TFT-LCD用黑色光刻膠材料對曝光過程Mark讀取的影響

李吉， 張霞， 廖昌， 謝忠憬， 尹勇明， 孟鴻

（1.北京大學 深圳研究生院， 廣東 深圳 518055；2.北京大學 材料科學與工程學院， 北京 100871；3. 深圳北理莫斯科大學， 廣東 深圳 518172；4.TCL華星光電技術有限公司， 廣東 深圳 518132）

1 引言

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display， TFT-LCD）［1-5］憑借高分辨率、低功耗、使用壽命長、成本低廉、尺寸可調等諸多優點成為當前市場絕對主流的顯示面板產品，在電視、筆記本電腦、平板電腦、投影儀、車載顯示、智能手機、可穿戴設備、智能家居等眾多領域具有廣泛的應用前景，尤其在電視為代表的大尺寸顯示領域，TFT-LCD仍然占據著80%以上的市場份額。現階段，全球TFT-LCD產業發展成熟，近5年來產值較為穩定，在1 300億美元上下浮動，其中中國是全球最大的TFT-LCD生產國。2021年，我國擁有全球60%以上的液晶面板產能，居全球第一，預計2025年中國大陸地區產能將占全球總產能的75%。

然而，我國TFT-LCD產業大而不強，包括光刻膠在內的眾多上游材料仍處于“卡脖子”狀態［6-8］。光刻膠［9-10］作為高技術壁壘的材料，長期被壟斷，日韓臺廠商的市場占有率高達90%。隨著全球面板產能向中國大陸轉移，國內彩色光刻膠需求快速增長，預計2022年我國彩色光刻膠需求量為1.9萬噸，面板類光刻膠需求預計高達15.6億美金。在中美貿易摩擦、國外貿易保護主義盛行的情況下，光刻膠等關鍵核心材料技術的缺失將導致整個新型顯示行業的癱瘓，光刻膠國產化刻不容緩。顯示面板應用的光刻膠主要分為黑色光刻膠、彩色光刻膠、正性光刻膠等［11-19］，本文主要針對黑色光刻膠展開深入研究。

在TFT-LCD中，黑色膜柱（Black Photo Spacer，BPS）技術因其可以節省黑色矩陣（Black Matrix，BM）制程、縮短工藝時間，進而降低面板生產成本受到各大面板廠的廣泛關注。BPS技術以主、副膜柱設計取代傳統PS（Photo Spacer），同時采用黑色擋光材料作為面板遮光矩陣取代傳統BM。BPS材料一般采用負型光阻，根據特性的不同，BPS設計分為兩段式和三段式兩種。兩段式的BPS一般采用兩種透過率的掩膜版（Twotone Mask）技術，形成主、副膜柱有高度差的區域。這種設計較為簡單，材料也相對較為成熟，因無面內和面外的大面積遮光要求，適用于對對比度要求不高的IPS技術。

三段式BPS一般采用多種透過率的掩膜版（Muti-tone Mask）技術，形成3個具有不同高度差的區域。這種BPS材料需要同時考慮多種透過率帶來的固化差異和熱回流效應，顯影時間很長，所以材料制程性難度很大。因此，我們在設計時考慮使用RB色阻的疊層形成階梯差，減少多種透過率對材料固化特性的影響，從而降低材料的開發難度。在這種結構下，BPS材料位于陣列基板的最后一道制程，需要采用上一道制程的金屬層作為對位標記。然而，由于BPS是一種遮光材料，因此涂布BPS后CCD將難以透過BPS抓取到用于對位的金屬標。本文通過使用有機-無機混合顏料取代有機黑顏料，在紅外波段可獲得接近90%透過率，滿足對位需求；同時固化成型后可獲得1.2/μm光學密度，產品對比度達5 920，與非BPS產品對比度5 900相當。

2 曝光機設備的構成及對位工作原理

2.1 曝光機設備的硬件構成

圖1為曝光機對位Mark讀取系統原理圖，主要由照明子系統、光學成像子系統、圖像采集子系統以及計算機等組成。照明子系統由光源、光源控制器構成。光學成像子系統由半透鏡和物鏡組成。圖像采集子系統由CCD相機和圖像采集卡等構成。進行對位時，光線由照明子系統光源發出，經由半透鏡和物鏡，穿過掩膜版達到基板表面，并反射基板表面的光線，經由物鏡、半透鏡傳遞至中繼透鏡以擴大視場。圖像數據由成像系統CCD獲取，由軟件進行對位準確性判定。

圖1 曝光過程對位Mark讀取原理圖Fig.1 Illustration of Mark reading during exposure

2.2 BPS對位工作原理

在BPS技術的曝光對位過程中，上光源在穿過掩膜版到達基板表面時，需透過黑色的BPS材料抓取基板上的金屬標來對位。基板上的對位標能否被準確識別，取決于涂膜的透過率。BPS影響曝光對位過程的基本工作原理如圖2所示。

3 實驗與測試

3.1 曝光設備燈源

本文使用2種曝光機實驗設備：一種是NSK廠商實驗室曝光機，光源可以選擇單一波長；另一種是NSK廠商提供的量產線設備，光源主波長為400 nm、600 nm、650 nm及大于700 nm 4種。

3.2 BPS材料調整實驗設計

本文通過設計不同顏料組成的BPS材料以獲得不同遮光度的BPS材料，其組成說明如下：

A BPS：有機黑與藍色顏料混合組成。設計思路：短波無透過率，需要使用較多長波長光引發劑。因為300～400 nm感光波段光吸收極低，所以固化速度慢，材料顯影時破膜時間超長，顯影制程需要≥90 s的顯影時間。

B BPS：有機顏料與無機炭黑混合組成。設計思路：BPS短波波段（300～400 nm）透過率變高，吸收效率提升，可使用短波長高感光性引發劑。材料固化速率快，顯影時破膜時間也相應縮短，利于產線顯影站點的產能提升。

3.3 實驗表征方法

實驗設備主要有EUV清洗機、旋涂機、真空干燥機臺、預烘烤熱臺、曝光機、顯影機以及烘箱，在實驗室使用黃光工藝對BPS材料固化成型。

Lambda MCPD用于穿透率量測，其工作原理如圖3所示。

圖3 MCPD機臺的分光系統Fig.3 Spectral system of MCPD

表征遮光度的指標光學密度OD（Optical Density）為OD=-lgT。

使用OLYMPUS光學顯微鏡（OM）對BPS固化成型后的形貌進行觀察。使用日本電子JEOL電子掃描顯微鏡（SEM）對BPS固化成型后形貌進行觀察。使用CS2000光譜量測儀獲取面板亮度數據，對比度定義為：

4 結果與討論

4.1 對位標讀取實驗

在帶有金屬標的基板上，分別涂布4.0 μm和4.5 μm厚度的A BPS 材料，進行金屬標讀取實驗。圖4（a）為膜厚4.0 μm讀取金屬標圖像，圖像讀取成功，但清晰度未達到100%；圖4（b）為膜厚4.5 μm讀取金屬標圖像，圖像讀取失敗，可判定A BPS厚度為4.0 μm對應的透過率為金屬標可讀的臨界值。

圖4 不同厚度A BPS對位Mark的讀取圖像。（a） 4.0 μm；（b） 4.5 μm。Fig.4 Photographs of Mark reading during exposure of A BPS with different thickness. （a） 4.0 μm；（b） 4.5 μm.

將A BPS厚度為4.0 μm和4.5 μm的色片分別進行MCPD穿透率量測，如圖6所示。結果表明，該材料在曝光機主波長400，600，650 nm下的透過率幾乎為0；而在780～1 000 nm紅外波段，NG樣品最大穿透率＜23%，而OK樣品最大穿透率接近26%，因而可定義780～1 000 nm最小穿透率需≥26%才能保證成功讀取Mark圖像。

因A BPS OD為1 μm-1，膜厚設定低于3.5 μm，產品遮光度有不達規格造成面內漏光的風險，同時因金屬標讀取處于臨界狀態，有生產不穩定的風險，需進一步調整BPS透過率以獲得780～1 000 nm紅外波段的更高透過率。

4.2 BPS材料調整

為了保證材料在可見光區的遮光性能同時提高材料在紅外波段的透光率，從而實現有效的擋光效果及精準的Mark讀取，進一步設計了新款的BPS材料，材料組分如表1所示。舊顏料體系為A BPS，新顏料體系選擇橙色、藍色和紫色有機顏料組合為黑色，并使用炭黑增加遮光度。

表1 不同顏料體系的BPS材料Tab.1 BPS materials with different type pigment

基于B BPS材料，同樣制備了4.0 μm和4.5 μm兩個厚度的薄膜，并對其穿透性能進行了表征，如圖5所示。透過率頻譜結果顯示，新型BPS材料在780～1 000 nm紅外波段的透過率有較大提升，在940 nm的透過率值接近90%，遠大于舊型BPS，同時光學密度（OD）可獲得相應提升，達1.2～1.5 μm-1。

圖5 不同BPS材料的穿透率頻譜Fig.5 Transmittance of Mark reading different BPS

4.3 燈源調整

使用新型BPS材料在實驗室對不同波長的紅外光源進行Mark讀取測試，光源波長越短，讀取清晰度越高，如圖6所示。原因為波長越短，穿透BPS遮光層的能力越強，這也為未來曝光機設備燈源改造的選擇提供了重要參考：（1）燈源波長盡量選擇＞780 nm，以免在可見光內期望較高穿透率影響面內漏光；（2）在＞780 nm的波長范圍內，波長應盡可能短，以獲得較高的BPS膜層的穿透力。此外，短波長光引發劑經過BPS層不會發生光的饒射，主要利于表面自由基反應；長波長光引發劑經過BPS層會發生光的饒射，主要利于底部反應。

圖6 使用不同燈源的對位實驗Fig.6 Mark reading using different light source

4.4 量產線對位實驗

使用新型BPS用于量產線測試，成功實現了精準對位，如圖7所示。Mark讀取未出現延時，說明新型BPS材料在＞780 nm波段更高的穿透率對提升Mark讀取有效。

圖7 新型BPS的產線對位結果Fig.7 Mark reading result on production line

進一步地，對新型BPS形貌進行分析，結果如圖8所示。光學顯微鏡（OM）與電子掃描顯微鏡（SEM）圖顯示，曝光固化后膜層形貌完整，同時具備BM遮光和PS支柱作用，達到了基本的開發目標。

圖8 B BPS堆疊成型形貌圖。（a）OM圖；（b）SEM截面圖。Fig.8 Morphology of B BPS. （a） Top-view of optical micrograph； （b） Cross-section of SEM image.

4.5 產品光學評估

進一步使用CS2000對BPS UD無邊框產品對比度進行量測，結果如表2所示。測試結果表明，新型BPS滿足產品遮光特性，面內對比度達到量產規格，下一步將對該技術進行量產導入驗證。

表2 不同類型面板產品光學對比度Tab.2 Contrast value of different display products

5 結論

BPS的透過率低是導致曝光過程中Mark讀取失敗的關鍵因素。NSK曝光機對位燈源波長位于780～1 000 nm紅外區域，在該波段BPS材料透過率低于23%時，對位失敗。通過使用有機-無機混合顏料組成取代有機黑與藍色顏料混合組成，在紅外波段可獲得接近90%的透過率，滿足對位需求，固化成型后可獲得1.2/μm的光學密度，以此制作的BPS產品對比度達5 920，與非BPS產品的5 900表現相當，滿足產品遮光特性需求，具備較高的應用潛力。