TFT-LCD陣列基板柵極半透掩膜版設計研究

喬亞崢 沈鷺 江鵬 劉信 丁俊

（武漢京東方光電科技有限公司 湖北省武漢市 430040）

1 ADS顯示模式

液晶顯示技術作為目前市占率最高的顯示技術，具有及其廣闊的應用場景，其中先進的超維場轉換技術(Advanced Dimension of Switching, ADS)顯示模式具有寬視角、快響應和高對比度等優勢，廣泛應用于TFTLCD 行業[1-3]。在ADS 顯示模式中，公共電極和像素電極均存在于Array 基板上，交疊面積構成像素的存儲電容[4]。

目前，ADS 顯示模式陣列基板制程按照掩膜版次數可劃分為三種：6 道掩膜版、5 道掩膜版和4 道掩膜版工藝（如圖1 所示）。從圖中可以看到，公共電極(ITO)和柵極(Gate)的制程相鄰，為第一/第二道掩膜版。采用柵極半透掩膜版，將兩者合二為一，既減少了一張掩膜版，又減少了一次光刻制程，大幅度的縮短了生產周期，提高產能，降低成本[5]。

圖1：陣列基板制程工藝

柵極半透掩膜版具有三種透光率：0%、100%及半透區。半透區透光率的設計，與掩膜版曝光量的選擇、產能及工藝穩定性息息相關。本文對40%和45%透光率的柵極半透掩膜版進行系統性研究，詳細分析了透光率對生產節拍、曝光特性、工藝穩定性及量產可行性的影響。

2 實驗方法

2.1 樣品制備

本文實驗基板是康寧公司Eagle-XG 玻璃，尺寸為3370mm×2940mm，厚度0.5mm。以55UHD 掩膜版為實驗載體，使用Nikon FX-103S 多鏡頭投影掃描式曝光機，在光刻膠(PR 膠)涂覆顯影等(Track)條件相同下（如表1 所示），分別制取透光率40%、45%下的陣列基板樣品。

表1：Track 主要工藝參數

2.2 測試方法

柵極半透掩膜版工藝完成后，采用SNU CDHT設備，測量各基板樣品像素有效區域(Active Area，AA 區)半透光位置光刻膠剩余厚度(Half Tone THK，HT THK)、光刻后特征線寬(Development Inspection Critical Dimension，DICD)，及外圍電路扇形區(Fanout)DICD，并在光學顯微鏡下判定大板是否存在曝光不良。主要關注光刻后柵極距公共電極縫隙距離(Gate-ITO Space DICD)、光刻后柵極線寬(Gate Line DICD)、光刻后柵極間縫隙距離(Gate-Gate Space DICD)、光刻后公共電極間縫隙距離(ITO-ITO Space DICD)，光刻后Fanout 區關鍵位置尺寸線寬(Fanout Line DICD、Fanout Space DICD、Fanout Pitch=Line+Space)。

為驗證不同透光率的曝光工藝容忍度(Photo Margin)，不同透光率掩膜版各位置設計有一系列特征線寬(Mask CD)條件，如表2、表3 所示。

表2：AA 區Mask CD Split

表3：Fanout 區Mask CD Split

3 光刻產能影響

表4 為不同曝光能量(Dose)下透光率40%、45%掩膜版對應的HT THK。測試現地以HT 5300? 為中心管控值，當透光率40%提升至45%時，Dose 由41.5mj/cm2降低至32.0mj/cm2。

表4：不同曝光量下HT THK

根據Nikon FX-103S 曝光機特性及公式（1）、（2）、（3）可計算得出不同曝光區域(Shot)下的每區域曝光時間(Shot Time)，如表5 所示。

表5：不同曝光Shot 下Shot Time

柵極半透掩膜版半透區透光率40%提高至45%，曝光Shot Time 降低2～3s，搭配顯影工藝優化，可實現光刻線整體生產節拍時間(Tact Time)降低2～3s，滿產情況下測試現地產能可額外提升5%左右。

4 曝光特性分析

4.1 HT HTK/DICD vs Dose分析

圖2、圖3 分別為半透區透光率40%、45%下HT THK/DICD vs Dose 關系圖。由圖2、圖3 可知，40%透過率下，Dose 每增加1mj/cm2，HT THK 減小443?，全光刻膠(Full Tone)區Gate Line DICD單邊減小0.06μm，半光刻膠(Half Tone) 區ITO-ITO Space DICD 單邊增加0.09μm；45%透光率下，Dose 每增加1mj/cm2，HT THK 減544?，Gate Line DICD 單邊減小0.1μm 左右，ITO-ITO Space DICD 單邊增加0.16μm，同時其工藝數據3σ 增大，生產過程穩定性較40%稍差。這是因為透光率提升，HT THK/DICD 對Dose 敏感性增強，生產時更易發生波動。

圖2：透光率40% HT THK/DICD vs Dose

圖3：透光率45% HT THK/DICD vs Dose

4.2 光刻偏差量(Photo Bias，即DICD–Mask CD)分析

柵極半透掩膜版工藝以HT THK 5300? 為管控參數，0%透光區處于弱曝光狀態，Mask CD 與DICD 不能滿足1:1，收集Photo Bias，在新產品開發設計階段進行Mask CD 預補正至關重要。

表6 為透光率40%、45%對應的Photo Bias。由表6 可知，由于45%透光率的Dose 降低，弱曝光趨勢增強，其| Photo Bias |較40%增大1.3μm 左右，Mask CD預補正值增加。

表6：透光率40%、45%對應Photo Bias

4.3 光刻膠形貌分析

圖4 為透光率40%、45%下光刻膠形貌。45%透光率弱曝光趨勢增強，光刻膠坡度角降低14°，邊緣較薄，在柵極濕刻工序中不穩定，易引起CD 波動。

圖4：光刻膠形貌

4.4 光刻余量(Photo Margin)分析

在量產管控水平(HT THK 5300±3000?)下，以是否產生短路(Short)為Photo Margin 界限，根據各Mask CD Split 結果，判定統計透光率40%、45%對于不同圖案：Gate-ITO Space、Gate-Gate Space、ITO-ITO Space及Fanout Space 的最小Mask CD，如表7 所示。

表7：透光率40%、45%對應Photo Margin

由于45%透光率的Dose 降低，弱曝光趨勢增強，Space 更易發生Short，其Photo Margin 較40%變小，生產時對Dose 波動、HT THK 管控要求更加嚴格。

5 結論

本文采用40%和45%透光率的柵極半透掩膜版，詳細分析了各透光率下的曝光特性、工藝波動性、生產節拍、量產可行性等，結果表明：

（1）45%透光率Dose 降低9.5mj/cm2，實現光刻線整體Tact Time 降低2～3s，測試現地產能可提升5%左右；

（2）45%透光率Mask CD 預補正值較40%增大1.3μm 左右，其生產穩定性稍差，更易發生CD 波動；

（3）45%透光率Photo Margin 變小，對Dose 波動、HT THK 管控要求更加嚴格。

高端產品，工藝穩定性要求高，需求品質優，可以選擇40%透光率；中低端產品，工藝波動性容忍度大，考慮生產產能，可以選擇45%透光率。