孫明劍，董承遠(yuǎn)，林錫勳

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240； 2.昆山龍騰光電有限公司，江蘇 昆山 215301)

1 引 言

因?yàn)楸∧ぞw管液晶顯示器(TFT-LCD)具有制造技術(shù)成熟、良品率高、輕便以及價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以目前大部分的智能移動(dòng)設(shè)備都使用其作為顯示媒介。TFT-LCD作為移動(dòng)設(shè)備各元件中的耗電大戶，如何降低其功耗以延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間一直是制造商們的研究熱點(diǎn)[1]。其中一種常見(jiàn)的解決方法是在TFT架構(gòu)中制作具有過(guò)孔(Via Hole)圖案的平坦化層[2]，通過(guò)降低介質(zhì)層的寄生電容來(lái)降低功耗。由于電容值正比于介電常數(shù)且反比于薄膜厚度，因此要求介質(zhì)材料具有較低的介電常數(shù)[3]，同時(shí)盡可能增加其厚度。

國(guó)內(nèi)外普遍使用的平坦化材料為感光型，其制程通常為：首先將材料涂覆在基板上，之后通過(guò)曝光和顯影工藝制作出過(guò)孔圖案，最后再進(jìn)行高溫烘烤固化[4]。雖然上述制程簡(jiǎn)單、快速，但由于平坦化層厚度很大，而曝光顯影工藝制作出的過(guò)孔斷面傾斜角(Taper)較小，二者相加導(dǎo)致了過(guò)孔上方孔徑成倍變大，降低了面板穿透率，減弱功耗改善效果。

與此不同，新型平坦化材料—PTS(Planarizing Thermally Stable Material，霍尼韋爾公司生產(chǎn))，是一種非感光的有機(jī)硅氧烷化合物，其在涂覆制程后直接進(jìn)行高溫烘烤固化，之后在其表面涂覆光阻，通過(guò)光刻和干刻工藝制作過(guò)孔。在干刻工藝中，通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體(Plasma)狀態(tài)，增加對(duì)材料的縱向刻蝕速率，可以將過(guò)孔傾斜角控制的更為理想，因此相較感光型材料，能夠制作出孔徑更小的過(guò)孔。

本文詳細(xì)研究了PTS材料的干法刻蝕工藝，發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)刻蝕方法無(wú)法制作出理想的過(guò)孔圖形；為此，我們提出并驗(yàn)證了一種改進(jìn)的干法刻蝕工藝，最終獲得了良好的過(guò)孔刻蝕效果。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品結(jié)構(gòu)

圖1為本研究所采用的非晶硅(a-Si)TFT器件的截面示意圖，其像素電極結(jié)構(gòu)適用于邊緣場(chǎng)開(kāi)關(guān)技術(shù)[5](Fringe Field Switching，F(xiàn)FS)。在工作狀態(tài)下，像素電極(Pixel)接收數(shù)據(jù)線上的電信號(hào)，與共電極(Common)之間形成電場(chǎng)，控制上方液晶分子發(fā)生轉(zhuǎn)向。由于形成電場(chǎng)及構(gòu)成儲(chǔ)存電容的結(jié)構(gòu)為像素電極和共電極，因此加入平坦化層，將像素電極和共電極與TFT、數(shù)據(jù)線(Data Line)以及開(kāi)關(guān)線(Gate Line)之間隔開(kāi)，能夠減小像素的寄生電容值[6]。

圖1 本研究采用的非晶硅TFT器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic cross section of the a-Si TFTs used in this study

2.2 樣品制備和測(cè)試

實(shí)驗(yàn)選用旭硝子公司生產(chǎn)的5代線玻璃基板，厚度0.4 mm，尺寸1 100 mm×1 300 mm。

(1)使用AKT-15K PECVD設(shè)備，在玻璃表面沉積氮化硅(SiNx)薄膜，膜厚300 nm；

(2)使用DNS SK-1100G設(shè)備，以狹縫刮涂(Slit Coating)方式在玻璃基板上涂覆PTS溶液，涂覆速度40 mm/s，涂覆膜厚2 μm；之后進(jìn)行預(yù)烘烤，條件為110 ℃/2min；

(3)使用ESPEC HSC-VI Oven設(shè)備進(jìn)行固化，條件為250 ℃/60min；

(4)使用DNS SK-1100G & Canon MPA7800設(shè)備于PTS層上方制作出光阻圖形；

(5)使用TEL Dry Etcher設(shè)備進(jìn)行PTS層干法刻蝕。

實(shí)驗(yàn)分別研究了反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)[7-8]和增強(qiáng)電容耦合等離子刻蝕(Enhanced Capacitive Couple Plasma，ECCP)[9-10]模式對(duì)材料的刻蝕效果。RIE模式刻蝕實(shí)驗(yàn)條件如表1所示，ECCP模式刻蝕實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表1 RIE模式實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Processing conditions for RIE mode

表2 ECCP模式實(shí)驗(yàn)條件Tab.2 Processing conditions for ECCP mode

(6)刻蝕速率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)以單片玻璃基板為單位，刻蝕時(shí)間30 s，刻蝕后每片玻璃基板均勻選取9個(gè)位置切片，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)量被刻蝕掉的PTS層厚度，計(jì)算出各個(gè)條件對(duì)PTS層的縱向平均刻蝕速率，單位nm/min。

(7)過(guò)孔形貌及孔徑檢測(cè)。通過(guò)斷面SEM研究?jī)A斜角和表面平滑度，采用線寬量測(cè)機(jī)測(cè)量孔徑大小。

3 結(jié)果與討論

3.1 刻蝕速率測(cè)試結(jié)果

圖2 不同實(shí)驗(yàn)條件下的PTS刻蝕速率Fig.2 Etching rates of PTS at different experimental conditions

圖2為刻蝕速率的測(cè)試結(jié)果，其中RIE模式刻蝕速率最低94.9 nm/min，最高263.5 nm/min；ECCP模式刻蝕速率最低459.7 nm/min，最高567.7 nm/min。

可以看出，在其他刻蝕工藝參數(shù)相同的情況下，功率越大，對(duì)PTS材料的刻蝕速率越大。進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ECCP模式由于增加了低頻偏置射頻電源，能夠調(diào)節(jié)等離子體狀態(tài)，加強(qiáng)離子轟擊，其對(duì)PTS材料的縱向刻蝕速率顯著高于RIE模式。

3.2 過(guò)孔形貌觀察

接下來(lái)我們選取了RIE和ECCP模式最大刻蝕速率條件，即條件E和H，分別確認(rèn)了對(duì)應(yīng)過(guò)孔的表面形貌。

圖3(a)為RIE模式條件E的過(guò)孔SEM斷面像，可以看出其過(guò)孔表面平滑，但是PTS層下方的SiNx被過(guò)刻蝕，有嚴(yán)重的底切(Undercut)現(xiàn)象，后續(xù)會(huì)導(dǎo)致像素電極無(wú)法與漏電極形成導(dǎo)通。實(shí)測(cè)該條件下PTS和SiNx層刻蝕速率差異過(guò)大(相差約4.5倍)，如圖4所示，這造成了上述現(xiàn)象。

圖3 過(guò)孔SEM斷面像。 (a) 條件E; (b) 條件H。Fig.3 Cross sectional SEM photograph of via hole. (a)Condition E; (b) Condition H.

圖4 不同刻蝕模式下PTS和SiNx刻蝕速率Fig.4 Etching rates of PTS and SiNx for different etch modes

圖3(b)為ECCP模式條件H的過(guò)孔SEM斷面像，發(fā)現(xiàn)過(guò)孔出現(xiàn)嚴(yán)重表面溝壑現(xiàn)象，這是由于該ECCP模式O2/SF6比例較高，導(dǎo)致等離子體對(duì)光阻的刻蝕速率提升，加上PTS層較厚，所需刻蝕時(shí)間較長(zhǎng)，光阻于過(guò)孔形成前被提前消耗光，過(guò)孔在失去光阻保護(hù)的情況下直接曝露在等離子體中，受到強(qiáng)離子轟擊而出現(xiàn)溝壑。另外，實(shí)測(cè)該條件對(duì)PTS和SiNx縱向刻蝕速率差異較小，如圖4所示，加上干法刻蝕的橫向刻蝕速率小于縱向刻蝕速率，因此SiNx層沒(méi)有出現(xiàn)底切。

圖5 條件I過(guò)孔SEM斷面像Fig.5 Cross sectional SEM photograph at condition “I”

我們確認(rèn)了條件I過(guò)孔SEM斷面，條件I 的O2流量為條件H的一半；可以看出，在降低O2流量后，得益于光阻消耗速度減慢，過(guò)孔表面溝壑現(xiàn)象得到一定改善，如圖5所示，但其平滑程度依然無(wú)法保證后續(xù)像素電極能夠良好覆蓋。

3.3 刻蝕方式改進(jìn)

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，在對(duì)PTS刻蝕時(shí)RIE和ECCP刻蝕模式各有優(yōu)點(diǎn)及不足，RIE模式的優(yōu)點(diǎn)：刻蝕出的過(guò)孔表面平滑；其缺點(diǎn)：對(duì)PTS和SiNx刻蝕速率相差過(guò)大，有底切問(wèn)題，不利于后續(xù)膜層覆蓋。ECCP模式的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)PTS和SiNx刻蝕速率接近，無(wú)底切問(wèn)題；其缺點(diǎn)：離子轟擊過(guò)強(qiáng)，提前消耗掉光阻，過(guò)孔表面出現(xiàn)嚴(yán)重溝壑現(xiàn)象，不利于后續(xù)膜層覆蓋。

出于優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的考慮，我們提出并嘗試了一種RIE和ECCP相組合的刻蝕模式，同樣使用TEL Dry Etcher設(shè)備。具體實(shí)施方法如下：

(1)采用RIE刻蝕模式，進(jìn)行過(guò)孔的預(yù)開(kāi)孔。選用條件E刻蝕PTS層，刻蝕深度1.5 μm；

(2)開(kāi)啟偏置電源，切換為ECCP刻蝕模式，選用條件I刻蝕剩余PTS層及SiNx層。

圖6 RIE和ECCP組合模式過(guò)孔SEM斷面像Fig.6 Cross sectional SEM photograph of RIE&ECCP combined mode

我們確認(rèn)了此條件的過(guò)孔SEM斷面，如圖6所示?？梢钥吹剑捎谑紫炔捎昧薘IE刻蝕模式，過(guò)孔表面較平滑，之后因?yàn)樵谂R近PTS層和SiNx界面時(shí)切換成了ECCP模式，其對(duì)PTS和SiNx刻蝕速率接近，且剩余膜層薄，刻蝕時(shí)間短，因此沒(méi)有出現(xiàn)底切問(wèn)題，同時(shí)也未造成過(guò)孔表面溝壑。

圖7 ADI和AEI過(guò)孔直徑的測(cè)試結(jié)果Fig.7 Diameters of the via holes measured by ADI and AEI

我們確認(rèn)了此刻蝕方法所獲得的圓形過(guò)孔孔徑。分別測(cè)量了刻蝕前的光阻圖形孔徑(ADI CD)和刻蝕后的PTS層圖形孔徑(AEI CD)，使用設(shè)備為Hitachi線寬測(cè)量機(jī)，于玻璃基板上均勻選取54個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖7所示，ADI CD平均值為4.09 μm，AEI CD平均值為6.12 μm，線寬變化量(CD Loss)為2.03 μm。

圖8 過(guò)孔SEM斷面像。 (a) 采用感光型平坦化材料; (b) 采用PTS材料。Fig.8 Cross sectional SEM photograph of via hole. (a)Planarization layer using photosensitive material; (b)Planarization layer using PTS.

最后針對(duì)新舊兩種平坦化材料的開(kāi)孔效果進(jìn)行了比對(duì)研究。首先，受材料本身性質(zhì)及制程工藝特性影響，感光型平坦化材料的過(guò)孔傾斜角較小，約為23°，如圖8(a)所示。而得益于干刻工藝對(duì)材料的縱向蝕刻速率更大，PTS材料的過(guò)孔傾斜角相對(duì)陡峭，約為50°，如圖8(b)所示。又因?yàn)樾泵骐姌O與水平電極上方的液晶分子轉(zhuǎn)向不能保持一致，所以斜坡部分不能用作液晶顯示。這樣，在相同膜厚和底部孔徑下，應(yīng)用感光型平坦化材料的面板，其穿透率要小于應(yīng)用PTS材料的面板。以本公司35.6 cm(14 in)4K分辨率(3 840×2 160像素)面板為例，經(jīng)模擬計(jì)算，如應(yīng)用感光型平坦化材料，過(guò)孔尺寸做到目前最優(yōu)值，穿透率為3.11%；如應(yīng)用PTS材料，過(guò)孔底部孔徑6 μm，穿透率可提升至3.63%。

4 結(jié) 論

研究了一種新型平坦化層材料的干法刻蝕工藝。實(shí)驗(yàn)證明，采用傳統(tǒng)刻蝕方式會(huì)出現(xiàn)過(guò)孔表面溝壑和底切問(wèn)題。為此，提出了一種新的刻蝕方式，即采用先RIE后ECCP的組合刻蝕模式，有效提升了工藝效果，刻蝕出的孔徑均值6.12 μm，能夠有效提高面板穿透率，為后續(xù)采用該材料的高分辨率、低功耗TFT-LCD產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。