TFT阵列工艺中显影液控制系统原理及优化控制方法

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  摘要:本文详细介绍了TFT阵列光刻工艺中关于四甲基氢氧化铵TMAH显影液浓度控制系统,并从系统设计原理出发讨论显影液的浓度控制优化方式,显影液用量控制方式,溶解在显影液内的光刻胶浓度控制方式的实际应用。
  关键词:TFT 、阵列光刻工艺;显影液;回收再生控制系统;浓度用量控制;溶解光刻胶浓度控制
  Abstract:The paper describes the TMAH developer concentration control system of TFT Photo lithography in detail. And through the basic principle of the system to discuss the method and the application of the concentration optimization control and the usage of developer control and the concentration control of the photo resist which is dissolved in the developer in the practical production
  Key Words: TFT 、Photo lithography、developer、Recycle and reproduction control system 、concentration and usage control 、the concentration control of the photo resist which is dissolved in the developer
  1引言
  薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)以其轻、薄、无辐射及便携式和易大面积化等特点[1-2],已成为当今信息显示领域中的终端显示主流产品之一。从TFT阵列的光刻制作工艺来看,玻璃基板通过成膜后清洗,干燥,涂布一定厚度的光刻膠,减压干燥和热板干燥,通过曝光将掩膜板(MASK)的图形向基板上的光刻胶进行同比例大小的复制,通过显影将基板上被曝光的光刻胶图型进行溶解,最终清洗干燥后,形成固定光刻胶图形[1-2]。通过四次或五次的不同mask(分别对应TFT对应的功能层别)的工序过程,组成TFT的光刻工艺[3-4]。
  在每一道工序中,都会包含一次显影工艺,显影的主要过程为:使用显影液对曝光过的玻璃基板进行处理,未经曝光部分的光刻胶由于与被曝光部分的光刻胶在显影液内溶解度的差异而在预定的显影时间内被保留下来的整个过程,如公式1.1 、1.2。
  公式1.1 曝光部分光刻胶的显影反应
  Formula 1.1 the reaction of the develop with the photo resist of exposure
  公式1.2 曝光部分光刻胶的显影反应
  Formula 1.1 the reaction of the develop with the photo resist of non-exposure
  2显影液浓度控制系统
  2.1 显影液浓度控制方法设计
  在显影工艺制程中最为关键的两个因素是温度和浓度,需要有严格精确的控制,主流的显影制程条件为显影液浓度:2.38% 温度:23℃。浓度控制方法一直是显影浓度控制系统的核心。
  在液晶面板的制造工程中的光刻胶的显影处理中,基板尺寸的大型化和制造工艺的进步,显影液用量成倍的增加。从降低制造成本等观点来考虑,可以将已使用过的碱性显影液加以回收,经再生后向显影工序供给是显影液控制系统目前主要的设计方法[5]。控制系统可将浓度控制及显影液供给分为两块,一块是新液浓度配比生成,一块是回收液浓度配比再生,两块互为互补,如图2.1.1 显影液控制系统构成
  图2.1.1显影液控制系统构成
  Figure 2.1.1 developer control system
  2.2 显影液浓度控制方式
  2.2.1 显影液新液调和供液单元DDS-21
  在显影液控制系统新液生产过程中,显影液浓度的控制主要是通过20%浓度的TMAH(原液)通过固定比例的纯水进行一次配比,配比出接近2.38%浓度的显影液,通过浓度控制器接入MT(mixing tank调和储液罐,以下简称MT)实时监控储液罐内显影液浓度并通过小量通入20%的原液或纯水进行浓度调节(控制浓度升高或者降低),此处浓度调节较为粗略,,且混合波动性较大,故储液罐设计不能使用较大容量的类型,否则混合过程中浓度变化有较大的滞后性,此处MT可定义为显影液再生系统的1级调整单元。MT处需设定可供液范围(向service tank供液储液罐供液以下简称ST)。(可供液浓度范围※1及报警浓度范围※2.)
  ※1 可供液浓度范围的设定需要参照ST调和的速率和浓度稳定性来进行测试得出,一旦超过范围MT即停止向ST供液,直至自动浓度调和重新回到范围内。
  ※2 报警浓度范围的设定需要参照MT控制浓度的中心值(一次混合后显影液的中心浓度)及调和时通入20%及纯水后浓度的波动范围及PPC1(MT附属浓度控制器)滞后性因素来确定,一旦超过范围机台报警关闭原液及纯水的通路,停止调和,直至手动调整将浓度值调整回范围内。
  20% 原液对于1m3的ST储液罐(正常液量70%左右也就是1.4m3)通入的量较纯水来说,从2.38%的浓度下改变0.01%所需要通入的量分别为700ml和5900ml,在同样通入流量相同的情况下有上表2.1.1的结论,但若控制好20%原液及纯水通入流量比例就可达到最佳的调节效果。   从20%原液混合部分显影液通过MT调和后在设定浓度范围内的显影液通过连通管路供应至ST,并在ST的浓度控制器PPC2(浓度控制器)的监控下通过20%原液及纯水通路做二次调和,此次调和的浓度应控制在±0.01%以内(可以设定中心值),由于没有搅拌机所以调和波动不能过大影响供液的持续性,所以储液罐设计为2立方米的式样。此时的调和液就直接供给至各机台单独的浓度控制系统中,此处可定义为显影液再生系统的2级调整单元。同样在ST处可设定供液比例液位(在满足储液罐多少百分比的情况下进行供液),可供液浓度范围,及报警浓度范围。
  2.2.2 NF显影液过滤再生单元
  再生液的部分分两部分,一部分对使用过后的显影液进行收集过滤,另一部分对于过滤后的显影液进行浓度调和再生。此系统的优势是可最大程度的对于显影液进行再利用而非直接废弃,另外通过对于显影液的整合收集可统一过滤大部分其中所溶解的光刻胶成分,再通入20%浓度显影液配比调和成所需浓度的显影液进行供应。
  对应目前TFT阵列制程所使用的大部分的显影机设计来说若需要回收利用基本是在机台显影单元单独设置一个储液槽,通过连接循环泵,温控器,浓度控制器及进液排液管进行显影液浓度控制(显影过程如图2.2.1)。问题在于机台端的储液罐容量较小,一般只有200~300L 浓度控制较为困难,直接通入20%浓度的显影液调和仍有滞后性,但在这个储液罐调和后将直接进行机台端的供给,对于调和后浓度管理要求非常严格。另外,机台端的设计一般为节省显影液的用量,与玻璃面板上光刻胶反應过后的显影液仍将回收回此储液罐中进行二次调和并重新利用,在回收的显影液中将携带一定量的光刻胶溶解物(主要成分为感光剂及酚醛树脂等物质)也一并回到储液罐中,若光刻胶浓度过高将影响显影反应的时间及造成残留物质,故在储液罐中设计的浓度控制器除实时检测显影液浓度,同时会实时检测溶解的光刻胶的浓度。
  若光刻胶浓度过高,系统会自动进行排液补液动作进行降低,若规定时间内无法降低至规格值,则机台发生报警,需求外部干预手动调整浓度,在实际生产中会产生较大的机台稼动的影响,同时频繁排液也会造成大量的显影液浪费。
  2.2.3 NF再生系统设计
  NF单元的设计(如图2.2.3)为了弥补机台的这种缺陷而设计进行整体的回收再生的系统。主要构成是超分子过滤膜,主要的目前是滤过分离使用后的显影液中溶解的光刻胶物质(主要成分为酚醛树脂及感光剂等物质)。
  设计是通过回收各个显影机台使用过后的显影液,进入recycle tank(以下简称RT),将RT中的显影液通过pump抽至NF超分子过滤膜中,滤过后的低光刻胶浓度的显影液从高光刻胶浓度的回收液中分离出来进入Service tank(简称ST),在其中进行浓度的配比调节(此tank功能与前述新液调和液供液功能tank相同),机台程序算法中优先使用再生液系统供给,从而达到最大限度的重复利用显影液降低消耗用量的目的。
  NF系统的设计在于可持续且不消耗任何滤芯寿命的情况下,持续进行,可并联NF过滤单元,过滤量非常大(约60L/min左右),过滤后浓度较高的显影液液将持续在NF与RT间进行循环并持续以一定的比例进行废弃,此废弃比例的控制可对光刻胶的滤过效果,以及显影液废弃率。(根据综合考虑一般设定在10:1~15:1之间 )
  NF废弃率调节与显影液废弃率相关有如下表(表2.2.2)变化关系:
  3显影液浓度的优化控制方法
  3.1 显影液用量优化
  在现实生产活动过程中,显影液是一种大宗消耗品,将参与生产的整个过程,每一枚面板涂布光刻胶,减压干燥,烘烤干燥及曝光后都需要进行显影。显影液原液20%每天的使用为吨级,单枚使用量及回收再生效率将是决定显影液用量的关键因素。显影液浓度控制系统的优化设计就非常重要。
  3.1.1 显影液的使用将分优先级进行供给
  显影液的使用将优先采用再生液进行供给,NF系统通过回收机台端所使用过的显影液进行过滤再生处理当分别满足以下条件时进行相关供液动作:
  1)当供液需求小于显影液再生能力时,NF系统Service tank将持续从NF进行供液
  2)当供液需求大于显影再生能力时,NF系统中ST液位将由于持续供液逐渐使用低于预设定的补液液位--X1时,系统此时将维持NF过滤的同时开启从新液调和液ST补液至NF系统的ST并逐步补至供液液位--X2切停补液动作。
  3)当补液过程中,NF单元ST中液位仍从补液液位降低至停止液位时,系统将切停NF系统的再生液供给,同时维持NF自身的滤过功能及从调和液系统ST的供液。
  4)另当NF系统的RT液位低于供给液位时也同样会切停再生液的供给(只保留RT自身的过滤循环过程)
  以上的设计将合理的控制在各种情况下,保证再生液的正常供给,最大程度的节省新液调和液的使用
  3.1.2 再生液中溶解光刻胶浓度控制
  在前述NF系统结构时也说到,关于回收液中溶解光刻胶的浓度是会直接影响到显影液的废弃率的。但受限于机台端浓度控制中的设定超过一定浓度的显影液将直接排放的影响,必须降低再生液供给时的显影液所含的光刻胶浓度,正常通过NF再生滤过后的光刻胶浓度应该维持的非常低的水平,但受限NF filter的能力,状态,通过filter的流量,及回收液中所含光刻胶的初始浓度,滤过后的浓缩液废弃比例,都会对滤过后浓度产生影响。所以在优化的过程中需要将以上因素统一进行考虑。
  优化的方法设计为:通过最终机台端浓度控制器设定的废弃浓度为基准(若高于调整浓度中心值,且在一定时间内无法降低机台端将进行废液排液,每次废液排液的量为30~50L不等),分别测试在一定的废弃比率下的回收液及再生液的光刻胶浓度为依据,逐步调整NF系统的浓缩液废弃率(正常手法为升高废弃率)同时监控机台端的显影液所含光刻胶的浓度曲线稳定在调整浓度中心值时及废弃排液次数达到最少时,定出最佳浓缩液废弃比例。同时核算在调整之前的废弃率下及调整后的废弃率下的废液量,以及所减少机台端的废弃排液次数的废液量,对比得出可节省的具体显影液量及进一步可优化的空间。
  3.2 解决由于部分异常导致的系统故障
  在系统出现故障时,系统设计仍有一定余量保持正常供液动作,以减少从系统从故障至恢复期间所停止供液带来的不良后果。
  如NF系统的正常运转停止,ST在停止供液的液位以上时仍可持续进行供液,停止供液的液位设定将决定系统由于故障停止后至完全无法供液所持续的时间。各系统ST正常保持80%以上的液位(2m3的容量至少有1.6m3可供给的存液),若直至供液停止期间仍无法恢复时,优先级将切换至新液调和系统进行供液(此时若需求液量大于系统调和能力时,逐步达到停止液位系统将全部切停供给,并报警需人工干预),以此大大减少由于突发异常所带来的供液停止的损失。
  4综述
  显影浓度控制系统的优化是有必要性的。
  对于设备工程师来说,在对于浓度控制系统进行解析优化的过程中,将逐步积累对于显影浓度控制系统的参数设定及突发异常的处理经验;对于企业来说,减少生产所需的大宗消耗品显影液的用量,提升生产效率,增加产能,减少有机废液排放,能在节能减排上获得较大的经济效益。
  参考文献:
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  (作者单位:中电熊猫液晶显示科技有限公司)
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