PHOTO工艺

第九章PHOTO工序PHOTO工序的目的HOTO的基本概念什么是PHOTO?若是从一个液晶厂内部部门来说，PHOTO指的是黄光部。

但是从工艺来说，在半导体和液晶产业，PHOTO指光刻技术。

当然，这两个概念是有实质联系的，因为在液晶厂内负责光刻方面工作的就是黄光部。

HOTO工序的目的PHOTO工序的目的是把膜层电路结构复制到以后要蚀刻的玻璃基板上。

主要过程依次如下面图（一），图（二）和图（三）所示。

图（一）图（二）图（三）PHOTO工序主要包含三大步骤，即上图所示的光阻涂布（PR coating）; 曝光（Exposure）;和显影（Develop）.光阻涂布（如图一），就是在plate（玻璃基板）上涂布光阻。

光阻是一种对特定波长的UV光敏感的有机材质，遇到一定强度的UV光就会发生化学反应，所以PHOTO工序要在黄光下进行。

因为黄光波长大，光子能量低，强度比较弱（不会引起光阻化学反应）并且照明效果不错的光。

光阻涂布制程主要控制光阻的膜厚及其均一性。

曝光（Exposure）是PHOTO的关键，也是ARRAY的关键。

之前说了PHOTO是把膜层电路结构复制到以后要蚀刻的玻璃基板上。

临时电路结构就设计在MASK（光罩）上，光罩上有电路结构区域不透光，没有电路结构区域可以透光。

这样就使上一步骤涂布的光阻经过曝光工序之后，电路结构就从光罩转移到光阻上。

曝光（Exposure）制程的主要参数是CD（线宽）,Total pitch, Overlay。

Develop即显影。

经过Exposure之后在玻璃基板上喷洒显影液，因为显影液为碱性，对正性光阻而言，被紫外光照射过的光阻可以溶解在碱性显影液中，而未紫外光照射到的部分不溶于显影液。

因此，显影之后，在玻璃基板上，只剩下电路部分有光阻，而其它区域无光阻（注：本节所指光阻为正光阻，一般TFT段都使用正光阻）。

显影液浓度的控制是显影工艺的关键，浓度的高低会影响到线宽。

显影后送去蚀刻，这样有光阻保护部分（即需要的电路部分）的膜不会被蚀刻掉，而没有光阻保护部分的膜就被蚀刻掉。

这样即形成所需要的电路的。

当然，PHOTO除了上面所述的光阻涂布，曝光和显影之外，还有其它几方面工序组成，如基板进入Photo制程后首先需要清洗（Cleaner）,如分布在各个环节的烘烤（Bake）.下面简述一下PHOTO工序中的清洗和各个烘烤。

在第一层需要刻号（Titler）等。

Cleaner即清洗工艺，目的为了在Coater之前基板表面达到洁净，主要通过E-UV照射分解玻璃基板上的有机物（如下图四所示），然后通过AA-jet, brush等清洁方式将基板表面的各种particle去除,最后用Air knife（图五）将基板表面水分去除。

图四图五在清洗之后设置Dehydration bake,主要目的是通过高温将基板表面水分去除。

在光阻涂布之后会设置低压干燥（Low pressure dry也有称为Vacuum Dry). 目的是为了去除光阻的溶剂（大约70%），使基板上的光阻迅速固定，同时若此时用高温的方式来蒸发溶剂的话，极易引起火山状Mura.在低压干燥之后，设置Pre-bake进一步去除光阻的溶剂（剩余30%）。

同样，在显影之后也要设置Bake单元，即所谓的Post Bake.目的是去除水分，加强光阻和基板之间的作用力。

需要特别强调的一点是，所有的烘烤单元后都跟有对应的冷却单元，在进入下一个制程前将基板冷却到正常的制程温度（23度左右）。

为对产品进行跟踪，需要在第一道制程时对基板进行刻ID,即Titler.在某些层，还需要进行边缘曝光（Edge Exposure)，目的是为了去除基板边缘的光阻，减少对后面制程的影响。

通过上述介绍，我们可以比较清晰的对PHOTO工序各站点按工艺实际依次罗列如下：基板loader进入—>E UV—>Pre-wet—>Brush—>AA-jet—>Final rinse—>Air knife—>Dehydration Bake—>Cooling—>Coater—>VCD( or LPD)—>Pre-bake—>Cooling—>Exposure—>Titler/EE—>Developer—>Post-bake—>cooling—>基板Unloader出机台。

9.1.3小结PHOTO工序主要就是通过光阻涂布，曝光和显影将设计好的电路图型写到玻璃基板上。

PHOTO工序介于Thin Film（镀膜）与Etch（蚀刻）之间,是TFT的关键。

以上只是简单介绍PHOTO工序，详细内容请见之后章节。

Photo技术的发展(光阻涂布/显影部分)及工艺的基本原理由第一节所述，Photo工序主要包括光阻涂布，曝光和显影。

随着TFT-LCD产业的发展，玻璃基板的尺寸也从20世纪90年代初的300x400 mm2 (G1)发展到现在的2160x2460 mm2(G8)。

Photo工序的各项技术也有了极大的提高。

9.2.1光阻涂布技术的发展和基本原理随着玻璃面板尺寸的变化，生产技术也发生了巨大的变化。

在光阻涂布/显影方面，技术的更新换代也十分明显。

光阻涂布方面的技术更新如下图所示：从一代线到四代线，Spin Coater方式是光阻涂布的主流。

首先将光阻滴到玻璃基板中央，然后通过高速旋转产生的离心力，将光阻均匀分布到玻璃基板表面。

从而形成一层均一的光阻膜。

但是，随着玻璃基板尺寸的增大，Spin Coater方式需要更高的转速，要求更大功率的马达。

以六代线为例，如果要形成均一的膜层而且保持比较高的产能，需要100KW的马达，但是在现在还没有研制出100KW的马达。

尽管Spin Coater方式可以获得膜厚均一性较好的光阻膜，但是Spin Coater方式浪费了高达90%的光阻。

而且Spin Coater方式受限于玻璃基板的尺寸，只能涂布小尺寸玻璃基板，涂布大尺寸玻璃基板产能太低，同时如果要涂布膜层比较厚的光阻膜，需要多次Spin Coater。

另外Spin Coater方式还有设备的占地面积很大，需要洗边等缺点。

在Spin Coater方式中，光阻的粘度、旋转加速度决定了光阻膜层的均一性，因此需要在生产工艺中优化这两个参数。

在Spin Coater方式之后发展了Slit&Spin方式，这种方式和Spin Coater方式相比，光阻的利用率有了很大的提高，但是还有80%的光阻浪费。

Slit&Spin方式通过喷嘴将光阻涂布到玻璃基板上，然后通过旋转的方式将光阻均匀分布在玻璃基板上。

但是旋转的速度和加速度没有Spin Coater方式那么大。

涂布光阻和旋转可以在一个工作室内进行，也可以在多个工作室内进行。

在第一步涂布光阻的时候，光阻的均一性不能满足工艺的要求，但是通过旋转之后，光阻的均一性可以达到±2~3%。

Slit&Spin方式存在和Spin Coater方式一样的问题，例如不能满足大尺寸基板的要求，产能低，需要洗边，光阻利用率低等。

Slit Coater方式是目前在TFT LCD中广泛应用的一种光阻涂布的方式。

光阻的利用超过95%，几乎达到100%。

这种光阻涂布方式的工艺参数有：喷嘴和基板表面的距离，Slit的机械结构，泵的参数，喷嘴和玻璃基板间空气流动的速度等等。

Slit方式可以提高产能，一次扫描即可在大尺寸基板上面涂布一层均一的光阻，不需要洗边，可以涂布六代线甚至更大尺寸的玻璃基板，而且设备占地面积小。

9.2.2曝光技术的发展和基本原理TFT-LCD曝光技术主要有接近式曝光（proximity）, steppers, 光学投影扫描方式（mirror projection scanning）和透镜投影扫描方式（lens projection scanning）等。

在TFT LCD，玻璃尺寸小于600*720之前，stepper方式和光学投影方式由于其良好的分辨率和高精度的对准系统，占据了主流。

但是在五代线和六代线以后，受限于透镜尺寸和产能较低，stepper方式不再被采用。

因此在五代线以后，光学投影扫描方式和多镜头投影扫描方式（multi-lens projection scanning）占据了主流。

在Color filter和STN中，主要采用接近式曝光（Proximity）。

因为接近式曝光和其他曝光方式相比，价格较低而且产能较高。

在TFT LCD 曝光设备中，佳能和尼康占据了垄断地位。

但是Color Filter曝光设备厂家比较多，比如佳能，DNS，日立，尼康，ORC和Topcon。

1、接近式曝光（Proximity）接近式曝光是一种比较简单的曝光方式，一般在生产STN和Color Filter中被采用。

接近式曝光是将光罩（Mask）和玻璃基板表面的光刻胶靠近（10~300微米），然后利用高压水银灯发出紫外线曝光，将Mask上的电路图形转移到玻璃基板上面。

在四代线以前，玻璃基板的尺寸比较小，Mask的尺寸通常大于整个玻璃基板的尺寸，因此可以通过一次曝光将整个玻璃基板全部曝光，所以在玻璃基板比较小的时候，接近式曝光的产能比较高，有的设备可以达到80片每小时。

接近式曝光的主要参数是Mask和玻璃基板之间的距离，如果Mask和玻璃基板比较近，可以获得较高的精度，但是会带来Particle，而且减少Mask的使用寿命。

如果Mask和玻璃基板距离太大，分辨率和对准精度降低，而且在玻璃基板的边缘部分会产生阴影，导致图形偏移，衍射。

因此，通过控制Mask和玻璃基板之间的距离，接近式曝光的精度可以达到8微米。

但是大尺寸玻璃基板曝光对于接近式曝光存在以下问题：为了提高产能，Mask的尺寸必须大于玻璃基板的尺寸，这样通过一次曝光即可将一块玻璃基板完全曝光。

在四代线之前，Mask的尺寸达到了800*960mm。

但是到五代线甚至更大的玻璃尺寸以后，一次曝光不能把一块玻璃基板完全曝光，因此需要通过多次的接近式曝光才能将一块玻璃完全曝光，这样就降低了产能，同时对设备和Mask都提出了更高的要求，设备的价格和Mask的价格也因此而提高。

2、步进式曝光（Steppers）步进式曝光（Steppers）在TFT array段，玻璃基板小于600*720mm时占据主流。

Steppers 不是通过一次曝光即将整块玻璃基板完全曝光，而是一次曝光相当于投影透镜大小的区域，然后通过一个三轴平台将玻璃基板移到下一个曝光位置，通过多次曝光知道将玻璃基板完全曝光为止。

曝光的次数由玻璃基板的大小和透镜的大小来决定。

以一个132mm2的透镜为例，要曝光一个730*920mm的玻璃需要42次曝光。