}
    L -- 蚀刻 --> M[蚀刻]
    L -- 计量 --> N[厚度和 CD 测量等]

该流程始于玻璃清洗过程，随后在热板上进行脱水烘烤以去除玻璃基板上的任何残留水分。为了提高光刻胶与玻璃的附着力，有时会使用六甲基二硅氮烷进行底漆处理。然后，使用旋转或狭缝涂布机将光刻胶涂覆在玻璃上。涂覆有光刻胶的玻璃进入真空干燥室，大部分溶剂蒸发，然后在预烘烤板上进一步干燥。接着，基板被转移到曝光系统，光刻胶在其中被掩模紫外线照射，引发光刻胶成分之间的光化学反应。基板随后进入显影单元进行显影，曝光的正性光刻胶材料在显影剂中溶解，用水冲洗并风干。剩余的光刻胶再次进行后烘烤，以去除任何残留的水分和溶剂，并提高光刻胶与玻璃的附着力。涂覆有光刻胶的基板随后可用于后续蚀刻或计量，如厚度和 CD 测量、宏观观察和自动光学检查。

4 TFT LCD 光刻的关键质量因素

光刻工艺的质量直接影响到 TFT LCD 的显示性能，以下几个关键因素在光刻过程中需要严格控制。

4.1 CD 和差分 CD 对显示性能的影响

关键尺寸（CD）是指光刻图案的最小特征尺寸。CD 的准确性和一致性对于 TFT LCD 的性能至关重要。当 CD 出现偏差时，可能会导致像素的电学性能发生变化，从而影响显示的亮度、对比度和色彩准确性。

差分 CD 是指相邻图案之间 CD 的差异。如果差分 CD 过大，会导致显示画面出现亮度不均匀的现象，也就是所谓的“斑纹”（mura）。斑纹会严重影响显示质量，降低用户体验。为了控制 CD 和差分 CD，需要精确调整光刻设备的参数，如曝光剂量、聚焦等，同时优化光刻胶的性能。

4.2 套准和差分套准对显示性能的影响

套准是指不同光刻层之间图案的对准精度。在 TFT LCD 的制造过程中，通常需要进行多层光刻，每一层的图案都需要精确对准，以确保各个器件和电路的正常工作。如果套准不准确，会导致不同层之间的图案错位，从而影响像素的电学连接和光学性能。

差分套准是指相邻区域之间套准精度的差异。差分套准误差过大同样会导致斑纹问题，使显示画面出现局部亮度不均匀的现象。为了提高套准和差分套准的精度，需要使用高精度的对准系统和先进的光刻设备，同时优化光刻工艺参数。

4.3 图案化 LCD 玻璃总间距对显示性能的影响

总间距是指整个 LCD 玻璃基板上图案的间距总和。总间距的一致性对于显示画面的均匀性至关重要。如果总间距存在较大的波动，会导致像素的排列不均匀，从而影响显示的清晰度和色彩一致性。

为了控制总间距，需要在光刻过程中精确控制光刻设备的扫描速度和曝光位置，同时优化光刻胶的涂覆均匀性。以下表格总结了这些关键质量因素对显示性能的影响：
|关键因素|对显示性能的影响|
| ---- | ---- |
|CD 和差分 CD|影响亮度、对比度、色彩准确性，可能导致斑纹|
|套准和差分套准|影响像素电学连接和光学性能，可能导致斑纹|
|图案化 LCD 玻璃总间距|影响显示清晰度和色彩一致性|