淺談光掩模版設計與制作

王小霞　甄娟

摘 要：光掩模版（簡稱Mask）是TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器，Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）顯示屏技術常用的光刻工藝所使用的圖形母版。本文介紹了液晶顯示屏中TFT-Array（陣列）側基板和CF（彩色濾光片，color filter）側基板的Mask的概念、Mask版圖設計與制作相關基本內容。

關鍵詞：Mask版；Mask版圖設計；制版工藝

中圖分類號：TN253 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）32-0325-01

1 引 言

曝光工藝是TFT-LCD制造工業中光刻技術中重要環節。曝光工藝是實現Mask上圖形像PR（光刻膠，Photoresist）的轉寫，PR形成圖形后，對下面的膜進行相應的刻蝕，膜層上就形成圖形。Mask是曝光流程銜接的關鍵部分，是流程中造價最高的一部分，也是限制最小線寬的瓶頸之一。

2 Mask版簡介

（1）Mask光罩定義：Mask又稱光掩模版、掩膜版，英文名稱PHOTOMASK，材質：石英玻璃、金屬鉻和感光膠，是由石英玻璃作為襯底，在其上面鍍上一層金屬鉻和感光膠（一種感光材料），把已設計好的圖形通過電子激光設備曝光在感光膠上，被曝光的區域會被顯影出來，在金屬鉻上形成圖形，成為類似曝光后的底片的光掩模版。當然襯底基板也可是聚酯板，這種光罩叫做菲林版，價格便宜，曝光線幅一般30um以上。

（2）Mask光罩分類：正性Mask光罩和負性Mask光罩，光罩的正負性選擇是由于光刻膠特性決定的。

（3）Mask光罩應用：掩膜版應用十分廣泛，在涉及光刻工藝的領域都需要使用掩膜版，如IC（Integrated Circuit，集成電路）、FPD（Flat Panel Display，平板顯示器）、PCB（Printed Circuit Boards，印刷電路板）、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微機電系統）等。一般情況下，TFT-Array基板需要做出TFT器件、像素等圖案需要經過G（Gate）、I（Island）、D（Date）、C（Contact Hole）、PI（Polyimide）5道工程，形成5層薄膜圖案，而與之對應的CF側基板由黑色矩陣BM、色層RGB、柱狀PS5道工程，形成5層像素圖案，每形成一層圖案就都需要一張Mask。CF Mask不是獨立使用的，它必須配套于與之相匹配的TFT-Array基板，才能實現其價值。

3 Mask版圖設計

3.1 繪制軟件

使用a-SX版圖編輯器繪制版圖，繪制完成后通過“export”導出為GDS文件。目前僅接受GDS格式文件（后綴名.gds）。

3.2 Array Mask版圖設計要素

（1）面板尺寸：驅動負載，信號延遲，畫素大??；

（2）解析度：驅動頻率、驅動負載，畫素大??；

（3）操作電壓：TFT充電能力，Feedthrough效應；

（4）極性反轉模式：Cstongate，commom調變；

（5）開口率：信號線寬，儲存電容大??；

（6）其它光學目標：視角，反應速度，……。

3.3 CF Mask版圖設計要素

（1）設計首要條件：設備、工藝能力了解確認；

（2）Cell盒厚：PS高度、密度計算，PS材料選擇；

（3）CF畫素設計：畫素尺寸大小，與Array匹配BM_CD（開口率），RGB_CD，Overlay大小，如果設計不合理，就會出現漏光、畫素邊緣色不均等異常問題；

（4）CF引起MURA：PS高度均勻性、RGB膜厚均勻性、牛角段差等問題引起液晶配向不良導致。

3.4 Mask版圖繪制說明

3.4.1 圖 層

掩膜制版以圖層（layer）為單位。一個版圖文件中可以繪制多個圖層，但一塊掩膜版只能對應其中某一個圖層上的圖形，無法將多個圖層同時曝光在一塊掩膜版上，也無法將單一圖層割裂只曝光其中部分圖形結構。因此Mask制作多個掩膜版，并且其圖形之間存在套刻關系時，需將各掩膜版上的圖形繪制在同一版圖文件的不同圖層上，并設計統一大小的邊框。各層圖形的位置需根據套刻關系嚴格對應，并設置相應的套刻標記，以方便制版之后的光刻操作。

3.4.2 類 型

顯示屏設計包含像素設計、顯示屏周邊設計和基板設計。Mask版圖有單體型Mask和拼接型Mask。單體型Mask是指這張版圖上含一個或者多個整個屏完整外形，而拼接型Mask是指含一個或者多個重復單元和不能重復單元同時分布在這張版圖上，通過拼接才能形成一個完整的屏。

3.4.3 常見的錯誤

繪制過程常常出現隱藏層、隱藏圖形、字符無寬度、圖形合并錯誤、圓形圖案曝光出錯等等問題。這些若不能及時發現，有可能導致整個產品報廢，造成人力物力的浪費，因此需格外注意。

4 Mask版制版工藝簡介

掩膜制版工藝大致是先導入Mask版圖GDS文件至光刻機，在有膠的空白掩膜版上進行曝光，顯影，刻蝕，去膠形成相應圖形Mask，清洗后進入包裝，流程圖如圖1所示。

其中掩膜版圖形數據由用戶自行設計并提交，后續加工工藝由工程師完成。由于圖形數據準備是掩膜版加工中的關鍵步驟，要求用戶對所提交的版圖文件仔細核對，確保圖形正確性。

5 結 語

當前，高性價比TFT-LCD顯示屏才有競爭力，提高顯示屏的質量的同時，還要盡量降低成本，降低PR工藝也成了降低成本設計的一個重要課題。降低PR工藝，Mask版數相應也減少，mask版圖設計需要更加精細精密，向低成本設計方向發展，GTM（Gray Tone Mask）技術或者HTM（Half Tone Mask）技術卓有成效，高端的掩膜版技術也正在進入市場。

參考文獻

[1]中國科學技術大學微納研究與制造中心.光刻掩膜版設計與加工指南，2017，6.

[2]馬群剛.TFT-LCD原理與設計.電子工業出版社，2012.

收稿日期：2018-9-29

作者簡介：王小霞（1986-），女，工程師，主要從事液晶顯示器件彩膜的研發工作。