フラットパネルディスプレイ概論（8）FPD の製造技術（1）a-Si TFTアレイ製造
Introduction to Flat Panel Display (8) Production Technology of FPD (1) a-Si TFT Array Manufacture
Ukai Display Device Institute代表

工学博士

鵜飼育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Institute

型化しても変わらず、スケールアップしてきた。このことが、

1. はじめに一大産業としての地位を確立した大きな要因といえる。

FPDとして揺るぎない地位を確立したa-Si TFT-LCDの製造技術としての工程と装置に関して、今回と次回で概説する。今回は、TFTアレイ製造工程と装置に関して述べる。第 1 世代と呼ばれる300mm 角からスタートしたガラス基

TFT-LCDは一般に、図 1に示すように、ガラス基板上に板は、今や第 10 世代（約 3m 角）と大型化し、面積ではa-Si TFTのスイッチング回路を作り込むアレイ工程と、別の100 倍となった。正しく、Giant Microelectronics が大きく花ガラス基板上にRGB3 原色の層を作り込むカラーフィルタ開いた結果といえる。製造装置の原理は基板サイズが大（CF）工程、アレイ工程で完成したアレイ基板とCF 基板を

図 1 TFT-LCDモジュールの生産工程

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2. a-Si TFT-LCD の製造工程

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（通巻 224 号）

フラットパネルディスプレイ概論（8）FPD の製造技術（1）a-Si TFT アレイ製造

貼り合わせて液晶を注入する液晶セル工程、および完成し真空排気室に送り込む。その後、中央の真空室をコアにた液晶セルにドライバー（駆動回路）や、バックライトユニットして、その周囲に配置された加熱室・成膜室に順次送り（BLU）等を組み込んでディスプレイにするモジュール工程込まれ処理が行われる。インライン式の装置と比べたメリッの 4 工程で生産される。各工程の製造プロセスの概要を

トは、装置のフットプリントが小さいことと、複数室での処理

図2（次頁）に示す。大型 a-Si TFT-LCDの生産では、大画と基板の出し入れが並行して行うことで生産効率が上げ面化、高精細化、高画質化（特LC-TV用途として高輝度、られること、ガラス基板のみを搬送するためにトレーから発高コントラスト、広視野角、高速応答等）、コストダウンに対生するパーティクルがないこと、などである。一方、課題と応するため、ガラス基板の大型化とこれに対応した製造装しては、ガラス基板を直接ハンドリングすることによる基板置、高画質化を実現するIPS（In-Plane Switching）、VAへのダメージやハンドリング・ロボットからのパーティクルの（Vertical Align）モード等の液晶表示モードに対応した製発生、成膜室内での膜付着によるパーティクルの発生、な造工程など、製造装置・工程は大きく進展してきた。

どである。また、生産性向上のために、タクトタイムの高速化が求められロボットの高速化、加熱・成膜処理の高速

3. TFT アレイ製造工程と装置化などで対応してきた。

アレイ工程は、洗浄、成膜、パターニング、エッチングの本構造は何ら変化なくスケールアップが行われてきた。

一連の工程が、ゲート電極、半導体、ソース・ドレイン電現在、基板サイズが約 3ｍ角と大型化しているが、基（1）プラズマ CVD（PECVD：Plasma Enhanced

極、保護膜、画素電極工程と、数回繰り返して行われる。

Chemical Vapor Deposition）

各工程には工程検査が、最後にはアレイ検査が行われ

PECVD 装置は、真空に排気されたプロセスチャンバーる。さらに検査後に修正が行われることもある。この傾向

内に混合した反応ガスを導入し、高周波放電によりプラズは、パネルサイズの大型化と面取り数の減少に伴う歩留まマを励起し、数百〜数千 Å の膜厚で薄膜を成膜する装りの低減を防ぐ目的で増している。一般に洗浄、パターニ置である。膜特性は TFT のスイッチング特性の優劣を決ング、エッチング等ウエットプロセスの装置は、各工程とも定するため、プラズマ CVD 技術はa-Si TFT のアレイ工程同型の装置が用いられることが多い。の中でも最も重要な技術である。a-Si TFT 製作には 3 か3.1 成膜工程・装置ら4 工程の PECVD 装置が必要である。特に、積層膜の先ずは、成膜プロセスとしてのプラズマ CVD（PECVD:形成は TFT のスイッチング特性を決める重要な工程であPlasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）装置およる。ここの膜は滑らかで、ダングリングボンド密度が小さく、びスパッタリング（PVD: Physical Vapor Deposition）装置かつ化学量論的組成であることが要求される。
また、個々について説明する。これら真空を使った装置は、過去第 1の膜境界には清浄な界面特性が求められることから、真世代から第 2 世代に移行する際に大きなイノベーションがあった。それは、図 3に示すような、インライン式から枚葉式へのコンセプトの変更である。
インライン式のコンセプトでは、一つのトレーに複数枚の基板を載せ、加熱や成膜のため真空室に送り込まれて処理が行われた。この場合、基板の搬送にトレーを使うため、搬送時の機械的摩擦や、長時間付着した膜が剥がれ落ちるなどの原因で不良が発生することが多かった。
一方、装置自体のサイズも大きく、複数枚基板のバッチ処理ということもあって、ガラス基板の大型化には向いていなかった。このような欠点を改善したのが第 2 世代から登場した枚葉式の装置である。枚葉式の装置は、前面にあるカセット・ステーションからガラス基板のみを取り出し、

図 3 PECVD 装置のイノベーション

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空中で連続して成膜することが必要とされる。
TFT-LCD の量産に用いられているPECVD 装置は前述のように、インライン式から枚葉方式に変わってきた。プ
ラズマ励起用電極は、大面積に均一なプラズマを安価で得るために、主に 13.56MHz の高周波放電での平行平板電極方式が用いられている。ガラス基板は高周波電極と対向した接地電極（アノード）側に設置される。
図4にAKTのプロセスチャンバーの断面模式図を示す。
膜質は、①ガス流量、②プロセス圧力、③高周波電力、

1. チャンバー内を高真空排気し、Arガスを添加
2. 2 極間に高電圧を印加し、プラズマを発生させる。
3. プラズマによりArイオン（Ar+）と電子（e‐）
が発生する。
4. Ar+はターゲットに向かって加速され、ターゲットに衝突する。
5. この衝撃によって、ターゲット材原子が弾き飛ばされる。
6. 弾き飛ばされたターゲット材原子が Glassに付着し、薄膜が形成
図 4 AKT PECVDプロセスチャンバ断面

図 2 TFT-LCDモジュール製造プロセス

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（通巻 224 号）（AKT 資料）される。
図 5 スパッタリング（ＰＶＤ）の原理

フラットパネルディスプレイ概論（8）FPD の製造技術（1）a-Si TFT アレイ製造④電極間距離、⑤基板温度の各パラメータを最適化するどに対する保護膜の形成（パターンニング）を行うプロセス

ことによって制御される。AKTのPECVD 装置で最も特徴である。フォトリソグラフィ（フォトリソあるいはリソとも略す）のある機 能は、リモート・プラズマ・ソース・クリーニング

は、洗浄（前処理）、レジスト塗布、プリベーク、露光、現（RPSC）技術である。チャンバ内のウェットクリーニング無し像、ポストベークの工程からなる。図 6 にフォトリソグラフィに一ヶ月かそれ以上連続して安定した成膜が得られ、ま工程の概念を示す。

た、チャンバ内の部品寿命も長い。

歩留まりに大きく影響するパーティクル管理に関しては、（2）
スパッタリング（Sputtering）

アレイ工程中最も頻繁に基板が通過するフォトリソ工程でスパッタリングとは、図 5に示すように高エネルギーの粒の管理が重要である。レジスト塗布前・塗布中のパーティ子を衝突させて物体の表面から原子を放出させて、TFTクルや露光前のパーティクル付着、現像工程のミストなど、アレイの金属配線などとなる薄膜を形成するプロセスであ装置ごとの対応と共にフォトリソ･ライン･トータルとしてのる。TFT-LCD の製造工程においてスパッタリング（SP）装考えが重要である。

置を利用するのは、① TFT 側ゲート、ソース/ドレインの配（1）露光

線電極とITO（透過型）
もしくはAl や Ag（反射型）の画素露光装置とは、TFT-LCD の製造工程において、液晶電極、②カラーフィルタ（CF）側の ITO 電極とブラックマトを制御するのに必要なTFTアレイパターンをガラス基板上リックス（BM）膜である。第 1 世代のラインでは、TFT 側、に転写するためのものである。露光装置は、微細なパター

CF 側のどちらもインライン装置であったが、第 2 世代では、ンを基板上に転写するための露光光学系、マスクと基板TFT 側は前述のように枚葉式が開発され主流になった。

を高精度に位置合わせするためのアライメント系、マスクTFT 側の基板は基板全面をスパッタリングするために枚と基板の自動搬送系より構成される。

葉式の採用が有利となるが、CF 側はマスクスパッタリング

露光装置のタクト･タイムを落とさないためには、マスクが必要なため枚葉式のような搬送方法が取れないためでの大型化が必要であるが、それ以外にも、単位面積当たある。

りの露光エネルギーを一定に保つためにランプ・パワーを3.2 フォトリソグラフィ工程・装置上げていくこと、ステージの大型化に伴い精度を保持するためにはステージが強固なものになり、重量が増すなどのフォトリソグラフィ（Photolithography）とは、光に対して課題がある。

化学反応をする材料を用いて、エッチング、イオン注入なHMDS処理

レジスト塗布

プリベーク

露光現像

マスク

Si（CH3）3 Si（CH3）3O
O

レジストをスピンコート
HMDS（ヘキサメチルジシラザン）
密着性向上
表面を疎水性に変化させる

ポストベークベークで溶液を飛ばす

透過部が可溶：Posi（Line,C/Hなど）
透過部が不溶：Nega
（CF用）

TMAH：
テトラメチルアンモニウム
ハイドロオキサイド（2.38％）

ステッパー
光源
マスク

F

g線 ：436nm
h線 ：405nm
i線 ：365nm

投影レンズ

F

プレート

← 投影像は縮小・反転

図 6 フォトリソグラフィの工程概念図

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マスクの大型化に関しては、マスク1 枚当たりのコストおいてはコンタミネーションの影響も大きく、膜の密着性がが非常に大きくなり、マスク･コストがパネルに占める影響歩留まりのみならず表示デバイスの信頼性にも重要であが大きくなる。基板大型化による露光装置自身の投資生り、半導体並みかそれ以上の要求もあり、プロセスの鍵を産性と共にマスクのコストアップを慎重に見積もる必要が握っている。

ある。一方で、前述のマスク数削減や高精細化の流れの洗浄方法は汚染物により異なり、大別すると物理的洗中では、プロセス精度の向上が要求されており、フォトマス浄方法と化学的洗浄方法の 2 種類がある。物理的洗浄

クのパターン精度と合わせて露光装置のパターン精度の方法にはブラシ洗浄、超音波（US）洗浄、高圧ジェット、ド向上が必須になってきている。

ライ洗浄などがある。化学的洗浄方法にはオゾン水洗

特に、現在実用化されている4 枚マスクのプロセスで浄、中性・酸 ･アルカリ洗剤、化学洗浄液などのウェット処

は、TFT のチャネル部分に「中間調露光いわゆるハーフ理と、UV 照射によるO 3 の有機分解によるドライ処理とがトーン露光」を適用するために、間隔の狭いスリット状のパある。洗浄目的の汚染物質と、特に TFT 基板の場合はターンを必要としている。このため、フォトマスク上に描かれるパターン精度が、これまでの± 0.5μm 程度から、その半分以下の精度が要求されている。本装置によりTFT-LCDの表示性能およびコストは大きく左右される。露光方法には、図 7に示したように3 種類がありいずれの方式も量産に用いられている。
（2）
洗浄
TFT-LCD 製造プロセスでは、各種の洗浄装置が必要とされる。カラーフィルタも含めると、初期受け入れ洗浄、成膜前洗浄、レジスト塗布前洗浄、剥離後洗浄、配向膜塗布前洗浄、ラビング後洗浄、仕上げ洗浄など 20 回以上にも及ぶ洗浄工程がある。これらの洗浄はその後のプロセスの歩留まりに大きく影響するため非常に重要である。パーティクルについては洗 浄 前に比 較し除 去 率で99％、クラス10 対応が必要である。また、成膜プロセスに

図 8 レジスト塗布方式の変遷

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図 7 露光方式の種類

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静電ダメージなどを考慮し、物理的洗浄方法と化学的洗テグレーションに必要な多層膜のエッチングに関しても、浄方法を組み合わせた洗浄を行う必要がある。

エッチング・ガスの切り替えだけで容易に対応できる。ま（3）
レジスト塗布た、膜質の違いに左右されずテーパ形状が制御し易いとレジスト塗布の方式は、図 8に示すように、ガラス基板の大型化に伴って、スピン方式からスリット方式へと変遷して言う点でもドライ・エッチング方式が優れており、今後のプロセス・インテグレーションには必須の技術と言える。

きた。この方式は、レジストを基板中央部にある程度のレジ一方、レジストや下地膜への選択比では、ドライ・エッチストを滴下した後、ガラス基板を回転させ遠心力によってングの方が小さい。メタル系材料のエッチングにおいて基板全体に塗布するものである。しかし、実際に塗布されは、特にレジストの熱的なダメージ（変質）が起こりやすい

る量はほんの僅かであり、90％ものレジストが捨てられていため、エッチング・レートを大きくすることができない、と言うた。次に登場したのは、基板を静止した状態で基板の広不具合もある。

い面積にわたってスリット状のノズルを移動させながら塗布し、その後従来通りガラス基板を回転させてレジストを広げ

表１ドライエッチングとウエットエッチングの比較

ドライエッチング

ウェットエッチング

エッチング溶媒

ガス液

加工精度

良好

膜質に依存

テーパー加工法

可能

材料、膜質に依存

サイドエッチ量小（異方性エッチ）

大（等方性エッチ）

選択比

比較的小

比較的大

プロセスダメージ

大きい（プラズマダメージ）

小さい

装置価格

高価（真空装置）

安価るものである（Extrusion ＆Spin）。最近の大型基板用では、スキャン塗布のみでレジストを基板全面に塗布する（Extrusion）、いわゆるスピンレス塗布（Spin-less）
が主流になっている。
（4）
現像
現像工程では、露光されたフォトレジスト剤やカラーレジストの現像処理をして、エッチングに必要なレジストパターンを形成する。現像装置も上述の洗浄装置等と同じように、ガラス基板サイズの大型化に伴ってスピン方式から平流し方式に変遷してきた。現像の均一性に関しては、現像液の塗布開始から終了までを出来るだけ短時間で行わなければならない。
（5）
ベーク装置
ベーク装置は、洗浄後のデハイド・ベーク、塗布後のプリベーク、現像後のポストベークに用いられる。通常は、レジスト塗布装置、現像装置に組み込まれて使用される。
オーブンの面内温度均一性は、プリベークユニットに於い4. おわりにて± 3℃が求められる。

日本の装置メーカーおよびディスプレイメーカーの技術（6）
エッチング・剥離者の寝食を忘れた努力の成果として、a-Si TFT の生産

エッチング工程は、ドライ・エッチング方式とウェット・エッ技術が確立した。しかし、今や日本からスタートしたこのビチング方式に大別される。また、
ドライ・エッチング後のレジジネスは、韓国、台湾および中国に拡大し、日本の地位はスト剥離工程としても、アッシング方式やウェット剥離方式日々沈下している。しかも、装置を購入すれば物を作れるがある。このアッシング処理は、ドライ・エッチング処理に続ようになり、この技術は完全にコモディティ化してしまった。

いて同一装置で行うことがある。

しかし、過去を嘆いていては何も始まらないことをよく自ドライ・エッチングとウェット・エッチングを比べることにす覚し、未来を信じて前進することが今求められている。技る（表 1 参照）。
ドライ・エッチングではプロセス性能として術者には、「温故知新」の言葉の意味をよく理解し、ロマエッチングの制御性、面内均一性に関しては優れており、ンを抱いて「Never Give-Up」の心意気が必要である。

基板の大型化が進む TFTアレイ工程において非常に有利である。特に、フォトマスク数の削減などのプロセス・イン

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