高度精细大型化TFTLCD光罩最新技术趋势.doc

近年来平面显示市场迅速扩大，全球的市场规模预估在2010年将达到3兆台币。而在平面显示中的设备发展也将受到各界的注目与关心。液晶显示面板市场从1990年代初兴起，主要的应用产品从兴起时期的笔记型电脑，扩展到90年代后半期开始的电脑荧幕，并且在2002年以后，开始朝向大型电视应用发展。目前，大型电视应用已经成为液晶显示面板的第3大应用产品，加上电视是与生活密切相关的民生产品，受到大多消费者的关心，因此大多都相信电视应用将是支撑未来液晶显示面板市场成长的最大动力之一。就技术发展方面，液晶电视不仅仅是以37寸以下来取代CRT的角色出现，并且也积极的开发大尺寸画面来寻求更高的临场感。所以，在市场上所销售的液晶电视尺寸不仅只有40寸、50 寸等等，最大的60寸也已经开始在市场上推出，并且在各种展览会上，业者还发表了82寸和100寸的超大尺寸产品。目前，现在快速扩大的市场正被低价格化所推动，所以在大型电视市场上为达到市场所要求的“低价格、大画面、高画质”目标，液晶显示面板业者正面临着，兼顾降低生产成本低和提升效能（高画质，广视角等）的难题，所以到底要如何才能实现提高生产效率、简化制程、提高良率、改善显示技术等等，就成为了液晶显示面板业者努力研究的方向。显示面板业者期待光罩技术获得更大进步在完成液晶显示面板中的TFT Array和彩色滤光片的生產上，不可缺少的是利用光罩的Photolithography技术来完成曝光。在面对液晶显示面板对于市场需求的效能、品量的提升上，光罩的规格和品质是具有决定性的影响。因此光罩业者也积极的期望让光罩相关技术获得更大的进步，与显示面板业者共同完成市场对于液晶显示面板的期待。光罩是含有铬等金属薄膜的基板（Blanks）上，形成复杂Geometry的Mask，例如在半导体的曝光制程中，利用光罩以及曝光能够在硅基板上形成电路Patten。现在，随着LCD的大型化和高效能化，光罩也随着提高精细化和不断的大型化，就像在超过1平方公尺的玻璃上，对于线宽必须达到数微米的高度精确的要求。光罩制程简单来说，是在基板（Blanks）上涂上光阻材料，利用雷射电子束设备描绘出所需的各种Geometry，并且进行显影的制程，去除掉基板（Blanks）上不需要的光阻材料，再透过蚀刻的制程，去除掉不被光阻材料覆盖的铬膜，最后再清洗残留下来的光阻材料，最后便会依照铬膜的线路，让Geometry留在玻璃基板上。此外还必须进行检查、测量确认是否正确的形成了Geometry，并在超高精细的光罩上贴上用来防止灰尘的防护膜之后出厂。目前光罩的基板材料，较常被使用的有石英玻璃和苏打玻璃（Soda-lime）玻璃两种。苏打玻璃较常被应用在STN-LCD、TN-LCD、FED、EL等产品的生产上，而用于TFT-LCD的光罩，由于热膨胀率小，所以尺寸精度较高，并且因为需要有90以上的良好透光率，因此则是而采用了能达到高精细程度Geometry的石英玻璃。而利用铬元素作为遮光材料的理由是，铬不但可以镀出均一的厚度，并且在蚀刻制程中还能加工出精细的线路，实现高解析度的目标，所以在目前，用来光罩的遮光材料这一方面，可以说还没有比铬更适当的材料。大型化所引发的光罩技术问题因应液晶面板的尺寸不断增加，因此大尺寸化的光罩也积极的被开发中，就像目前已经出现了可以支援第8代生产线的光罩基板。但是由于大型化制程的持续发展，因此光罩材料的成本也不断的提升，使得光罩本身的价格也高了起来，因此光罩业者生产风险也相对的提高了，并且根据客户需求的不同，以及面板精细化不断的提高情况下，目前描绘出一道光罩中Geometry的时间已经需要超过一天。再加上，如果期望扩大应用在大型电视的液晶显示面板市场，大幅度的降低价格是迫切被需要的，因此除了面板业者日夜致力于提高生产效率，和降低制造成本之外，在光罩这一部分也被要求大幅度的降低成本。如表一所示，由于技术的演进，液晶显示面板製造生产线是以世代来作为技术区隔，而各世代则是由开动量产的时间和玻璃基板尺寸来定义的。一般来说，是增加每片玻璃基板的取片数作为降低制造成本的方法，而母玻璃基板尺寸的扩大，便是支撑着制造生产线世代进展的动力。因此，进行玻璃基板尺寸的扩大，增加每片基板的面板生产数量，来提高生产能力，而生产能力的差异，则会被反映在面板业者的竞争力上。最初，液晶显示面板应用产品从以20寸为主的个人电脑用途（笔记型电脑、电脑萤幕）扩展到，需要更大画面的大型电视用途，也加速了玻璃基板的大型化。表二表示了玻璃基板尺寸和电视用的液晶显示面板取片数量的关係。如果粗略分类应用的话，第1-4世代是针对笔记型电脑，第4-5世代是针对电脑显示荧幕，而第6世代以上的生产线则是为大型电视应用。以第7世代的玻璃基板尺寸（18702200mm）为例，如果可以从一片玻璃基板尺寸切割生产12片32吋面板，或者8片40寸面板的话，这相当于第5世代生产线的3-4倍。而且如果以第8世代生产线来计算的话，每一片基板能够产出10片37吋面板，即使是50吋的也能生产6片，能产出量更可以达到第5世代的4-5倍。而关于第9世代以及第10世代，各面板业者正处在讨论是否投资的可行性阶段，所以，基本上还没有明确玻璃基板的尺寸。可是在经济性这一点上，根据过去的经验来看，很容易预测到次世代生產线的产出能力可以切割6-8片50寸甚至于60寸的液晶面板。所以随着玻璃基板的大型化，光罩的尺寸也随着增加。这是因为提高生产效率期望之下，当进行曝光制程时需要覆盖更广的面积。目前关于光罩的大型化，以及尺寸发展开始朝向3个大发展方向。包括，能够让玻璃面板完全被曝光、能够让面板进行多层曝光，以及4次或6次的曝光扫描能覆盖整个玻璃基板面积。现在，还没有人提出第9世代以及第10世代使用的光罩具体尺寸，但预估会进行遵循上述方向发展。目前关于光罩的大型化，以及尺寸发展开始朝向3个大发展方向。（资料来源：展茂光电）目前，大型液晶电视的液晶显示面板生产线，大多是采用第7世代生产线，而在光罩基板的主流尺寸上则为850120010mm，这是因为850120010mm的光罩基板，能把最大48寸面板利用1片光罩来完成，如果是32寸面板的话，1片光罩则可以配置2片玻璃基板。除此之外，在第8世代的液晶面板生產线上，也正进行着更大型化的光罩，目前有人提出1220140013mm，尺寸超过一公尺的光罩基板，能应用在1片57寸面板上1面取，或者2片45寸的面板。高广视角特性和高辉度要求彩色滤光片光罩也需革新彩色滤光片用的光罩也跟TFT阵列一样，伴随生产线世代进展而进行大型化。从第一代到第三代与TFT阵列不同，彩色滤光片用光罩的尺寸变化达到数十种，但是随着XY STEP型的接近式（Proximity）曝光设备的普及，能看出逐渐统一的变化，而到了第七世代时代的来临，不使用薄膜的850120010mm和8009208mm等的彩色滤光片用光罩逐渐成为主流。而且近来对彩色滤光片的Geometry也开始有高精度要求，所以，使用与TFT阵列相同种类的曝光设备及光罩的现象正在逐渐增加。在大型电视用液晶显示面板上，不断的要求特广视角特性和高辉度。所以为了实现广视角特性，目前面板已经开始采用VA（Vertical Alignment）和IPS（In-Plane Switching）的Cell驱动方式。构成这些Cell驱动的TFT阵列和彩色滤光片，便需要有复杂的Geometry。而且为了提高开口率来增加面板的辉度，就必须让配线更细微化，来缩小层间的重叠和空间。所以大型电视用的面板，必须满足所需求的这些特性，不过要进行高效率、高良率生产则要求高精度且高品质的光罩。一般来说，光罩的尺寸越大，相对的高精细度的製作就越难。目前光罩所要求的线幅度大约是3-4m，可是对于基板的一边或两边都超过1公尺的大面积应用上，进行均一、高精度的加工，是需要相当高的技术能力。所以期望实现这样刚品质的目标则是需要绘图设备、检查设备等等都需要有高精确度的处理技术，当然还需要包括清洁、冲洗、蚀刻、光阻材料等等的配合，所以即使是光罩制造用基板的Blanks中也有对表面缺陷、内部缺陷、表面精度平坦度、外形加工精度、热膨胀率等等的严格要求，而在基板上成膜的铬金属膜，也必须具备无缺陷或者是微缺陷、及高耐化学性持久性，以及优良的蚀刻特性。所以，如何实现大型化且高精度化要求的大型光罩就成了技术开发的重点。另外，光罩还需要在洁净环境下制造、保存，因此运输和包装也需要相对的提高技术层次。光罩需要在洁净环境下制造、保存，因此运输和包装也需要相对的提高技术层次。（资料来源：Kent State University）多灰阶光罩渐为主流利用Photolithography形成的Geometry制程次数，与液晶显示面板的生产时间上有很大关系，特别在被要求低价格化的大型电视用液晶显示面板生产上，成为极为重要的技术课题。因此，如何降低Geometry製程次数，也开始被提出讨论以及开发，目前最被积极讨论的技术是，采用Multi-Tone的Half-tone曝光技术。Multi-Tone光罩是3灰阶等级的光罩（白中间色调黑）的总称。在透射率100的白色（无遮光膜）和透射率0的黑色（有遮光膜）表现Geometry的双层光罩中，因为插入有中间透射率的Geometry所以被称作多灰阶光罩。利用多光罩和Posi-type光阻材料结合起来，进行曝光和清洗制程，由于有3个阶段薄膜厚度的光阻材料，便各会形成Geometry，再利用连续有选择的蚀刻加工，便能够把两次的Geometry变为一个。制程的做法是连续行程两种膜积层，然后涂布Posi-type光阻材料，进行多光罩的曝光。如前所述，多光罩是由透射率100的白色领域（无遮光膜）、透射率0的黑色领域（有遮光膜），以及有中间透射率的灰色领域构成。所以，把灰色领域插入2个黑色领域之间的Geometry，接著一进行清洗过程，100透射的白色领域的光阻材料，就会被清洗液就会完全溶解掉，完全不透光的黑色领域光阻材料因为会不溶于清洗液而存留。而灰色领域中，一部分的光阻材料变得可溶，而另一部份则会存留在基板上，也因为这样在冲洗之后，中间光阻材料薄膜厚度会有增厚的现象。这样一来，3阶段的薄膜厚度Resist Patten Geometry便形成了。透过第一次的蚀刻製程（相当於光罩上的白色领域部分），可以把光阻材料残留部分的膜和第一层、第二层一起蚀刻加工除去，再依序进行减少Resist Patten薄膜厚度的处理，目前大多是的处理方法是在氧气下的Ashing。除去中间薄膜厚度的灰色领域的光阻材料，而黑色领域的光阻材料部分，即使薄膜厚度减少也会残留在第二层膜上。利用这个方式除去部分灰色领域的光阻材料，并且选择性地蚀刻清除第二层膜。最后，再透过分离光阻材料而完成整个制程。像这样由连续的且有选择的蚀刻加工，而减少的制程的重点是，采用多光罩的中间色调曝光下，形成有第三阶段薄膜厚度（0、中间、100）的Resist Patten和利用Ashing的处理，在这两点上部分清除光阻材料，再把这两个结合起来，会发现多光罩相当于两个双层光罩的功能。在这个制程上，需要只清除部分灰色领域的Resist Patten，而残留黑色领域的光阻，是希望在光罩上的透射率有一定程度以上的差距，而且，光阻材料上的薄膜厚度稳定性和均一性是也很重要的。Gray Tone光罩（GTM）和Stacked Layer光罩（SLM）的区别根据构成灰色领域的方法不同，多光罩分为Gray Tone光罩（GTM）和Stacked Layer光罩（SLM），按照用途，灰色领域所需求的透射率都有所不同。Gray Tone光罩是可以让曝光设备的解析度达到3-4m的细微图形，由光干涉和折射效应来减少透射光罩的光量，而构成灰色领域。这样的技术从2002年开始，已经有液晶面板业者开始发表并且进行开发，目前已经开始应用在量產上。降低A-Si TFT的Geometry形成製程，4道光罩制程就是其代表例子。基本上，GTM以双层光罩进行光罩上Geometry的细致化。以光罩所才用的材料为基准，从不同的观点来看，可以说GTM是双层光罩的一种。所以它的制作是以双层光罩为基准，这些基本上都已经完成了，但是还是需要Geometry细微化的制程开发和改善来支援，因为这会左右着GTM的性能。而Stacked Layer光罩（SLM）则是在双层光罩上，把层积由半透射膜形成的灰色Patt