第2章工艺流程

第二章TFT显示器的制造工艺流程和工艺环境要求清洗—成膜—光刻—刻蚀—剥离阵列段是从投入白玻璃基板，到基板上电气电路制作完成。具体见下图：CF工序是从投入白玻璃基板，到黑矩阵、三基色及ITO制作完成。具体见下成膜[膜][Glass基板][PR]塗布曝光[Mask]現像刻蚀剥離[TFT基板]重复[Glass基板]Cell工序是从将TFT基板和CF基板作定向处理后对贴成盒，到切割成单粒后贴上片光片。具体见下图：Module工序是从LCD屏开始到驱动电路制作完成，形成一个显示模块。具体示意图如下：第一节阵列段流程一、主要工艺流程和工艺制程（一）工艺流程上海天马采用背沟道刻蚀型（BCE）TFT显示象素的结构。具体结构见下图：[信号基板］[驱动IC][ＬＣＤPanel][BLU］[LCDModule][连接电路][保护板]検査装配绑定对背沟道刻蚀型TFT结构的阵列面板，根据需要制作的膜层的先后顺序和各层膜间的相互关系，其主要工艺流程可以分为5个步骤（5次光照）：第一步栅极（Gate）及扫描线形成具体包括：Gate层金属溅射成膜，Gate光刻，Gate湿刻等工艺制程（各工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出）。经过这些工艺，最终在玻璃基板上形成扫描线和栅电极，即Gate电极。工艺完成后得到的图形见下图：CC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitorCC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitora-SiTFT第二步栅极绝缘层及非晶硅小岛（Island）形成具体包括：PECVD三层连续成膜，小岛光刻，小岛干刻等工艺制程（各工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出）。经过这些工艺，最终在玻璃基板上形成TFT用非晶硅小岛。工艺完成后得到的图形见下图：CC'Cross-sectionCC’CC'SiNa-Si/n+第三步源、漏电极（S/D）、数据电极和沟道（Channel）形成具体包括：S/D金属层溅射成膜，S/D光刻，S/D湿刻，沟道干刻等工艺制程（各工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出）。经过这些工艺，最终在玻璃基板上形成TFT的源、漏电极、沟道及数据线。到此，TFT已制作完成。工艺完成后得到的图形见下图：第四步保护绝缘层（Passivition）及过孔（Via）形成具体包括：PECVD成膜，光刻，过孔干刻等工艺制程（各工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出）。经过这些工艺，最终在玻璃基板上形成TFT沟道保护绝缘层及导通过孔。工艺完成后得到的图形见下图：CC'第五步透明象素电极ITO的形成具体包括：ITO透明电极层的溅射成膜，ITO光刻，ITO湿刻等工艺制程（各工艺制程的具体介绍在随后的章节中给出）。经过这些工艺，最终在玻璃基板上形成透明象素电极。至此，整个阵列工序制作完成。工艺完成后得到的图形见下图：CC'至此，整个阵列工序制作完成。简单来说5次光照的阵列工序就是：5次成膜＋5次刻蚀。（二）工艺制程在上面的工艺流程中，我们提到，阵列的工艺流程是成膜、光刻、刻蚀等工艺制程的反复使用。以下就这些工艺制程作具体的介绍。1、成膜顾名思义，成膜就是通过物理或化学的手段在玻璃基板的表面形成一层均匀的覆盖层。在TFT阵列制作过程中，我们会用到磁控溅射（Sputter，或称物理气相沉积PVD）和等离子体增强型化学气相沉积（PECVD）。A）磁控溅射（Sputter）溅射是在真空条件下，用He气作为工作气体。自由电子在直流DC电场的作用下加速获得能量，高能电子碰撞He原子，产生等离子体。He离子在DC电场的作用下，加速获得能量，轰击在靶材上，将靶材金属或化合物原子溅射出来，沉积在附近的玻璃基板上，最后形成膜。磁场的作用是控制等离子体的分布，使成膜均匀。磁控溅射的原理示意图如下：CC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitorCC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitora-SiTFT生产用磁控溅射设备如下图：具体溅射原理的介绍和详细的设备介绍参见后面相关的章节。B）PECVDPECVD是通过化学反应在玻璃基板表面形成透明介质膜。等离子体的作用是使反应气体在低温下电离，使成膜反应在低温下得以发生。其原理示意图如下：SubstrateholderTargetholderAr+plasmaGlassTargetRFpower13.56MHz~1mTorrSubstrateholderTargetholderAr+plasmaGlassTargetRFpower13.56MHz~1mTorrUsedforITO(IndiumTinOxidetransparentconductor)andformetals(Al,Mo,Ti,Cr,etc.)PLASMA~1TorrRFpower~100mW/cm2)T=300ºCsubstratePLASMA~1TorrRFpower~100mW/cm2)T=300ºCsubstrate成各类膜所使用得化学气体见下表：FeedgasMaterialFunctionSiH4,H2a-SiSemiconductorSiH4,N2,NH3Si3N4Gateinsulator,passivationSiH4,N20SiO2Gateinsulator,passivationSiH4,PH3,H2n+a-SiContactlayeratsourceanddrain典型的PECVD设备如下图：ProcessChamberProcessChamberHeatingChamberProcessChamberLoad/unloadLoad/unloadCassettestationTransferrobotTransferrobotProcessChamberProcessChamberHeatingChamberProcessChamberLoad/unloadLoad/unloadCassettestationTransferrobotTransferrobot具体PECVD原理的介绍和详细的设备介绍参见后面相关的章节。2、光刻：涂胶、图形曝光、显影光刻的作用是将掩模版（Mask）上的图形转移到玻璃表面上，形成PRMask。具体通过涂胶、图形曝光、显影来实现。见以下示意图：ResistglassPatternedlayerLayertobepatternedPhotoresistcoatingExposurethroughmaskPhotoresistdevelopingPhotoresiststrippingEtchingoflayerResistglassPatternedlayerLayertobepatternedPhotoresistcoatingExposurethroughmaskPhotoresistdevelopingPhotoresiststrippingEtchingoflayerA)涂胶在玻璃表面涂布一层光刻胶的过程叫涂胶。对于小的玻璃基板，一般使用旋转涂布的方式。但对大的基板，一般使用狭缝涂布的方式。见以下示意图：B)图形曝光ResistdispenserRotatingglassExtrusionheadGlassPhotoresistResistdispenserRotatingglassExtrusionheadGlassPhotoresistSpincoatingSlit(extrusion)coating涂胶后的玻璃基板经干燥、前烘后可以作图形曝光。对于小面积的基板，可以采用接近式一次完成曝光。但对大面积的基板，只能采用多次投影曝光的方式。下图是Canon曝光机的工作原理图：由于大面积的均匀光源较难制作，Canon采用线状弧形光源。通过对Mask和玻璃基板的同步扫描，将Mask上的图形转移到玻璃基板上。C)显影经图形曝光后，Mask上的图形转移到玻璃基板上，被光阻以潜影的方式记录下来。要得到真正的图形，还需要用显影液将潜影显露出来，这个过程叫显影。如果使用的光阻为正性光阻，被UV光照射到的光阻会在显影过程中被溶掉，剩下没有被照射的部分。显影设备往往会被连接成线，前面为显影，后面为漂洗、干燥。示意图如下：3、刻蚀：湿刻、干刻刻蚀分为湿刻和干刻两种。湿刻是将玻璃基板浸泡于液态的化学药液中，通过化学反应将没有被PR覆盖的膜刻蚀掉。湿刻有设备便宜、生产成本低的优点，但由于刻蚀是各向同性的，侧蚀较严重。干刻是利用等离子体作为刻蚀气体，等离子体与暴露在外的膜层进行反应而将其刻蚀掉。等离子体刻蚀有各向异性的特点，容易控制刻蚀后形成的截面形态；但但高能等离子体对膜的轰击会造成伤害。湿刻与干刻的原理见下图：湿刻的设备一般与后面清洗、干燥的设备连成线，见下图：干刻设备与PVD及PECVD设备一样，一般采用多腔体枚叶式布局。由于设备内是真空环境，玻璃基板进出设备需要1－2个减压腔。其余腔体为工艺处理腔。见以下示意图：GlasssubstratePhotoresistGlasssubstratePhotoresistIsotropicwetetchingAnisotropicdryetchingEtchedlayerEtchedlayerGlasssubstratePhotoresistGlasssubstratePhotoresistIsotropicwetetchingAnisotropicdryetchingEtchedlayerEtchedlayerWetetchingvs.dryetching(RIE)GlasssubstratePhotoresistO2containingetchinggasEtchedlayerGlasssubstratePhotoresistEtchedlayerGlasssubstrateEtchedlayerGlasssubstratePhotoresistO2containingetchinggasEtchedlayerGlasssubstratePhotoresistEtchedlayerGlasssubstratePhotoresistEtchedlayer一般金属膜采用湿刻，介质膜采用干刻。4、脱膜刻蚀完成后，需要将作掩模的光阻去除，去除光阻的过程叫脱膜。一般脱膜设备会与其随后的清洗、干燥设备连线。见下图：二、辅助工艺制程阵列工序的工艺流程中，除了以上介绍的主要工艺制程外，为了监控生产线的状态，提高产品的合格率，方便对产品的管理和增加了一些辅助的制程，如：清洗、打标及边缘曝光、AOI、Mic/Mac观测、成膜性能检测、电测等。以下就这些辅助工艺制程逐一作个简单介绍。1、清洗清洗，顾名思义就是将玻璃基板清洗干净。这是整个LCD工艺流程中使用最频繁的工艺制程。在每次成膜前及湿制程后都有清洗。清洗有湿洗和干洗，有物理清洗和化学清洗。其作用和用途详见下表：具体在工艺流程中，玻璃基板流入生产线前有预清洗；每次成膜前有成膜前清洗；每次光阻涂布前有清洗；每次湿刻后及脱膜后也有清洗。一般清洗设备的结构如下：由于清洗设备的结构与湿刻及脱膜设备的结构非常相识，所以这三个制程往往统称为湿制程。2、打标及边缘曝光为了方便生产线的管理，我们需要对在生产线流通的每一张玻璃基板和Panel打上ID，这是通过打标制程来完成的。通常打标制程会放在栅极光刻制程中，即栅极图形曝光后，显影前。打标一般采用激光头写入。随着玻璃基板的增大，曝光机的制作和大面积均匀光源的获得变得较难。为了有效利用曝光设备，在图形曝光时只对玻璃基板中间有图形的有效区域进行曝光。之后采用一种不需要Mask的边缘曝光设备对边缘区域曝光，然后去做显影。这一过程叫边缘曝光。3、自