光刻制程參數對光刻膠DICD和錐角的影響

劉 丹，陳啟超，黃 晟，秦 剛，高朋朋，陳 昊，蔡曉銳，王百強，馮家海，方 亮

(1.重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)(2.重慶大學 物理學院，重慶 400044)

1 引 言

經過近10年的發展，薄膜晶體管-液晶顯示(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD)已成為目前平板顯示的主流技術，廣泛應用于計算機、家電、醫療、交通等領域[1]。隨著TFT-LCD分辨率(單位面積的像素數量)的提高，TFT器件的線寬與線間距傾于越來越小，即TFT器件的最終關鍵尺寸(Final Inspection Critical Dimension，FICD)越來越小。在刻蝕工藝條件不變的情況下，經光刻工藝制程后光刻膠的關鍵尺寸(Develop Inspection Critical Dimension，DICD)對FICD產生決定性影響[2]。

光刻制程是一個圖形轉移的過程：曝光光源經過掩膜板(Mask)、透鏡，將掩膜板圖形成像于玻璃基板上，經過顯影后，玻璃基板上的光刻膠形成與掩膜板一樣的電路圖案[3-4]。以正性光刻膠為例，形成圖案的光刻膠寬度被稱作DICD；同時，形成圖案的光刻膠在截面方向形成錐角或坡度角，此錐角在TFT行業被稱作Taper[5]。光刻膠的DICD和錐角是光刻制程的重要工藝指標。光刻制程復雜，包括基板清洗、光刻膠涂覆與干燥、烘烤、曝光、顯影等階段。制程中各階段對DICD及其均一性、錐角會產生影響[9]。

本文結合京東方15.6HADS產品的柵極光刻制程，采用控制變量原則，以單因素試驗為基礎探究了光刻膠涂覆厚度、曝光工藝參數、顯影工藝參數對DICD和錐角的影響，并采用Crystal Ball軟件以蒙特卡羅算法評估量產條件下DICD與錐角的分布區間以及概率。最終明確了光刻制程對DICD和錐角的影響因素和相關關系，為調控DICD和錐角探索出了可行的技術路線。

2 實 驗

2.1 實驗流程

實驗在京東方8.5代線的15.6HADS產品柵極(Gate電極)光刻制程進行，其流程如圖1所示：成膜后的玻璃基板經過純H2O清洗，然后進行光刻膠涂覆，通過涂覆過程參數的調節可以控制光刻膠的厚度；光刻膠主要由樹脂、溶劑、感光劑和添加劑組成，樹脂是光刻膠主體，溶劑確保光刻膠完整涂覆于基板上，感光劑在曝光階段發生光化學反應；光刻膠涂覆完成后，基板進行減壓真空干燥(Vacuum Dry，VCD)，在此階段通過抽氣減壓獲得真空狀態，使得光刻膠中的溶劑沸點下降，進而導致溶劑在此階段大量揮發；VCD完成后，基板進入烘烤階段，此階段通過加熱的空氣進行烘烤，使溶劑進一步揮發并增加光刻膠與基板的粘附力；完成烘烤后，基板進入曝光階段，此階段中，被光照射的光刻膠會發生光化學反應，此反應使得該處的光刻膠顯酸性，其顯影速度增加；曝光劑量、Z值將影響DICD和錐角；完成曝光后，基板進入顯影階段，顯影液呈堿性，故被光照射的光刻膠被顯影液侵蝕而未被光照的光刻膠則被保留。經歷光刻制程后，光刻膠在截面方向形成錐角，如圖2所示。

圖1 光刻工藝制程Fig.1 Process flow of lithography

圖2 光刻制程光刻膠錐角示意圖Fig.2 Schematic of taper for PR in lithography process

2.2 實驗樣品

采用控制變量法，在光刻制程中采用單因素試驗，每項試驗中僅變更一項工藝參數，而其余工藝參數則與量產條件持平。如表1中的試驗區塊一，該項試驗中，僅光刻膠厚度進行變化，其余條件均與15.6HADS產品量產條件一致，完成此項試驗后，玻璃基板在TFT產線的HTCD設備進行DICD測試。HTCD設備采用非接觸的成像加像素分析的技術手段，以非接觸的方式測量DICD，每張玻璃基板測試54個點位，獲得54個DICD數據，通過54個數據的平均值和3倍標準差反應DICD情況。DICD測試完成后，采用掃描電子顯微鏡SEM進行光刻膠微觀形貌測試，對截面照片進行分析，測量錐角。試驗區塊二、區塊三的情況與區塊一類似，詳細的試驗條件如表1所示。

表1 光刻制程實驗條件Tab.1 Experiment split of lithography process

3 實驗結果及分析

3.1 光刻膠厚度對DICD和錐角的影響

在光刻工藝條件不變的情況下，光刻膠厚度對DICD的影響如圖3所示。光刻膠厚度增加，DICD呈線性增加趨勢，且光刻膠厚度每增加1 μm，DICD增加約2.6 μm；且光刻膠厚度在2.0 μm時，DICD均一性最好，其3倍標準差約0.222。不同光刻膠厚度下DICD的分布如圖4所示，所有厚度的DICD均服從正態分布，光刻膠厚度為2.0 μm時，DICD在6.4 μm附近分布最集中。

圖3 不同光刻膠厚度下的DICD趨勢Fig.3 DICD trend in different photo resist thickness

在曝光階段，光照射到光刻膠上表面，光刻膠上表面對光進行吸收，光刻膠發生變性。沿著光刻膠厚度方向，光透過光刻膠上表面向下傳輸，光強逐漸衰減。最終形成光刻膠上表面受輻射最強，下部光刻膠所受輻射最弱，中部光刻膠所受輻射逐漸遞減的態勢。其詳細情況如圖5所示：光刻膠淺色部分代表吸收輻射強度大，深色部分表示吸收輻射強度較小，沿著光刻膠厚度方向，吸收的輻射強度逐漸減弱。吸收輻射的強度與光化學程度呈正相關關系，吸收輻射強度大，光化學反應越強烈，顯影速度越快，正性光刻膠的DICD也就越小。光刻膠膜厚增加，其底部的顯影速度慢，最終導致顯影后的DICD增加。

圖4 不同光刻膠厚度下的DICD分布Fig.4 DICD distribution of different photo resist thickness

圖5 光照強度沿厚度方向衰減示意Fig.5 Attenuation of light intensity along photo-resist thickness direction

光刻膠厚度與錐角的關系如圖6所示，隨著光刻膠厚度的增加，光刻膠底部一直保持錐角形貌，光刻膠頂部逐漸由銳角向直角過渡并最終形成鈍角。光刻膠頂部形成直角或者鈍角，這會導致光刻膠的重心升高，有光刻膠塌陷的風險[6]。

曝光階段，在沿光刻膠厚度方向存在輻射梯度，引發光化學反應強度的梯度，上部的光刻膠顯影速度快，而下部光刻膠顯影速度慢，最終形成了上部光刻膠錐角大而下部光刻膠錐角小的截面。同時，在VCD階段，光刻膠中的溶劑通過光刻膠上表面逐漸揮發，頂部光刻膠處的溶劑揮發最快，故頂部光刻膠最致密。在顯影階段，致密的光刻膠顯影速度慢，這也會導致頂部光刻膠的錐角偏大。當光刻膠厚度增加，沿光刻膠厚度方向接收輻射劑量和致密度差異增加，故光刻膠頂部最終形成了圖6中的直角或鈍角。

圖6 不同光刻膠厚度下的錐角形貌Fig.6 Taper appearance of different photo-resist thickness

綜合上述，光刻膠厚度增加，會導致DICD增加，頂部光刻膠的錐角會逐漸由銳減演變為鈍角。當光刻膠厚度增加，需增加曝光劑量，才能確保獲得生產所需的DICD和錐角。

3.2 曝光劑量對DICD和錐角的影響

在曝光階段，主要通過調節曝光劑量(Dose)和曝光時間控制效果。曝光劑量乘以曝光時間便是實際的曝光能量。從圖7中可以看出，曝光劑量增加，DICD呈線性下降，每增加1個曝光劑量，DICD下降約0.08 。曝光劑量與錐角的關系如圖8所示，曝光劑量在一定范圍內，錐角保持穩定；但曝光劑量增加，錐角會在某一個曝光劑量形成突變形式的增加。如圖所示，曝光劑量在37～38范圍，錐角突然增加3，曝光劑量37～38可作為錐角變化的閾值。

圖7 不同曝光劑量條件下的DICD趨勢Fig.7 DICD trend in different exposure dose

圖8 不同曝光劑量下的錐角趨勢Fig.8 Taper trend in different exposure dose

圖9 不同曝光劑量下光刻膠吸收光強示意圖Fig.9 Schematic diagram of absorption intensity of of photo-resist under different exposure dose

曝光劑量增加，光刻膠接收的輻射量增加，光化學反應越充分，顯影時顯影速率越快，故曝光劑量增加，DICD下降。如圖9所示，曝光劑量增加，雖然在厚度方向存在光照強度衰減，但底部的光刻膠接受的輻射強度會增加，光化底部學反應增強，底部顯影速度增加，故錐角增加。

綜上，對于正性光刻膠，增加曝光劑量，DICD減小，錐角呈上升趨勢。在實際生產中，可以結合產品設計的DICD和DICD關于曝光劑量的回歸方程，推算出合適的曝光劑量。

3.3 曝光Z值對DICD和錐角的影響

在曝光階段，高壓汞燈作為光源發光，光透過掩膜板上的空隙到達透鏡，再由透鏡投射到玻璃基板，玻璃基板與透鏡的保持合適的距離，曝光光路示意見圖10。

圖10 曝光光路圖Fig.10 Light path diagram in exposure

曝光機所能達到的最小尺寸被稱作分辨率，曝光機能分辨的尺寸越小，性能越優異。分辨率如公式(1)所示，K1是常數，NA是數值孔徑，λ代表光源所發光的波長，由此可見：增加數值孔徑、降低光的波長可以有效改善分辨率。在曝光階段，玻璃基板上方的透鏡(TFT行業稱之為UM)起到聚光、聚焦的作用，這使得玻璃基板必須與透鏡保持合適的距離才能正常曝光；否則光線聚焦異常，最終得到異常的圖形；在此，合適的距離范圍則被稱作焦深(DOF)。焦深如公式(2)所示，K2代表常數，NA是數值孔徑，λ代表光源所發光的波長。由焦深公式可以看出，增加NA、降低λ會導致焦深減小。實際的曝光工藝制程中，設備或環境均會產生震動，玻璃基板移動的位置亦會有誤差，承載玻璃基板的曝光機臺也會有微小的高低起伏，如果焦深過小，上述因素會導致基板上部分區域脫離焦深范圍，最終形成異常圖形。將公式(2)帶入公式(1)中，得到公式(3)。通過調整光源波長λ和數值孔徑NA來改善分辨率，但是這樣的技術手段同時導致焦深DOF變窄，故波長和數值孔徑參數的優化須在分辨率和焦深兩個方面權衡[7,10-11]。

(1)

(2)

(3)

在實際曝光階段，玻璃基板可以在豎直方向上細微移動，但移動位置必須在焦深范圍以內。TFT行業以高度常量Z值反應焦深。焦深的示意如圖11所示，光線經過透鏡后匯聚，并在Z=0處形成最佳焦平面，此處光的能量最大；最佳焦平面上方記作“+”方向，由最佳焦平面往正方向移動，光的強度逐漸減弱；在最佳焦平面下方，記作“-”方向，由最佳焦平面方向往負方向移動，光照強度也逐漸減弱[8]。

圖11 曝光焦深示意圖Fig.11 Depth of focus in exposure

圖12 不同Z值下的DICD趨勢Fig.12 DICD trend of different Z value

Z值在-30～30 μm范圍變化，DICD與Z值的關系如圖12所示，DICD差異不超過0.2 μm，可以忽略，故Z值對DICD的大小無影響；Z等于0時，DICD的3倍標準差(3 Sigma)最小，即最佳焦平面處DICD的均一性最好。Z值與錐角的關系如圖13所示，采用區間圖表示，即某Z值對應的最小錐角和最大錐角用線段連接而形成區間。從圖13中可以看到，最佳焦平面Z=0處，錐角均一性最好；Z值由0運動至-30 μm，錐角呈下降趨勢；Z值在0～30 μm范圍，錐角呈波動狀態。

圖13 不同Z值下的錐角趨勢Fig.13 Taper trend of different Z value

Z值在0～-30 μm范圍內，因物鏡的聚焦作用，光刻膠頂部的光照強度比底部強；同時，由于光刻膠的吸收作用，光照強度在厚度方向上逐漸衰減；上述兩個效應疊加，頂部光刻膠接受到的光照強度更強，光化學反應更劇烈；基板由最佳焦平面向負方向運動時，整體的光照強度減弱，但底部光刻膠接收的光照強度下降得更多，頂部和底部接收的光照強度差異擴大；故在顯影階段，頂部光刻膠的顯影速度更快，側向顯影速度也隨之增加，故錐角呈下降趨勢。Z值在0～30 μm范圍內，光刻膠頂部的光照強度比底部弱；同時，考慮光刻膠的吸收，沿著厚度向下，光照強度將逐漸減弱；在這樣的情況下，透鏡的聚光作用和光刻膠吸收光照強度的效應相互抵觸，照成Z值0～30 μm范圍內對應的錐角出現波動。

綜合上述，在曝光階段，Z值不會影響DICD大小，但Z=0時，DICD和錐角的均一性最好。當Z逐步向負方向移動時，PR錐角逐漸減小。對于TFT制程的硅島刻蝕或者溝道刻蝕工藝制程，較小的錐角有利于刻蝕；故在硅島或溝道的曝光階段，可適當將Z值往負方向調節，進而獲得較小的錐角。

3.4 顯影時間對DICD和錐角的影響

顯影同曝光密切相關，通常曝光劑量增加，顯影時間則縮短；而曝光劑量減小，則顯影時間增加。

顯影時間在60～110 s范圍變化，DICD與錐角的趨勢如圖14所示：顯影時間延長，DICD逐漸減小，DICD的均一性在顯影90 s以后區域穩定，錐角則呈上升趨勢。如圖15所示，顯影時間每增加10 s，DICD下降約0.3 μm，錐角則增加約1.7°。結合上述趨勢，可以推測，顯影時間增加，錐角尖端的光刻膠逐步被顯影液侵蝕，造成DICD減小、錐角增加。

圖14 顯影時間與DICD、錐角的關系。Fig.14 Relationship between development time and DICD, taper.

圖15 DICD、錐角關于顯影時間的回歸方程。Fig.15 Regression equation for development time.

圖15給出了DICD和錐角關于顯影時間的回歸方程，X代表顯影時間，Y分別代表DICD和錐角。在量產顯影條件中，玻璃基板置于顯影區間的傳動軸上，區間內的噴頭噴出顯影液，傳動軸則將基板朝前方傳輸。傳動軸的轉速決定了基板在顯影區間傳輸時間，也決定了基板的顯影時間。在量產條件下，通過設定傳動軸的轉速來控制顯影時間；但是因誤差、打滑等原因，實際顯影時間與設定的顯影時間存在差異。對量產顯影時間進行統計分析，其結果如圖所示，設定顯影時間為89 s，統計3 700張基板的顯影時間，顯影時間服從正態分布且均值為90.19 s。在明確顯影時間統計分布、確定顯影時間與DICD、錐角的回歸方程后，通過水晶球軟件 進行蒙特卡羅計算，評估量產顯影時間下DICD、錐角的分布概率。蒙特卡羅計算步驟如圖16所示，計算次數設定為2 000次。圖17反應了蒙特卡羅計算結果，可以看到，在量產顯影時間下，DICD分布在6.4～6.6 μm范圍的概率是96.5%；錐角分布在51～52°的概率是88.32%。

圖16 蒙特卡羅計算步驟Fig.16 Monte Carlo calculation steps

圖17 顯影制程蒙特卡羅計算結果Fig.17 Result of Monte Carlo calculation for development process

綜上所述，顯影時間增加，DICD呈線性減小，而錐角呈線性增加。在實際生產過程中，按照產品要求的錐角和DICD，結合顯影時間的回歸方程，可以反推出所需的顯影時間。

3.5 光刻制程錐角形成模型推測

在光刻制程的顯影階段，顯影液沿光刻膠厚度方向逐漸侵蝕，侵蝕方向各項同性。但是，在侵蝕效果方面，頂部的侵蝕速率會逐步降低，這樣最終導致顯影后的錐角逐漸增加。增加曝光劑量、Z值逐步由負方向靠近最佳焦平面、增加顯影時間會使這樣的趨勢更加明顯。圖18為顯影過程中錐角形成過程推測。

圖18 顯影過程中錐角形成過程推測Fig.18 Predicting formation process of taper during development

4 結 論

實驗結果表明，光刻膠的DICD和錐角受到膜層厚度、曝光劑量、Z值、顯影時間的影響?？梢酝ㄟ^光刻工藝調節來控制DICD和錐角，也可在確定的回歸方程基礎上，結合產品設計的DICD、錐角值反推所需的工藝參數：

光刻膠厚度增加會導致DICD增加，且造成光刻膠頂部錐角增大，在曝光階段通過增加曝光劑量可以獲得設計所需的DICD和錐角。

曝光劑量的增加導致DICD呈線性減小，錐角呈上升趨勢。結合曝光劑量和DICD的回歸方程，可以在實際生產中，根據產品設計的DICD值反推曝光劑量。

焦深范圍內，DICD均值無變化，但基板在最佳焦平面(Z=0)曝光，DICD和錐角的均一性最佳。Z值朝負方向移動，錐角呈減小趨勢，此種情況適用于需求較小錐角的硅島或溝道光刻制程。

顯影時間增加，DICD呈線性減小，錐角呈線性增加。以產品設計的DICD、錐角值為基準，結合顯影時間的回歸方程，可以反推所需的顯影時間。