82、TFT LCD光刻工艺技术解析

TFT LCD光刻工艺技术解析

1. 光刻胶涂覆技术

在TFT LCD生产中，光刻胶涂覆主要有旋转涂覆和狭缝涂覆两种技术。

1.1 旋转涂覆

旋转涂覆常用于第1 - 5代LCD生产。光刻胶通过滴落在基板中心或通过狭缝喷嘴覆盖整个玻璃基板。随后玻璃载台加速并以较高的转速（通常约1000 - 1300 rpm）旋转，光刻胶在离心力作用下“均匀”地铺展在玻璃上。但这种方法存在明显缺点，约80 - 95%的光刻胶会从玻璃上甩出，多余的光刻胶要么被排掉浪费，要么进行回收，这增加了生产成本。留在玻璃上的光刻胶形成厚度在1 - 3 mm的薄涂层，其厚度主要由载台旋转速度和溶剂粘度决定。

随着TFT LCD产品尺寸增大，特别是受电视需求驱动，旋转涂覆面临诸多问题。例如，第5代玻璃边缘的切向速度可高达约370 km/h。玻璃基板进一步增大（第6代及以上）时，在高速旋转的载台上固定玻璃变得更具挑战性，存在安全隐患。而且，由于旋转载台更重、旋转时动量更大等原因，光刻胶涂层的厚度均匀性难以控制。因此，旋转涂覆逐渐被狭缝涂覆取代。

1.2 狭缝涂覆

狭缝涂覆中，带有狭缝的喷嘴在玻璃基板上方移动，光刻胶通过狭缝挤出，并与预计量泵集成，以恒定流速操作，从而实现均匀的光刻胶厚度。在LCD生产中进行狭缝涂覆时，需要管理和控制以下重要的硬件和工艺参数：
- 喷嘴的内部结构（内部通道和垫片 - 喷嘴外壳结构）
- 喷嘴因自身重量产生的下垂（第8.5代，2700 mm，约110 - 160 kg）
- 喷嘴的水平度
- 泵送速率（通常为2 - 4 ml/s）
- 喷嘴与玻璃之间的间隙（通常约为100 mm）
- 瞬间启动和停止控制
- 防止气泡形成
- 喷嘴扫描过程的运动控制

其中，喷嘴间隙、喷嘴水平度和光刻胶泵送速率更容易被工艺工程师调整，有时会通过调整这些参数来保持所需的厚度均匀性。尽管狭缝涂覆面临巨大的技术挑战，但它相比旋转涂覆具有显著优势，如光刻胶利用率高（约90 - 95%以上）、产量更高且更安全。

随着对更大基板和更短生产节拍时间的需求增加，使用的狭缝喷嘴更长、更重且移动速度更快。如果喷嘴运动控制不当，容易导致严重振动，进而形成色斑。因此，需要精心设计和制造喷嘴系统以减少振动，常见的解决方案包括：
1. 通过设计、结构和材料替换减轻喷嘴重量
2. 加强喷嘴支撑
3. 降低整个涂覆结构的重心

下面是光刻胶涂覆技术的对比表格：
| 涂覆技术 | 适用范围 | 优点 | 缺点 | 解决方案 |
| — | — | — | — | — |
| 旋转涂覆 | 第1 - 5代LCD | 工艺相对简单 | 光刻胶浪费严重、厚度均匀性难控制、安全隐患大 | 无 |
| 狭缝涂覆 | 第5代及以上LCD | 光刻胶利用率高、产量高、安全 | 技术挑战大、易振动 | 减轻喷嘴重量、加强支撑、降低重心 |

2. 真空干燥和预烘烤

光刻胶中大部分是溶剂，在进行UV曝光前需要将溶剂去除，真空干燥和随后的预烘烤就是为了实现这一功能。严格控制真空干燥的蒸发速率对该过程的成功至关重要。

如果初始真空干燥速率过快，光刻胶会在涂层表面迅速形成过早干燥的外壳，这会阻止外壳下的剩余溶剂蒸发。在后续的真空干燥步骤和/或烘烤过程中，未完全干燥的光刻胶中的溶剂继续蒸发，有时会导致底层像火山喷发一样，在光刻胶涂层中形成孔洞。

另一方面，如果真空干燥过慢，真空干燥过程结束时光刻胶会部分干燥。在后续进一步干燥的烘烤过程中，由于载台与其升降销/孔之间的温度差异导致残留溶剂蒸发不同，有时会观察到色斑。

常见的解决方法是采用两步真空干燥工艺：
1. 第一步，通过部分打开泵阀施加缓慢的真空，使表面逐渐蒸发，而不会在光刻胶上形成异常干燥的表面层。
2. 约10 - 20秒后，加快真空干燥速度以完成干燥过程，减少生产节拍时间。当达到最终真空压力（范围在20 - 100 Pa）后，根据溶剂成分，向腔室中引入氮气以消除真空。

真空干燥后，预烘烤除了其他目的外，还用于去除任何残留溶剂，并提供热能以提高光刻胶与玻璃的附着力。预烘烤时温度控制（范围为100 - 130°C）至关重要，较高的温度可能由于溶剂蒸发不均匀而使光刻胶表面变粗糙。

下面是两步真空干燥工艺的mermaid流程图：

graph LR
    A[开始] --> B[部分打开泵阀，缓慢真空]
    B --> C{经过10 - 20秒?}
    C -- 是 --> D[加快真空干燥速度]
    C -- 否 --> B
    D --> E{达到最终真空压力?}
    E -- 是 --> F[引入氮气消除真空]
    E -- 否 --> D
    F --> G[结束]

3. UV光接近式和投影式曝光

随着玻璃基板尺寸增大，UV曝光系统的尺寸和重量也大幅增加（例如，第8.5代，10.7×10.0×5.6 m，约115 t），这给载台运动工程带来了巨大挑战，其主要目标是实现光刻功能、缩短生产节拍时间和最小化振动。因此，降低载台重量至关重要（因为尺寸无法减小）。现代载台设计利用航空航天技术，用轻质的碳纤维增强复合材料代替重陶瓷，并采用焊接框架而非一体成型结构。此外，还使用质量阻尼器和主动安装单元来减轻载台振动。计算机辅助控制系统可以检测移动载台的速度和振动，并指示主动安装单元的线性电机系统应用一系列抵消机制来减少振动。

UV光光学系统对光刻特性（如图案分辨率和重叠精度）的控制起着至关重要的作用。目前，TFT LCD行业主要使用两种光学曝光系统：投影式和接近式。

3.1 接近式曝光

与接触式曝光系统相比，接近式系统的优势在于与玻璃非接触，因此刮伤风险更小，清洁次数更少。准直UV光经过配置后均匀照射覆盖有掩模的光刻胶，引发光化学反应。玻璃与掩模之间的间隙是决定接近式系统图案分辨率（R）的关键工艺参数之一，其计算公式为：
$R = - 1.5(lg)^{0.5}$
其中，g是掩模 - 玻璃间隙，l是UV光的波长。接近式（和投影式）系统使用高压（20 atm）汞灯，发射的UV光峰值（g、h和i线）分别位于436、406和365 nm。

随着掩模尺寸增大，其重量增加（第8.5代掩模，1220 mm×1400 mm×13 mm，48 kg），重心离掩模边缘支撑更远，导致掩模下垂更严重。一种解决方法是在掩模上施加真空（通过在掩模上方放置另一块UV透明的弯曲玻璃并对中间的小腔室抽真空）来抵消重力。但即使如此，市售的第8.5代掩模仍有大约50 mm的下垂。载台平整度也直接影响掩模 - 玻璃间隙，通常控制在约30 mm以内。综合考虑这两个因素，为避免刮伤，玻璃 - 掩模间隙应保持不小于100 mm。因此，市售接近式曝光设备的分辨率限制在约10 mm。

3.2 投影式曝光系统

投影式系统分为扫描式和步进式。扫描式中，基板在载台移动时接受UV光曝光；而步进式中，基板载台运动和UV曝光是依次进行的。由于对更大玻璃基板和更高产量的需求不断增长，自第4.5代起，扫描式已成为主流技术，取代了步进式。

投影式扫描器有两种类型，透镜镜系统采用硬件预设光学系统，而透镜模块系统采用一系列独立的软件可编程、机电驱动的透镜单元，可在过程中进行优化。投影扫描器中的掩模（第8.5代掩模，1220×1400×13 mm，48 kg）与玻璃基板相距约一米，因此几乎不会被刮伤。高度复杂的光学系统与先进的载台驱动方案、自校准载台传感器、振动控制浮动基础和对准机制集成，有助于在整个9.0 m²的基板面积（第10代）上实现所需的微米级分辨率和亚微米级重叠精度。

下面是投影式曝光系统的类型对比表格：
| 类型 | 工作方式 | 优势 |
| — | — | — |
| 扫描式 | 基板载台移动时曝光 | 适合大尺寸基板、产量高 |
| 步进式 | 载台运动和曝光依次进行 | 早期常用，现逐渐被取代 |

3.3 分辨率和焦深

根据瑞利方程，投影系统的图案分辨率公式为：
$R = K_1\frac{l}{NA}$
其中，$K_1$是工艺和材料常数（受剂量、光刻胶成分等影响），l是光源波长，NA是曝光系统的数值孔径：
$NA = n\sin\theta$
其中，n是图像介质的折射率（通常空气n = 1），$\theta$是光线在最佳焦平面会聚角度的一半。通过增加NA和/或使用更短波长的光源可以提高光学投影的分辨率。例如，i线滤光片可以阻挡g和h线，提高分辨率，但会降低产量。

为了进一步增强图案特性，开发了许多光学掩模技术，包括相移掩模和光学邻近校正。相移掩模利用掩模相邻孔径上的相移层来反转电场符号，从而使相邻特征能够完全分辨，可将TFT阵列光刻的分辨率从3.0 mm提高到2.5 mm。光学邻近校正应用预补偿的掩模特征来校正由光衍射引起的失真，通常发生在图案的角落，以防止设计特征变圆。

光刻性能/质量的另一个同样重要的因素是焦深（DOF），其物理意义是表示由于载台平整度、载台清洁度（污垢和颗粒）等问题导致的光学焦点变化的容差。DOF的计算公式为：
$DOF = K_2\frac{l}{(NA)^2}$
其中，$K_2$是工艺和材料常数（受剂量、光刻胶成分等影响）。较长的波长和较小的NA会增加DOF。从公式可以看出，较短的波长可以提高分辨率，但会牺牲DOF。因此，光刻行业使用较短的波长和较小的NA来优化分辨率和DOF。

其他处理参数（如曝光剂量）也会影响DOF和分辨率。广义的Bossung曲线显示了光刻胶线宽和DOF与曝光剂量的关系。在假设的焦点 - 曝光图中，在固定焦点处，更大的剂量会导致更小的线宽。超过36.4 mJ/cm²剂量后，焦点位置的轻微变化会导致线宽不同，意味着工艺窗口较小。在最佳剂量范围（22.4 - 28.0 mJ/cm²）内，Bossung曲线较平坦，即在不同焦点位置（25和 - 25 mm之间）可以实现几乎恒定的线宽，也就是说，使用这些剂量可以找到更大的工艺窗口。这是在将扫描器投入生产进一步工艺调整之前进行资格验证的最重要基本工具之一。

3.4 半色调和灰度掩模及无掩模技术

二进制掩模通过激光写入在涂有铬的石英基板上制作图案。由于铬对UV光不透明，掩模在曝光下几乎提供100%或0%的辐射。因此，它用于在一次曝光扫描中制作厚度均匀的光刻胶图案。与其他掩模相比，二进制掩模相对容易制作，成本较低。

半色调掩模利用具有不同UV透明度的多层膜，在一次扫描中实现多个剂量，从而在显影后获得不同的剩余光刻胶厚度。结合不同厚度的光刻胶和互补蚀刻步骤，LCD行业TFT阵列的五次光刻迭代可以减少到三到四次。

灰度掩模与半色调技术类似，也可以通过改变剂量来减少TFT阵列光刻迭代次数。它们利用精细狭缝的图案设计来衍射UV光，在不同区域产生多个剂量。彩色滤光片工艺有时采用这些掩模技术，在一次光刻迭代中而不是两次中建立不同高度的负性光刻胶间隔物（用于保持TFT和彩色滤光片基板之间的恒定间隙）。

灰度掩模的成本低于半色调掩模，但设计和使用更复杂，其光刻胶图案更容易受到工艺偏差的影响。

随着LCD世代的增加，掩模和曝光系统的尺寸和成本大幅增加，这促使人们大力研究和开发下一代无掩模技术。使用激光和电子束的直接写入技术即将进入商业TFT LCD光刻设备市场。除了无需掩模成本外，它们还具有更大的灵活性，可用于评估和建立新颖的像素设计概念，以推动TFT LCD显示器的发展。然而，总体而言，这些技术在提高产量和降低资本投资成本方面仍有改进空间。

其他无掩模解决方案包括使用喷墨技术在玻璃基板上打印墨水材料的微滴。到目前为止，由于其分辨率能力较低，喷墨打印主要用于彩色滤光片处理，以打印光刻胶间隔物和彩色光刻胶。喷墨打印的主要优点包括节省墨水体积（预分配和喷墨头清洁方面还需进一步改进），以及无需掩模、曝光系统、显影剂和剥离剂。此外，它还为图案设计提供了更大的灵活性。

下面是不同掩模技术的对比表格：
| 掩模类型 | 原理 | 优点 | 缺点 |
| — | — | — | — |
| 二进制掩模 | 铬涂层阻挡UV光，提供100%或0%辐射 | 制作简单、成本低 | 只能制作等厚图案 |
| 半色调掩模 | 多层膜不同UV透明度实现多剂量 | 减少光刻迭代次数 | 制作相对复杂 |
| 灰度掩模 | 精细狭缝衍射UV光产生多剂量 | 成本低、可减少迭代 | 设计和使用复杂、易受工艺偏差影响 |

4. 光刻胶显影

光刻胶显影的基本步骤包括显影剂分配、排水、水冲洗和空气干燥。UV曝光后，使用喷嘴在涂有光刻胶的玻璃上分配一层碱性显影剂，显影剂留在光刻胶表面，经过一段时间后进行排水、水冲洗和空气干燥等操作。

下面是光刻胶显影步骤的列表：
1. 显影剂分配：将碱性显影剂均匀地涂覆在光刻胶表面。
2. 排水：去除多余的显影剂。
3. 水冲洗：用清水冲洗掉残留的显影剂。
4. 空气干燥：使光刻胶表面干燥。

综上所述，TFT LCD光刻工艺涉及多个关键步骤，每个步骤都有其特定的技术要求和挑战。通过不断优化和改进这些工艺技术，可以提高TFT LCD的生产质量和效率。在未来，随着技术的不断发展，相信光刻工艺会更加先进，为TFT LCD产业带来更大的发展。

TFT LCD光刻工艺技术解析

5. 各工艺步骤的关联与整体流程

TFT LCD光刻工艺的各个步骤紧密关联，共同构成了一个完整的生产流程。下面通过mermaid流程图来展示整个光刻工艺的主要步骤及其顺序：

graph LR
    A[基板清洗、脱水烘烤和HMDS预处理] --> B[光刻胶涂覆]
    B --> C[真空干燥和预烘烤]
    C --> D[UV光曝光]
    D --> E[光刻胶显影]
    E --> F[后烘烤]
    F --> G[检查]

从流程图可以看出，基板的预处理是光刻工艺的基础，为后续光刻胶的良好涂覆提供条件。光刻胶涂覆方式的选择直接影响到光刻胶的使用效率和涂层质量，进而影响到后续曝光和显影的效果。真空干燥和预烘烤的质量决定了光刻胶中溶剂的去除程度，对曝光时的光化学反应和显影后的图案质量有重要影响。UV光曝光的分辨率和重叠精度决定了最终光刻图案的精度，而光刻胶显影则是将曝光后的图案显现出来的关键步骤。后烘烤进一步提高光刻胶与基板的附着力和图案的稳定性，最后通过检查确保产品质量符合要求。

6. 关键工艺参数的综合影响

在TFT LCD光刻工艺中，多个关键工艺参数相互影响，共同决定了最终产品的质量。下面通过表格来分析一些关键参数之间的相互关系和对产品质量的影响：

关键参数	对其他参数的影响	对产品质量的影响
光刻胶涂覆速度	影响涂层厚度均匀性，涂覆速度过快可能导致厚度不均匀；影响光刻胶利用率，速度不当可能增加浪费	厚度不均匀会导致曝光和显影时图案精度受影响，光刻胶浪费增加成本
真空干燥速率	过快会导致光刻胶表面形成过早干燥的外壳，影响内部溶剂蒸发；过慢会导致部分干燥，后续烘烤出现色斑	外壳形成会使显影后图案出现孔洞，色斑影响图案质量和显示效果
曝光剂量	影响分辨率和焦深，剂量过大或过小都会影响图案的清晰度和精度；影响光刻胶的交联程度，进而影响显影后的图案形状	分辨率和精度不足会导致电路性能下降，图案形状不符合要求影响产品功能
显影时间	时间过短，未曝光部分光刻胶去除不彻底；时间过长，可能会过度腐蚀曝光部分光刻胶	未去除彻底会残留杂质，过度腐蚀会损坏图案

这些关键参数需要在实际生产中进行精确控制和优化，以达到最佳的产品质量。例如，在调整光刻胶涂覆速度时，需要考虑基板尺寸、光刻胶性质等因素，以确保涂层厚度均匀且光刻胶利用率高。在控制真空干燥速率时，要根据光刻胶的溶剂成分和涂层厚度选择合适的两步干燥工艺参数。

7. 工艺优化建议

基于前面的分析，为了提高TFT LCD光刻工艺的质量和效率，可以从以下几个方面进行优化：

7.1 光刻胶涂覆工艺优化

• 对于旋转涂覆，虽然在新一代LCD生产中逐渐被取代，但在一些特定场合仍可能使用。可以进一步研究改进旋转速度的控制策略，根据基板尺寸和光刻胶特性动态调整旋转速度，以提高涂层厚度均匀性。
• 对于狭缝涂覆，加强对喷嘴系统的研发和改进。除了减轻喷嘴重量、加强支撑和降低重心外，还可以采用先进的传感器技术实时监测喷嘴的振动情况，并通过反馈控制系统及时调整喷嘴的运动参数，减少振动和色斑的产生。

7.2 真空干燥和预烘烤工艺优化

• 建立更精确的真空干燥速率模型，结合光刻胶的成分分析和涂层厚度测量，实时调整真空干燥的参数，确保溶剂去除均匀且不会形成过早干燥的外壳。
• 优化预烘烤的温度控制曲线，根据光刻胶的特性和涂层厚度采用分段式温度控制，提高光刻胶与基板的附着力，同时避免光刻胶表面粗糙。

7.3 UV光曝光工艺优化

• 对于接近式曝光，进一步改进掩模的支撑和固定方式，减少掩模下垂对分辨率的影响。可以采用更先进的材料和结构设计来增强掩模的刚性。
• 对于投影式曝光，不断优化光学系统的设计和校准，提高分辨率和重叠精度。同时，结合先进的计算机辅助控制技术，实时监测和调整曝光参数，以适应不同尺寸和规格的基板。

7.4 光刻胶显影工艺优化

• 精确控制显影时间和显影剂的浓度，根据曝光后的光刻胶特性和图案要求进行动态调整。可以采用在线监测技术实时监测显影过程中的参数变化，确保显影效果的一致性。
• 优化显影后的冲洗和干燥工艺，减少残留杂质和水分对图案质量的影响。

8. 未来发展趋势展望

随着TFT LCD技术的不断发展，光刻工艺也将面临新的挑战和机遇，未来可能呈现以下发展趋势：

8.1 更高分辨率和精度要求

随着显示技术向更高分辨率、更高清晰度方向发展，对TFT LCD光刻工艺的分辨率和精度要求也将不断提高。这将促使研发更先进的曝光系统和光刻胶材料，以及更精确的工艺控制技术。

8.2 无掩模技术的广泛应用

无掩模技术如激光和电子束直接写入、喷墨打印等，具有更大的灵活性和成本优势。随着技术的不断成熟，这些无掩模技术有望在TFT LCD光刻工艺中得到更广泛的应用，减少对传统掩模的依赖。

8.3 绿色环保工艺的发展

在环保意识日益增强的背景下，TFT LCD光刻工艺也将朝着绿色环保方向发展。例如，研发更环保的光刻胶材料和显影剂，减少对环境的污染；优化工艺参数，提高光刻胶的利用率，降低生产成本。

8.4 智能化和自动化生产

借助人工智能和自动化技术，实现TFT LCD光刻工艺的智能化生产。通过实时监测和分析工艺参数，自动调整设备运行状态，提高生产效率和产品质量的稳定性。

综上所述，TFT LCD光刻工艺是一个复杂而关键的生产过程，涉及多个工艺步骤和关键参数。通过深入理解各步骤的原理和相互关系，优化工艺参数和控制策略，并关注未来发展趋势，能够不断提高光刻工艺的质量和效率，推动TFT LCD产业的持续发展。