無光罩數位曝光技術與應用

 

刊登日期:2021/4/5
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黃耀正、張德宜、吳明宗、許玉瑩、張金華、周彥潾/工研院材化所
 
無光罩數位曝光技術於研究上、工業上與未來新興應用上所扮演的角色越來越重要。此技術擁有先進、快速、高精度與高通用等特點。其可實現快速且高經濟效益的製造,具有任意表面輪廓的特性,可應用於微光學元件、先進封裝、微機電系統、生物醫學及高密度印刷電路板等應用。
 
【內文精選】
前 言
我國顯示器產業年產值與就業人數高,整體產業結構完整,國內一直以來也積極布局顯示器相關技術,但目前產業面臨中國大陸積極增加大世代面板產能以及韓國面板產業多方競爭,我國政府將如何提升國內現有產線之產業競爭力,實為刻不容緩的課題。依據行政院108年「智慧生活顯示科技與應用產業策略SRB會議」決議,因應智慧化生活使用情境,未來面板需求將朝向少量多樣、客製化(自由型態)發展。現有面板「光罩製程」開發產品時程長,無法快速對應不定型的利基型產品需求,且與國外大廠技術無差異化,因此亟需開發差異化無光罩(Maskless)面板材料與製程技術,其可提供更快速及彈性生產之優勢,爭取更多訂單、提升產值,以因應未來智慧生活顯示科技與應用等多元化的使用情境需求。
 
數位曝光技術(Digital Lithography Technology; DLT)於高解析顯示器領域分別可應用於LCD Display、Mini/Micro LED Display等,擴展產品應用模式,使生產模式由大量少樣的製造模式,擴展為少量多樣的未來智慧製造模式(圖一)。國內面板廠已投入新興無光罩製程相關技術進行初步製程探索,但相關搭配之材料技術全球仍待開發,亟需法人先行投入材料研發布局,建立我國無光罩製程關鍵材料產業鏈,提升產業競爭力,創造整體產業優勢。
 
無光罩曝光技術,顧名思義即不使用光罩(Mask)來進行曝光使光阻劑(Photoresist; PR)產生圖案化之方法。其應用範圍很廣,舉凡如半導體、印刷電路板、顯示器等產業,會使用到光阻劑來進行曝光顯影之製程皆能夠導入無光罩曝光技術應用。直接成像(Direct Imaging; DI)與數位曝光技術(DLT)等皆屬於無光罩曝光技術之一環,本文將著重於介紹顯示器產業相關之無光罩材料與製程技術。
 
無光罩數位曝光技術
傳統面板廠以光罩曝光微影製程技術生產(圖二),需開多層光罩,耗時且成本高,只適合單一規格品,無法彈性生產,已面臨生產技術瓶頸。為了解決少量多樣與彈性生產的問題,新興的「無光罩」曝光技術(圖三),愈來愈受到面板產業的重視,這種「數位成像」(Digital Image)的技術,預期將在未來成為製程技術的主流。美國曝光機大廠為因應未來高解析度與高深寬比(High Aspect Ratio)光阻劑材料之應用,也積極對設備進行開發。中國大陸面板廠正建置DLT 6代測試線,目前以中小尺寸AMOLED面板及LTPS TFT背板為主進行研發試製。
 
圖二 傳統光罩(Mask)曝光微影技術(Lithography Technology)
圖二、傳統光罩(Mask)曝光微影技術(Lithography Technology)
 
簡述傳統黃光微影與數位曝光製程如圖四。數位曝光製程具易操作、省時、省成本、對位方便、圖案設計彈性與曝光效能高等特性(圖五),優勢條列簡述如下:①無需光罩製作:省時、省錢、縮短測試循環時程、無需儲存/清洗/修補光罩;②非接觸式曝光:不損傷基板、可配合基板表面微結構/尺寸/形狀彈性曝光;③對位方便:可尺寸/角度補償、多用途對位符號,高精準度(圖六);④動態圖案化:可即時調控校正光阻之曝光量與焦距,可同步圖案化微結構;⑤數位微影:圖案化製程易系統化、追蹤管理;⑥灰階微影(Grayscale Lithography):3D圖案化之微機電/光學元件應用。
 
圖四、傳統黃光微影與數位曝光製程
圖四、傳統黃光微影與數位曝光製程
 
數位曝光應用實例
3. 對位、補償
現階段多晶片模組、系統級封裝、異質整合等高階封裝(Wafer Level Packaging and System-in-Package)應用,根據不同封裝方法和技術需求,將遇到多種不同材料整合在一起,多層疊構則須仰賴數位曝光靈活的失真補償(尺寸/角度補償)和聚焦控制來進行…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
工研院材化所數位曝光材料技術
工研院開發之DLT數位曝光材料技術以TFT背板(目前線寬解析度為3 μm)為載具驗證,未來因應AR/VR或超高解析度面板應用(線寬解析度≦1 μm),數位曝光材料開發以403 nm高感度、高解析為技術布局重點,因應無光罩數位曝光機為單一波長光源(403 nm),傳統光阻材料為Broadband 吸收,最大吸收峰為365 nm,於403 nm感度弱且解析度不足(≧3 μm)等問題,亟需開發之。工研院材化所開發高感度感光劑結構設計與合成技術,建立高感度/高解析度分子設計研發能量,導入適合DLT感光波段官能基,控制吸光波段,開發新感光樹脂結構合成技術,藉此提高材料感度與解析度,其中感光劑與顯影樹脂相容性高(圖九),高感度數位曝光光阻材料配方調控性大…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十一、材化所數位光阻材料曝光顯影驗證
圖十一、材化所數位光阻材料曝光顯影驗證
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》412期,更多資料請見下方附檔。

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