83、薄膜晶体管液晶显示器光刻与湿法蚀刻技术解析

薄膜晶体管液晶显示器光刻与湿法蚀刻技术解析

光刻显影与后烘流程

光刻显影过程中，玻璃需与光刻胶反应几秒，之后将基板倾斜至 5 - 15°，以排出剩余显影液和反应产物。接着用水冲洗，稀释玻璃上残留的显影液，停止光刻胶的进一步显影。再用大量去离子水清洗玻璃，去除残留显影液和副产物，最后用气刀吹干。
为实现理想的关键尺寸（CD）及其均匀性，避免出现斑纹和水痕，需优化和控制以下工艺参数：
1. 显影液在玻璃上的停留时间（水坑时间）
2. 基板在显影液喷嘴和水冲洗喷嘴下的运输速度
3. 显影液的排出速度
4. 水冲洗的流速
5. 显影液的浓度
6. 显影液的温度
7. 空气干燥的流速、均匀性和角度

光刻胶后烘是为了消除溶剂和水分痕迹，硬化光刻胶，使其能承受后续等离子体和/或湿法蚀刻剂的蚀刻。温度通常保持在约 130 - 150°C，过热会使光刻胶变成难以在后续剥离过程中完全去除的硬渣，且热处理会影响光刻胶的锥度轮廓，需严格控制以维持所需的光刻胶结构。

光刻关键质量因素对显示性能的影响

TFT LCD 显示器的色彩饱和度、对比度、响应时间、分辨率等重要特性都与光刻密切相关，关键工艺参数包括 CD、差分 CD、重叠、差分重叠和总间距。
- CD 和差分 CD 的影响 ：CD 指像素和电路布局上图案结构的宽度和长度，光刻胶材料、掩膜、涂层、曝光和显影等因素会综合影响 CD。微小的 CD 变化可能导致严重的显示问题，如晶体管通道变长会导致像素充电不足，引发显示异常。即使单个特征的 CD 变化在设计规格内，不同区域 CD 不一致也可能导致斑纹。可通过肉眼宏观检查未组装的 TFT 阵列玻璃，或利用可见光和数字宏观检查技术检测 CD 变化。
- 重叠和差分重叠的影响 ：重叠是后续图案特征与先前图案特征的距离测量，微小的重叠变化会影响显示质量，如导致寄生电容偏差，改变像素电压和液晶取向，产生显示斑纹。较小的差分重叠变化在较大区域也可能导致显示问题，因此控制差分重叠很重要。可通过增强对准标记识别能力、控制平台运动和应用透镜阵列补偿等方法提高重叠精度。
- 总间距的影响 ：为生产高质量显示器，TFT 和彩色滤光片面板的像素图案需精确匹配，总间距用于衡量两者的微观和宏观尺寸匹配。玻璃基板在热暴露时会发生不可逆收缩和可逆热膨胀，控制不佳会导致 TFT - 彩色滤光片玻璃尺寸差异，出现光泄漏和斑纹。UV 曝光系统配备热室和温度控制基板台，以及高精度激光干涉仪，以减少尺寸变化，精确控制图案。

湿法蚀刻技术概述

蚀刻包括湿法和干法，湿法蚀刻又称化学蚀刻，利用化学物质（酸或碱）与不需要的材料（如金属、半导体和介电材料）反应，去除多层材料顶部不需要的材料。金属蚀刻工艺因成本低、产量高和操作简单，在传统工业领域广泛应用，但由于化学反应的各向同性，在精细图案 CD 控制方面存在不足。
干法蚀刻通常采用等离子体工艺或激光烧蚀进行各向异性材料去除，更有利于精确 CD 控制，但会对底层或光刻胶造成损伤。一些显示技术中的敏感材料（如 ITO、IZO、IGZO 和 SiO₂），湿法蚀刻更适合对其进行图案化。在平板显示技术中，蚀刻均匀性和材料特性同样重要，随着显示制造尺寸增大，湿法蚀刻的均匀性成为挑战，特别是对于某些特定材料（如 IGZO）。

湿法蚀刻原理

湿法蚀刻完全依赖化学反应，选择性、过蚀刻和蚀刻偏差是重要考虑因素。
- 选择性 ：蚀刻选择性指不需要的材料比剩余材料以更高的速率被去除，湿法蚀刻因材料与蚀刻剂的化学反应活性差异大而具有高选择性。蚀刻选择性（S）可定义为两种材料蚀刻速率之比：$S = \frac{r_1}{r_2}$，其中$r_1$是第一种材料的蚀刻速率，$r_2$是第二种材料的蚀刻速率。当$S > 1$时，蚀刻剂对第一种材料的选择性更高，光刻胶可作为掩膜定义图案区域。不同多层材料蚀刻时，蚀刻剂对各层的蚀刻选择性需有差异，以确保蚀刻截面轮廓。
- 过蚀刻 ：过蚀刻通常用于确保不需要的材料完全去除，蚀刻时间可能比正常蚀刻增加 10 - 20%。对于多层蚀刻，如 MoW 和 SiO₂ 的多层结构，可利用 BOE 溶液进行湿法蚀刻，由于 SiO₂ 在 BOE 溶液中的蚀刻速率高于 MoW，可采用过蚀刻技术进行多层图案化。

以下是光刻显影流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[玻璃与光刻胶反应] --> B[倾斜基板排出显影液和产物]
    B --> C[水冲洗]
    C --> D[去离子水清洗]
    D --> E[气刀吹干]

工艺参数	说明
显影液停留时间	影响光刻胶显影程度
基板运输速度	关系到显影和冲洗效果
显影液排出速度	影响残留显影液量
水冲洗流速	影响稀释和清洗效果
显影液浓度	影响显影速率和 CD
显影液温度	影响显影反应速度
空气干燥参数	影响干燥效果和均匀性

薄膜晶体管液晶显示器光刻与湿法蚀刻技术解析

湿法蚀刻方法

湿法蚀刻方法主要涉及设备、蚀刻剂和蚀刻工艺三个方面。
- 设备 ：湿法蚀刻设备通常需要满足能够精确控制蚀刻过程的要求。常见的设备有喷淋式蚀刻机和浸泡式蚀刻机。喷淋式蚀刻机通过喷头将蚀刻剂均匀地喷洒在待蚀刻材料表面，这种方式能够较好地控制蚀刻的均匀性，适用于对蚀刻精度要求较高的场合。浸泡式蚀刻机则是将待蚀刻材料完全浸泡在蚀刻剂溶液中，操作相对简单，但蚀刻均匀性较难控制。
- 蚀刻剂 ：不同的材料需要使用不同的蚀刻剂。例如，对于金属材料，常用的蚀刻剂有酸性蚀刻剂，如盐酸、硝酸等；对于半导体材料，可能会使用氢氟酸等蚀刻剂。选择蚀刻剂时，需要考虑蚀刻选择性、蚀刻速率等因素。以下是一些常见材料对应的蚀刻剂示例：
|材料|蚀刻剂|
| ---- | ---- |
|金属（如铜）|盐酸 + 过氧化氢|
|半导体（如硅）|氢氟酸 + 硝酸|
|介电材料（如 SiO₂）|氢氟酸|
- 湿法蚀刻工艺 ：湿法蚀刻工艺一般包括以下步骤：
1. 预处理：对待蚀刻材料进行清洗，去除表面的杂质和油污，以确保蚀刻反应能够顺利进行。
2. 蚀刻：将预处理后的材料放入蚀刻剂中进行蚀刻，根据材料和蚀刻要求控制蚀刻时间和温度。
3. 清洗：蚀刻完成后，用去离子水清洗材料，去除残留的蚀刻剂和反应产物。
4. 干燥：最后对清洗后的材料进行干燥处理，防止表面残留水分影响后续工艺。

以下是湿法蚀刻工艺的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[预处理] --> B[蚀刻]
    B --> C[清洗]
    C --> D[干燥]

湿法蚀刻新方法

随着技术的不断发展，出现了一些新的湿法蚀刻方法。例如，采用微流控技术的湿法蚀刻，通过精确控制蚀刻剂的流动和分布，能够实现更精确的蚀刻图案。另外，一些新型蚀刻剂的研发也为湿法蚀刻带来了新的可能性，这些蚀刻剂具有更高的蚀刻选择性和更低的环境污染。

总结

光刻和湿法蚀刻技术在薄膜晶体管液晶显示器制造中起着至关重要的作用。光刻过程中的关键参数，如 CD、重叠和总间距等，直接影响着显示器的显示性能，需要严格控制。湿法蚀刻技术则因其对敏感材料的适用性和在特定情况下的优势，在显示器制造中不可或缺。然而，随着显示制造尺寸的不断增大，蚀刻均匀性等问题成为了挑战，需要不断探索新的技术和方法来解决。

在实际应用中，需要综合考虑光刻和湿法蚀刻的各个环节，优化工艺参数，以提高显示器的质量和生产效率。例如，在光刻过程中，合理控制显影液的停留时间、基板运输速度等参数；在湿法蚀刻过程中，选择合适的蚀刻剂和设备，严格执行蚀刻工艺步骤。通过这些措施，可以有效减少显示斑纹等问题的出现，生产出高质量的薄膜晶体管液晶显示器。

总之，光刻和湿法蚀刻技术的不断发展和创新，将为薄膜晶体管液晶显示器行业带来更广阔的发展前景。未来，我们可以期待这些技术在提高显示性能、降低成本等方面取得更大的突破。