TFT-LCD阵列基板栅极半透掩膜版设计研究

乔亚峥 沈鹭 江鹏 刘信 丁俊

（武汉京东方光电科技有限公司 湖北省武汉市 430040）

1 ADS显示模式

液晶显示技术作为目前市占率最高的显示技术，具有及其广阔的应用场景，其中先进的超维场转换技术(Advanced Dimension of Switching, ADS)显示模式具有宽视角、快响应和高对比度等优势，广泛应用于TFTLCD 行业[1-3]。在ADS 显示模式中，公共电极和像素电极均存在于Array 基板上，交叠面积构成像素的存储电容[4]。

目前，ADS 显示模式阵列基板制程按照掩膜版次数可划分为三种：6 道掩膜版、5 道掩膜版和4 道掩膜版工艺（如图1 所示）。从图中可以看到，公共电极(ITO)和栅极(Gate)的制程相邻，为第一/第二道掩膜版。采用栅极半透掩膜版，将两者合二为一，既减少了一张掩膜版，又减少了一次光刻制程，大幅度的缩短了生产周期，提高产能，降低成本[5]。

图1：阵列基板制程工艺

栅极半透掩膜版具有三种透光率：0%、100%及半透区。半透区透光率的设计，与掩膜版曝光量的选择、产能及工艺稳定性息息相关。本文对40%和45%透光率的栅极半透掩膜版进行系统性研究，详细分析了透光率对生产节拍、曝光特性、工艺稳定性及量产可行性的影响。

2 实验方法

2.1 样品制备

本文实验基板是康宁公司Eagle-XG 玻璃，尺寸为3370mm×2940mm，厚度0.5mm。以55UHD 掩膜版为实验载体，使用Nikon FX-103S 多镜头投影扫描式曝光机，在光刻胶(PR 胶)涂覆显影等(Track)条件相同下（如表1 所示），分别制取透光率40%、45%下的阵列基板样品。

表1：Track 主要工艺参数

2.2 测试方法

栅极半透掩膜版工艺完成后，采用SNU CDHT设备，测量各基板样品像素有效区域(Active Area，AA 区)半透光位置光刻胶剩余厚度(Half Tone THK，HT THK)、光刻后特征线宽(Development Inspection Critical Dimension，DICD)，及外围电路扇形区(Fanout)DICD，并在光学显微镜下判定大板是否存在曝光不良。主要关注光刻后栅极距公共电极缝隙距离(Gate-ITO Space DICD)、光刻后栅极线宽(Gate Line DICD)、光刻后栅极间缝隙距离(Gate-Gate Space DICD)、光刻后公共电极间缝隙距离(ITO-ITO Space DICD)，光刻后Fanout 区关键位置尺寸线宽(Fanout Line DICD、Fanout Space DICD、Fanout Pitch=Line+Space)。

为验证不同透光率的曝光工艺容忍度(Photo Margin)，不同透光率掩膜版各位置设计有一系列特征线宽(Mask CD)条件，如表2、表3 所示。

表2：AA 区Mask CD Split

表3：Fanout 区Mask CD Split

3 光刻产能影响

表4 为不同曝光能量(Dose)下透光率40%、45%掩膜版对应的HT THK。测试现地以HT 5300Å 为中心管控值，当透光率40%提升至45%时，Dose 由41.5mj/cm2降低至32.0mj/cm2。

表4：不同曝光量下HT THK

根据Nikon FX-103S 曝光机特性及公式（1）、（2）、（3）可计算得出不同曝光区域(Shot)下的每区域曝光时间(Shot Time)，如表5 所示。

表5：不同曝光Shot 下Shot Time

栅极半透掩膜版半透区透光率40%提高至45%，曝光Shot Time 降低2～3s，搭配显影工艺优化，可实现光刻线整体生产节拍时间(Tact Time)降低2～3s，满产情况下测试现地产能可额外提升5%左右。

4 曝光特性分析

4.1 HT HTK/DICD vs Dose分析

图2、图3 分别为半透区透光率40%、45%下HT THK/DICD vs Dose 关系图。由图2、图3 可知，40%透过率下，Dose 每增加1mj/cm2，HT THK 减小443Å，全光刻胶(Full Tone)区Gate Line DICD单边减小0.06μm，半光刻胶(Half Tone) 区ITO-ITO Space DICD 单边增加0.09μm；45%透光率下，Dose 每增加1mj/cm2，HT THK 减544Å，Gate Line DICD 单边减小0.1μm 左右，ITO-ITO Space DICD 单边增加0.16μm，同时其工艺数据3σ 增大，生产过程稳定性较40%稍差。这是因为透光率提升，HT THK/DICD 对Dose 敏感性增强，生产时更易发生波动。

图2：透光率40% HT THK/DICD vs Dose

图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

栅极半透掩膜版工艺以HT THK 5300Å 为管控参数，0%透光区处于弱曝光状态，Mask CD 与DICD 不能满足1:1，收集Photo Bias，在新产品开发设计阶段进行Mask CD 预补正至关重要。

表6 为透光率40%、45%对应的Photo Bias。由表6 可知，由于45%透光率的Dose 降低，弱曝光趋势增强，其| Photo Bias |较40%增大1.3μm 左右，Mask CD预补正值增加。

表6：透光率40%、45%对应Photo Bias

4.3 光刻胶形貌分析

图4 为透光率40%、45%下光刻胶形貌。45%透光率弱曝光趋势增强，光刻胶坡度角降低14°，边缘较薄，在栅极湿刻工序中不稳定，易引起CD 波动。

图4：光刻胶形貌

4.4 光刻余量(Photo Margin)分析

在量产管控水平(HT THK 5300±3000Å)下，以是否产生短路(Short)为Photo Margin 界限，根据各Mask CD Split 结果，判定统计透光率40%、45%对于不同图案：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%对应Photo Margin

由于45%透光率的Dose 降低，弱曝光趋势增强，Space 更易发生Short，其Photo Margin 较40%变小，生产时对Dose 波动、HT THK 管控要求更加严格。

5 结论

本文采用40%和45%透光率的栅极半透掩膜版，详细分析了各透光率下的曝光特性、工艺波动性、生产节拍、量产可行性等，结果表明：

（1）45%透光率Dose 降低9.5mj/cm2，实现光刻线整体Tact Time 降低2～3s，测试现地产能可提升5%左右；

（2）45%透光率Mask CD 预补正值较40%增大1.3μm 左右，其生产稳定性稍差，更易发生CD 波动；

（3）45%透光率Photo Margin 变小，对Dose 波动、HT THK 管控要求更加严格。

高端产品，工艺稳定性要求高，需求品质优，可以选择40%透光率；中低端产品，工艺波动性容忍度大，考虑生产产能，可以选择45%透光率。