陳 潤(rùn), 蔣 遷, 周 鵬, 齊勤瑞, 高雪松
(北京京東方顯示技術(shù)有限公司, 北京 100176)
彩色濾光膜(Color Filter,CF)是薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,TFT-LCD)中重要的顯色部件,工業(yè)上多用光刻法制備彩膜,用到的主要原材料是光刻膠[1-4]。在選擇產(chǎn)品使用哪種光刻膠時(shí),通??紤]膠的自身特性是否能夠滿足穩(wěn)定量產(chǎn)和成品規(guī)格,評(píng)價(jià)指標(biāo)通常為膠的流動(dòng)性、電阻抗、遮光度、色度、硬度等[5-8]。然而隨著工業(yè)設(shè)備多年的運(yùn)轉(zhuǎn),光刻膠熱升華物污染成為產(chǎn)線后期運(yùn)營(yíng)最常見也最難解決的行業(yè)問題[9-11],不得不重新審視光刻膠選擇標(biāo)準(zhǔn)。
光刻法制備彩膜分為清洗-涂布-預(yù)烘烤-曝光-顯影-后烘烤6大主要工藝步驟[12],其中預(yù)烘烤工藝是將涂布后的基板在90~120 ℃溫度下烘烤60~160 s,在此過程中膠體成分揮發(fā),遇冷凝結(jié)成淺黃色粘稠液體附著在設(shè)備表面,甚至滴落到玻璃基板上,污染設(shè)備和玻璃基板,不利于產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。
本文依托8.5世代線彩膜工廠紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)3條生產(chǎn)線,對(duì)預(yù)烘烤工藝過程中的升華物進(jìn)行分析和探究,并進(jìn)行紅綠藍(lán)(RGB)光刻膠材料成分優(yōu)化,顯著減少了預(yù)烘烤升華物的產(chǎn)生。此外,本文總結(jié)并提出了光刻膠在預(yù)烘烤過程中升華量測(cè)量模型和評(píng)價(jià)基準(zhǔn),作為后續(xù)新材料選擇和導(dǎo)入的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)。
圖1所示為本文研究的彩膜工廠RGB產(chǎn)線的預(yù)烘烤升華物污染情況,在近10年的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程中形成了嚴(yán)重的升華物聚集,不僅污染設(shè)備自身,還擴(kuò)散到周邊的機(jī)械手、防護(hù)罩等設(shè)備,同時(shí)會(huì)在排氣管道內(nèi)凝結(jié),阻礙升華物通暢排出,造成惡性循環(huán)。
圖1 預(yù)烘烤升華物污染設(shè)備情況。(a)腔體內(nèi)部;(b)機(jī)械臂;(c)管道;(d)防護(hù)罩。Fig.1 Pollution of prebake fume in different position. (a) Inner-chamber; (b) Rrobot; (c) Pump ;(d) Fence.
由于污染情況無(wú)法直接量化表征,本文使用RGB產(chǎn)線由于預(yù)烘烤升華物污染基板導(dǎo)致的曝光失敗率來衡量升華物水平,其內(nèi)在聯(lián)系為:曝光前異物檢查機(jī)對(duì)基板進(jìn)行檢查,如果基板上有較大的升華物顆粒等異物則該基板將自動(dòng)跳過曝光設(shè)備,即曝光失敗。統(tǒng)計(jì)RGB產(chǎn)線由于預(yù)烘烤升華物污染造成的基板曝光失敗率水平如圖2所示,計(jì)算方式為當(dāng)周的曝光失敗基板數(shù)量除以當(dāng)周投入的總基板總數(shù),3條產(chǎn)線累加平均每周曝光失敗率約為3 500×10-6。
圖2 RGB產(chǎn)線由于預(yù)烘烤升華物導(dǎo)致的曝光失敗率Fig.2 Exposure failure ratio caused by prebake fume
采集R、G、B產(chǎn)線內(nèi)預(yù)烘烤升華物樣品,委托光刻膠廠商進(jìn)行成分測(cè)定,結(jié)果如表1所示。RGB光刻膠成分包含單體、光引發(fā)劑、聚合物、溶劑、添加劑、分散劑和顏料8大部分[13-14],在預(yù)烘烤工藝析出的升華物主要為單體和光引發(fā)劑?;诓牧蠌S商保密原則,具體成分材料不予公開,分子量無(wú)法提供具體數(shù)據(jù),只給出范圍,以型號(hào)代替說明,字母M代表單體(Monomer),字母I代表光引發(fā)劑(Initiator),后搭配數(shù)字代表不同的型號(hào)。
表1 RGB產(chǎn)線預(yù)烘烤升華物成分分析結(jié)果Tab.1 Component of prebake fume in RGB Line
實(shí)際上,RGB光刻膠所用的單體和光引發(fā)劑并不止一種,而容易在預(yù)烘烤工藝中析出的組分具有共同特點(diǎn)為:相對(duì)于所使用的其他單體和光引發(fā)劑,其分子量在190~300之間,分子量較小。從這一點(diǎn)出發(fā),著手進(jìn)行單體和光引發(fā)劑優(yōu)化,進(jìn)而優(yōu)化光刻膠組分[15]。常用單體的分子量范圍在180~800之間[16],常用光引發(fā)劑的分子量范圍在160~600之間[16]。
為了較接近地模擬產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)條件,采用圖3所示模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),評(píng)估材料在高溫下升華情況。試驗(yàn)條件為:選取5 cm×5 cm、0.5 mm厚的玻璃,稱取其重量后采用旋涂法在玻璃基板上制備一層2~3 μm厚的薄膜,再次稱量,計(jì)算薄膜重量。
隨后將玻璃基板分別放置在90,100,110,120 ℃的熱盤上加熱,使升華物析出,并在玻璃上方放置一塊事先稱重后的硅片,硅片背部放置冷卻水,使升華物凝結(jié)后收集。
從加熱開始,每間隔30 min使用精密電子秤測(cè)量一次硅片及其表面收集的升華物重量,減去硅片自身重量,計(jì)算出升華物重量,連續(xù)加熱和測(cè)量120 min后實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
將每次稱重計(jì)算的升華物重量除以加熱前的重量,計(jì)算重量損失比例,作為該材料熱升華率量化指標(biāo)。
圖3 熱升華率量化評(píng)價(jià)模型。(a)升華物收集實(shí)驗(yàn);(b)升華物稱重。Fig.3 Evaluation model of thermal sublimation rate. (a) Sublimation collection experiment; (b) Sublimation weighing.
首先從增大分子量的方向進(jìn)行改善單體優(yōu)化,用3.1所述實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)定原單體M1(分子量約190~300)和改善大分子的單體M2(分子量約500~600)、M3(分子量約380~480)在90,100,110,120 ℃熱升華率,結(jié)果如圖4所示。
3種單體在不同溫度下加熱,均出現(xiàn)了不同程度的熱升華,且隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)、加熱溫度升高,熱升華物析出增多。同時(shí),在4種溫度下,改善單體M2和M3的熱升華率相對(duì)于原單體M1大幅減少,約降低66%~83%,說明使用大分子單體能有效改善升華物析出問題。
繼續(xù)從增大分子量方向進(jìn)行光引發(fā)劑優(yōu)化,同樣用3.1所述實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)定原光引發(fā)劑I1、I2(分子量約200~300)和改善大分子的光引發(fā)劑I3(分子量約400~550)、I4和I5(分子量約400~500)在90,100,110,120 ℃熱升華率,結(jié)果如圖5所示。
同單體一樣,3種光引發(fā)劑在不同溫度下加熱,也出現(xiàn)了不同程度的熱升華,隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)、加熱溫度升高,熱升華物析出增多。同時(shí),在4種溫度下,改善光引發(fā)劑I3、I4和I5的熱升華率相對(duì)于原光引發(fā)劑I1和I2均大幅減少,約降低64%~87%,說明使用大分子光引發(fā)劑能有效改善升華物析出問題。
量產(chǎn)使用的RGB光刻膠種類較多,選擇消耗量最大的3種光刻膠,稱之為R1型、G1型、B1型,用改善后的單體和光引發(fā)劑替代原單體和光引發(fā)劑,形成改善光刻膠,稱之為R2型、G2型、B2型。
用3.1所述的實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):分別使用了種原光刻膠和改善型光刻膠,在5 cm×5 cm、0.5 mm厚的玻璃基板上采用旋涂法制備一層2.4 μm厚的光阻層,將基板放置在90 ℃熱盤加熱300 s,使用硅片收集升華物并稱重。每種光刻膠進(jìn)行80組實(shí)驗(yàn),80組升華物稱重結(jié)果累加,以評(píng)估改善前后光刻膠升華物析出情況。
圖6為用50倍放大鏡觀察硅片收集的改善前后的RGB光刻膠析出的升華物圖片,可以看出,改善前明顯可見升華物,改善后幾乎看不出升華物。對(duì)80組硅片進(jìn)行試驗(yàn)前后稱重,累加計(jì)算升華物重量如表2所示,R、G、B改善品熱升華物較改善前分別降低91.8%,98.5%,93.1%,改善效果顯著。
圖6 50倍顯微鏡觀察硅片收集的改善前后的光刻膠熱升華物。(a)R1型;(b)G1型;(c)B1型;(d)R2型;(e)G2型;(f)B2型。Fig.6 Photoresist thermal sublimation before and after improvement collected by silicon wafer observed by 50 times microscope. (a) R1; (b) G1; (c) B1; (d) R2; (e) G2; (f) B2.
表2 RGB光刻膠改善前后熱升華物析出量Tab.2 Thermal sublimation precipitates amount of RGB photoresist before and after improvement
新材料需要驗(yàn)證工藝能力是否足夠,采用改善后光刻膠在G8.5世代線搭載60.452 cm(23.8 in)產(chǎn)品進(jìn)行材料工藝性評(píng)價(jià)測(cè)試。根據(jù)產(chǎn)線運(yùn)營(yíng)實(shí)績(jī),設(shè)定RGB三道工藝主要測(cè)試條件中心值如表3所示,分別固定其中一個(gè)參數(shù),測(cè)量RGB像素關(guān)鍵尺寸(Critical Dimension,CD)隨曝光條件和顯影時(shí)間的變化關(guān)系,結(jié)果如圖7~9所示。
表3 60.452 cm(23.8 in)產(chǎn)品RGB工藝主要參數(shù)中心值Tab.3 Main parameter of 60.452 cm(23.8 in) product in RGB process
該產(chǎn)品CD設(shè)計(jì)規(guī)格為(84.30±2) μm,從圖7~9可以看出,CD隨曝光間隙、曝光量和顯影時(shí)間的變化基本成線性關(guān)系,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整工藝條件改變材料的像素CD,具備量產(chǎn)性。
圖7 主要工藝參數(shù)對(duì)R像素CD的影響。(a)曝光間隙;(b)曝光量;(c)顯影時(shí)間。Fig.7 Effect of main process parameters on CD of red pixel. (a) Exposure gap; (b) Exposure dose; (c) Develop time.
圖8 主要工藝參數(shù)對(duì)G像素CD的影響。(a)曝光間隙;(b)曝光量;(c)顯影時(shí)間Fig.8 Effect of main process parameters on CD of green pixel. (a) Exposure gap; (b) Exposure dose; (c) Develop time.
圖9 主要工藝參數(shù)對(duì)B像素CD的影響。(a)曝光間隙;(b)曝光量;(c)顯影時(shí)間。Fig.9 Effect of main process parameters on CD of blue pixel. (a) Exposure gap; (b) Exposure dose; (c) Develop time.
使用新材料制成彩膜,RGB工藝完成后,分別測(cè)量該產(chǎn)品RGB色坐標(biāo),結(jié)果如表4所示,全部符合產(chǎn)品彩膜段設(shè)計(jì)要求。
表4 RGB工藝完成后色坐標(biāo)結(jié)果Tab.4 Color coordinate measured after RGB process
使用新材料制成模組成品后,投入信賴性評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)內(nèi)容為:(1)THO:50 ℃,80% RH,老化240 h;(2)LTO:-5 ℃,老化240 h;(3)TST-1:-20~60 ℃,30 min,100 Cycle;(4)I/S:7×5 Chess,168 h。分別選取5片模組成品,經(jīng)過上述條件老化后,點(diǎn)燈測(cè)試,屏幕均能正常點(diǎn)亮,無(wú)功能性和外觀性不良,殘像水平滿足產(chǎn)品要求,判定新型改善光刻膠材料制成的屏幕信賴性良好,通過產(chǎn)品信賴性測(cè)試,可進(jìn)行批量生產(chǎn)。
進(jìn)一步將彩膜組裝成模組,進(jìn)行成品光學(xué)評(píng)價(jià),結(jié)果如表5所示,成品色度、亮度、均一性和對(duì)比度與原材料產(chǎn)品結(jié)果接近,全部滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格要求。
表5 新光刻膠材料模組成品光學(xué)測(cè)試結(jié)果Tab.5 Optical evaluating results of module product made of new photoresist material
續(xù) 表
新材料R2、G2、B2型光刻膠各項(xiàng)評(píng)價(jià)通過后,替代原有材料R1、G1、B1型光刻膠導(dǎo)入量產(chǎn),RGB產(chǎn)線由于預(yù)烘烤升華物污染基板導(dǎo)致的曝光失敗率水平如圖10所示,新材料從22周開始導(dǎo)入,各線曝光失敗率逐步降低,隨著導(dǎo)入產(chǎn)品越來越多,RGB三條產(chǎn)線累加平均每周曝光失敗率穩(wěn)定在1 600×10-6左右,較改善前降低54%,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備潔凈度也有較大提升,改善有效。
圖10 RGB產(chǎn)線由于預(yù)烘烤升華物導(dǎo)致的曝光失敗率Fig.10 Exposure failure ratio caused by prebake fume
根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將3.4章節(jié)中所述的實(shí)驗(yàn)作為新材料引進(jìn)的考核評(píng)價(jià)項(xiàng)目,并將在該條件下實(shí)驗(yàn)80組升華物稱重結(jié)果累加,不超過1 mg作為光刻膠材料預(yù)烘烤升華物可接受水平基準(zhǔn),如果超過該水平,則新材料評(píng)價(jià)不通過。
本文針對(duì)8.5世代線彩膜工廠困擾設(shè)備潔凈度和產(chǎn)品品質(zhì)的預(yù)烘烤升華物問題,依托紅、綠、藍(lán)三條生產(chǎn)線,分析升華物成分主要為光刻膠中的單體和光引發(fā)劑,依據(jù)該結(jié)果依次進(jìn)行單體、光引發(fā)劑和光刻膠改善,結(jié)果如下:
(1)單體改善:在相同烘烤溫度下,改善單體相對(duì)于原單體熱升華率約降低66%~83%;
(2)光引發(fā)劑改善:在相同烘烤溫度下,改善光引發(fā)劑相對(duì)于原光引發(fā)劑熱升華率約降低64%~87%;
(3)光刻膠改善:紅、綠、藍(lán)3種改善型光刻膠熱升華物較改善前分別降低91.8%、98.5%和93.1%,改善有效。
改善型光刻膠工藝能力滿足量產(chǎn),制成的產(chǎn)品光學(xué)、信賴性均滿足要求,導(dǎo)入量產(chǎn)后,由于預(yù)烘烤升華物導(dǎo)致的玻璃基板曝光失敗率由3 500×10-6降低為1 600×10-6。
本文研究的意義不僅在于改善了彩膜產(chǎn)線預(yù)烘烤工藝升華物問題,更在于在選擇光刻膠時(shí),提出了一項(xiàng)新的指標(biāo),并制定了評(píng)價(jià)方法和選擇基準(zhǔn),對(duì)于產(chǎn)線長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。