ICP設備光刻膠灰化工藝中膜層殘留的改善

查甫德， 徐純潔， 李根范， 張 木， 崔立加， 馮耀耀，朱梅花， 楊增乾， 劉增利， 陳正偉， 鄭載潤

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥230011)

1 引 言

在TFT-LCD顯示領域，4-Mask半色調工藝利用光柵的部分透光性，將光刻膠不完全曝光，將形成源/漏數據線的金屬層源漏電極層(SD)掩膜和形成TFT開關的有源層掩膜合并為一道SDT 掩膜，在一次金屬層刻蝕(1st Wet Etch)和有源層刻蝕(Act Etch)后通過光刻膠灰化工藝刻蝕溝道內的光刻膠，再通過二次金屬刻蝕(2nd Wet Etch)和n+刻蝕形成TFT開關。4-Mask半色調工藝在保證品質的同時減少了工藝流程，不僅提高了生產效率，而且降低了生產成本[1-2]，在TFT制程中得到了廣泛應用。光刻膠灰化工藝主要通過干法刻蝕設備進行，作為4-Mask的核心工藝之一，與半色調一起決定TFT溝道的均一性，進而影響TFT特性和產品的品質[3-5].隨著TFT-LCD顯示技術的不斷發展，產品的分辨率不斷提高，對TFT溝道均一性的要求也越來越高[6].本文主要研究采用感應耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma,ICP)[7-8]干法刻蝕設備提升光刻膠灰化工藝以改善TFT特性。

干法刻蝕是利用輝光放電的方式產生等離子體，對材料進行刻蝕，分為物理刻蝕和化學刻蝕。物理刻蝕是通過電場加速離子對基板表面膜層的撞擊,將膜層表面的原子濺射出來，以離子能量的損失為代價達到刻蝕目的，反應集中在電場方向上進行，具有各向異性；化學刻蝕是反應等離子體在放電過程中產生許多離子和化學活性中性物質即自由基，與Si、SiO2發生化學反應，這種反應由于自由基不帶電荷只進行自由運動，所以具有各向同性[7]。干法刻蝕設備根據刻蝕模式不同可分為：等離子體刻蝕(Plasma Etch，PE)、反應離子刻蝕(Reactive Ion Etch，RIE)、增強型等離子體耦合刻蝕(Enhanced Capacitive Coupled Plasma，ECCP)和ICP。不同模式的等離子體刻蝕設備表現出不同的物理作用和化學作用[9-10]。ICP設備采用線圈作為上部電極，連接射頻電源，利用其誘導電場使電子朝水平方向振動，能夠產生高密度的等離子體，使干法刻蝕的物理刻蝕作用表現得更為突出。下部電極連接偏壓射頻，可以獨立控制等離子體的強度，吸引離子沖撞基板。ICP設備與其他模式的刻蝕設備相比具有刻蝕率高、大面積均一性好、穩定性好等特點[11-12]。京東方8.5代線為改善TFT特性，提升產品品質，采用性能較優的ICP設備進行光刻膠灰化工藝，TFT溝道均一性有顯著改善，但與此同時產生了SD線邊緣a-Si膜層殘留異常，發生率約為2%，影響產品良率。本文對產生這一異常現象的原因進行了分析，并提出相應的解決方法。

2 實 驗

2.1 現象和成份分析

采用ICP設備進行光刻膠灰化工藝改善溝道均一性時發現，源漏電極層線邊緣、TFT溝道和像素的其他區域均出現線狀的膜層不良。為確認膜層異常發生工序，分別在2nd濕刻后、n+刻蝕后和光刻膠剝離后進行PI測試和SEM測試，如圖1所示，2nd濕刻后PI和SEM圖片未見異常，n+刻蝕后和光刻膠剝離后PI和SEM圖片均可見線狀膜層不良，疑似膜層殘留。

圖1 二次金屬刻蝕、n+刻蝕和PR剝離后PI和SEM圖片。

圖2為光刻膠剝離后聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)分析，圓點處為源漏電極層線邊緣膜層殘留測試位置。表1為FIB測試結果。從圖2和表1可以看出，殘留膜層主要成份為Si，推測為a-Si殘留，個別樣品有少量Al，推測源漏電極層線邊緣金屬特性發生變化，導致其在二次金屬刻蝕時不能充分反應去除掉。

圖2 SD線邊緣FIB分析

表1 SD線邊緣FIB分析

為確定膜層異常發生工序，在一次金屬刻蝕后、有源層和光刻膠灰化刻蝕后、二次金屬刻蝕后、n+刻蝕和光刻膠剝離后分別切片進行SEM分析，如圖3所示。可以看出在光刻膠剝離后b位置出現膜層殘留，對應有源層和光刻膠灰化刻蝕后的源漏電極層臺階位置，a、c位置正常，推測有源層和光刻膠灰化工藝導致的源漏電極層線邊緣膜層殘留可能性較大。有源層刻蝕時，源漏電極層臺階上方有光刻膠遮擋，等離子體對源漏電極層臺階影響較小。光刻膠灰化工藝時，光刻膠被刻蝕，源漏電極層臺階裸露，等離子體對源漏電極層臺階影響較大。推測源漏電極層線邊緣金屬在PR膠灰化時特性發生了變化，導致其在二次金屬刻蝕時不能被充分反應去除掉，殘留的線狀膜層導致n+刻蝕時源漏電極層線邊緣的a-Si刻蝕被阻擋，產生a-Si膜層殘留，殘留的線狀膜層掉落在TFT溝道內和其他像素區導致對應區域的膜層刻蝕被阻擋，產生線狀膜層殘留。

圖3 相關工序SEM分析

2.2 實驗

實驗中采用的是G8.5 ICP設備，由東京電子(TEL)制造，玻璃基板尺寸為2 200 mm×2 500 mm，基板厚度為0.5 mm。為改善ICP設備進行光刻膠灰化工藝產生的膜層殘留，設計了6組實驗，分別從壓力、射頻功率和氣體比例3個方面對光刻膠灰化工藝進行測試，和目前正在使用主要條件進行對比，測試條件如表2所示。測試方法：完成一次金屬刻蝕和有源層刻蝕的基板，分別按測試條件完成光刻膠灰化工藝，然后依次進行二次金屬刻蝕、n+刻蝕和光刻膠剝離，完成后測試PI觀察源漏電極層線邊緣、溝道和像素區有無膜層殘留發生。圖4為源漏電極層線邊緣膜層殘留等級劃分，圖4(a)無殘留，圖4(b)～(f)膜層殘留等級依次加重：Lv1～Lv5 ，膜層殘留位置已使用白色線條標出。

表2 測試條件

圖4 膜層殘留等級

從表2 PI的測試結果可以看出：主要條件與1、3、4條件中源漏電極層線邊緣膜層殘留嚴重，條件2、5、6中源漏電極層線邊緣膜層殘留輕微。圖5為實驗結果分析：(Ⅰ)對比主要條件與1、2條件，隨著壓力升高，膜層殘留等級減輕較為明顯；(Ⅱ)對比主要條件與3、4條件，隨著O2比例降低，膜層殘留等級輕微減輕；(Ⅲ)對比4、5、6條件，隨著低壓射頻功率降低，膜層殘留等級減輕較為明顯。從以上測試結果可以得出：壓力、偏壓射頻功率對膜層殘留影響較大，為主要影響因素；O2比例對膜層殘留影響相對較小，為次要影響因素。壓力升高、偏壓射頻功率降低和O2比例降低對膜層殘留均有改善效果。

圖5 PI測試結果

為解決ICP設備進行光刻膠灰化工藝產生的膜層殘留問題，采用壓力升高、偏壓射頻功率降低和O2比例降低組合條件進行測試，設計如表3所示7、8、9三組優化條件進行測試，結果均無膜層殘留發生，結合表2的測試結果可以得出改善膜層殘留的條件：壓力≥2.66 Pa，源極功率∶偏壓功率≥3∶1，qv(SF6)∶qv(O2)≥1∶60。

表3 測試條件

3 結果與討論

采用ICP設備進行光刻膠灰化工藝，主要條件有源漏電極層線邊緣膜層殘留發生，通過實驗測試得出與壓力、偏壓射頻功率和O2比例有關。一方面主要條件壓力低，等離子體濃度低，碰撞幾率減小，運動自由程增加，通過電場加速獲得的能量高，物理刻蝕較強，同時偏壓射頻功率高，加速電壓增大，反應產生的離子和自由基能量增加，物理刻蝕能力進一步增強，對源漏電極層線邊緣金屬產生較大的損傷；另一方面主要條件O2比例高，反應產生的氧離子濃度相對較高，氧化能力強，易與源漏電極層線邊緣的金屬反應產生氧化。受到等離子體損傷和氧離子氧化的共同影響，源漏電極層線邊緣金屬特性發生了變化，在二次金屬刻蝕時不能被完全反應去掉，產生線狀的膜層殘留。n+刻蝕時，殘留的膜層阻擋源漏電極層線邊緣的a-Si被刻蝕，產生a-Si膜層殘留，殘留的線狀膜層掉落在TFT溝道和像素區，導致溝道內的a-Si和像素區SiNx刻蝕被阻擋，產生線狀膜層殘留。圖6為推測的膜層殘留產生機理。提升光刻膠灰化工藝壓力、降低偏壓射頻功率比例和O2比例，光刻膠灰化工藝的物理刻蝕能力和氧化能力相應減弱，對SD線邊緣金屬的損傷減小，氧化減弱，膜層殘留有明顯改善；采用ICP設備進行光刻膠灰化工藝時，滿足條件：壓力≥2.66 Pa，源極功率:偏壓功率≥3∶1，qv(SF6)∶qv(O2)≥1∶60，無膜層殘留發生。

圖6 SD線邊緣膜層殘留形成機理

4 結 論

為改善ICP設備進行4-Mask光刻膠灰化工藝產生的a-Si膜層殘留不良，通過實驗分析得出灰化工藝的壓力、偏壓射頻功率和O2比例對a-Si膜層殘留均有影響，提升壓力、降低偏壓射頻功率，可以降低灰化工藝的物理刻蝕能力，減少等離子體對源漏電極層線邊緣金屬的損傷，同時減少O2的比例可以降低氧離子濃度，減少等離子體對源漏電極層金屬的氧化，a-Si膜層殘留不良逐步減輕，改善效果明顯。在此基礎上對光刻膠灰化工藝進一步優化得出，滿足條件：壓力≥2.66 Pa，源極功率:偏壓射頻功率≥3∶1，qv(SF6)∶qv(O2)≥1∶60，無膜層殘留發生，可以采用ICP設備進行光刻膠灰化工藝改善TFT特性，提升產品的品質。