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研究生： 張峻銘
論文名稱： 精密電鑄應用於微圖化耐高溫彩色濾光片製程開發
Micor-patterning of color filter for high-temperature application using electroforming technology
指導教授： 楊啟榮
Yang, Chii-Rong
江政忠
Jaing, Cheng-Chung
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 143
中文關鍵詞： 彩色濾光片 、黃光微影 、精密電鑄 、電子槍蒸鍍 、光學偵測器
英文關鍵詞： color filter, photolithography, electroforming, E-gun evaporation, optical sensor
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：169  下載：0 
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    • 摘 要
    由於科技日新月異，輕、薄、短、小、精已成為產品主流趨勢，光電系統中的光學薄膜微圖化製程技術的需求也日益增加。在目前的顯示技術中，彩色濾光片微圖化製程，都是使用印刷、染料或顏料的塗佈技術，不過此技術的最大缺點是染料或顏料的耐熱度較低，工作時不能承受太高的溫度，這對使用高流明的顯示技術將是一大問題。且染料或顏料是以吸收可見光不同波段的方式來呈現色彩，這將會損耗較多的能源或需要更高流明的燈泡。再加上染料或顏料的色彩已固定，如果設計不同的顯示顏色需求，將必須重配染料或顏料的成份組成，這是一件很困難的工作。因此本研究鑒於這些缺點，將結合「黃光微影」、「精密電鑄」與「電子槍蒸鍍」技術，用以製作一微圖化可耐高溫的彩色濾光片，其具有高光穿透性、高解析度、色度純、化學穩定度高以及可耐高溫的彩色濾光片。這樣的製作方式與IC製程的相容性高，可以迅速地被加入相關產業應用，並用於投影機、光學偵測器或生醫檢測方面以及其他光學的應用。
    實驗的結果證實以金屬取代厚膜光阻，當作薄膜製鍍時的金屬遮罩，用以定義光學薄膜的微圖案。並完成製鍍直條紋與馬賽克圖案排列，線徑寬度為20 m的R與B波段濾光片，以及量測薄膜的光穿透率，其平均穿透率 達90 %以上。証實了本研究所開發的製程，可成功製作微圖化的光學介質膜。

    關鍵詞：彩色濾光片、黃光微影、精密電鑄、電子槍蒸鍍、光學偵測器

    Abstract
    There is an increasing need on fabricating optic films with micro-pattern for optoelectronic devices. Dispersion methods, such as dyeing, pigment and printing, are currently used in preparing color filters for display technology. However, bad thermal stability of manufacturing coating materials is a great challenge for high-luminant displays. In this study, we used photolithography to define the growth of Ni films by electroforming. The Ni films can be used to replace photoresist as mask to selectively deposit optical films by E-gun evaporation. Straight and mosaic patterns are chosen as arrangements of R, B and G color films. The average light transmittances of the color films are larger than 90 %. The experimental results show that the process can be used to fabricate optical films with desired micro-patterning. We have successfully demonstrated the use of photolithography, electroforming and E-gun evaporation technologies to fabricate chemically and thermally stable micro-patterned optical films with high light transmittance, resolution and color purity. Because of good compatibility with IC manufacturing process, our method can be quickly adapted in applications of projector, optical sensor and bio-inspection.
    Keywords：color filter, photolithography, electroforming, E-gun evaporation, optical sensor

    總 目 錄 誌謝 Ⅰ 摘要 Ⅲ 總目錄 Ⅴ 表目錄 Ⅶ 圖目錄 Ⅷ 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 第二章 文獻回顧 4 2.1 類LIGA製程與精密電鑄 4 2.1.1 類LIGA製程應用 4 2.1.2 UV厚膜光阻微影技術 5 2.1.3 精密電鑄技術 6 2.2 電子槍蒸鍍系統 9 2.3 LCD之彩色濾光片 11 2.3.1 彩色液晶顯示器 11 2.3.2 LCD彩色濾光片的基本構造 11 2.4 LCD彩色濾光片製作方式之分類 21 2.4.1 印刷法 21 2.4.2 染料法 22 2.4.3 電著法 23 2.4.4 顏料分散法 24 2.4.5 LCD彩色濾光片製作方式之比較 25 2.5 投影機之彩色濾光片 33 2.5.1 投影機之構造與原理 33 2.5.2 投影機濾光片之改進 34 第三章 彩色濾光片之設計與製程規劃 44 3.1 彩色濾光片之設計 44 3.1.1 彩色濾光片之光罩設計 44 3.1.2光學薄膜模擬與設計 46 3.1.3精密電鑄之材料選擇 49 3.1.4彩色濾光片玻璃基板之選擇 50 3.2 彩色濾光片之製程規劃 70 3.3 實驗設備 80 第四章 實驗結果與討論 89 4.1 光阻結構製程 89 4.2 金屬遮蔽層製作 95 4.3 光學薄膜的製鍍 106 4.4 舉離法剝離金屬遮蔽層 127 第五章 結論 137 第六章 未來展望 138 參考文獻 139 表 目 錄 表2-1 製程可控制的參數範圍 10 表2-2 玻璃基板的熱膨脹係數規格 18 表2-3 玻璃基板的平坦性（Flatness）規格 18 表2-4 各種BM材料的性質比較 19 表2-5 TFT-LCD模組使用之背光燈管對RGB三個色層之透光率 19 表2-6 RGB三顏色一般色度值 20 表2-7 光阻的組成成分 32 表2-8 彩色濾光片的製作方式之特性比較 32 表3-1 RGB三個波段之慮光片設計規格 57 表3-2 光學膜R波段製鍍材料、幾何厚度與鍍膜層數 58 表3-3 光學膜G波段製鍍材料、幾何厚度與鍍膜層數 59 表3-4 光學膜B波段製鍍材料、幾何厚度與鍍膜層數 61 表3-5 AZ-4620光阻旋塗厚度8 m的轉速與時間 77 表3-6 AZ-4620光阻旋塗厚度10 m的轉速與時間 77 表3-7 AZ-4620光阻厚度8 m的曝光参數 77 表3-8 AZ-4620光阻厚度10 m的曝光参數 78 表3-9 AZ-4620光阻厚度8 m與10 m的顯影與曝後烤参數 78 表3-10 金屬遮蔽層製備参數 78 表3-11 電鑄前處理参數 79 表3-12 製鍍所需波段的光學薄膜製備参數 79 表3-13 實驗設備 82 圖 目 錄 圖1-1 15吋面板成本結構 3 圖1-2 TFT LCD 用之彩色濾光片材料成本比率 3 圖2-1 LIGA製程流程 7 圖2-2 電鑄技術應用產業及產品圖 8 圖2-3 鎳電鑄系統架構與陰陽極反應示意圖 8 圖2-4 電子槍蒸鍍系統系統架構 10 圖2-5 液晶顯示器的主要構造 16 圖2-6 LCD示意圖 17 圖2-7 彩色濾光片的構造 17 圖2-8 印刷法製程圖 26 圖2-9 染料法製程圖 27 圖2-10 電著法電解槽反應示意圖 28 圖2-11 電著法製作濾光片陣列之示意圖 29 圖2-12 電著法製程圖 30 圖2-13 顏色分散法製程圖 31 圖2-14 DLP 投影機示意圖 37 圖2-15 DMD晶片示意圖 37 圖2-16 三片式LCD投影機的構造 38 圖2-17 利用不同光阻的曝光溶解率製作彩色濾光片 39 圖2-18 使用黃光微影技術與舉離法，在晶圓上製作彩色濾光片陣列 40 圖2-19 條紋圖案濾光片 41 圖2-20 使用黃光微影技術定義光學薄膜 42 圖2-21 六種顏色的彩色濾光陣列模組圖 43 圖2-22 六種顏色的彩色濾光陣列，光學薄薄膜的穿透光譜圖 43 圖3-1 彩色濾光片製作之實驗流程圖 52 圖3-2 光罩1光學膜R波段光罩圖案 53 圖3-3 光罩2光學膜B波段光罩圖案 54 圖3-4 光罩3光學膜G波段光罩圖案 55 圖3-5 光罩1光學膜R波段之圖案對準記號設計 56 圖3-6 光罩2光學膜B波段之圖案對準記號設計 56 圖3-7 光罩3光學膜G波段之圖案對準記號設計 56 圖3-8 三道光罩的對準記號彼此間之相對位置 57 圖3-9 模擬軟體設計之光學膜R波段光譜圖 62 圖3-10 模擬軟體設計之光學膜G波段光譜圖 63 圖3-11 模擬軟體設計之光學膜B波段光譜圖 64 圖3-12 康寧1737玻璃與Cr-7蝕刻液，浸泡時間與穿透光譜之關係 65 圖3-13 B270玻璃與Cr-7蝕刻液，浸泡時間與穿透光譜之關係 66 圖3-14 石英玻璃基板與Cr-7蝕刻液，浸泡時間與穿透光譜之關係 67 圖3-15 ITO玻璃基板與Cr-7蝕刻液，浸泡時間與穿透光譜之關係 68 圖3-16 康寧1737玻璃與HNO3蝕刻液，浸泡時間與穿透光譜之關係 69 圖3-17 彩色濾光片製程流程圖 76 圖3-18 黃光微影製程設備圖-光阻旋塗機 83 圖3-19 黃光微影製程設備圖-熱墊板 83 圖3-20 黃光微影製程設備圖- UV曝光機 84 圖3-21 黃光微影製程設備圖-超音波震盪器 84 圖3-22 物理氣相沉積製程設備圖-熱蒸鍍系統 85 圖3-23 物理氣相沉積製程設備圖-電子槍鍍膜機 85 圖3-24 電鑄製程設備圖-銅/鎳電鑄系統 86 圖3-25 量測儀器設備圖-工具顯微鏡暨影像量測與儲存系統 86 圖3-26 量測儀器設備圖-掃描式電子顯微鏡 87 圖3-27 量測儀器設備圖-表面輪廓量測儀 87 圖3-28 量測儀器設備圖-分光光譜儀 88 圖4-1 直條紋圖案且線徑大小為20 m的SEM光阻結構圖 91 圖4-2 直條紋圖案且線徑大小為10 m的SEM光阻結構圖 91 圖4-3 馬賽克圖案且線徑大小為20 m的SEM光阻結構圖 92 圖4-4 馬賽克圖案且線徑大小為10 m的SEM光阻結構圖 92 圖4-5 直條紋圖案且線徑大小為20 m的光阻結構圖 93 圖4-6 直條紋圖案且線徑大小為40 m的金屬遮蔽層結構圖 93 圖4-7 曝後烤的時間不足，導致光阻圖案產生破裂的現象 94 圖4-8 光阻圖案破裂現象OM放大圖 94 圖4-9 邊角銳利的金屬遮蔽層結構 99 圖4-10 直條紋圖案電鑄Ni之金屬遮蔽層OM圖 99 圖4-11 馬賽克圖案電鑄Ni之金屬遮蔽層OM圖 100 圖4-12 競爭性反應現象 100 圖4-13 以滴管方式蝕刻區域的穿透率光譜圖 101 圖4-14 電鑄Cu製作金屬遮蔽層 102 圖4-15 金屬Cr無法蝕刻乾淨的穿透率光譜圖 103 圖4-16 完全乾淨去除電鑄起始層Cr/Cu的金屬遮蔽層圖案 104 圖4-17 搭配使用Cr-473蝕刻液蝕刻的穿透率光譜圖 105 圖4-18 直條紋圖案且線徑大小為20 m的光學薄膜R波段OM圖 111 圖4-19 直條紋圖案且線徑大小為10 m的光學薄膜R波段OM圖 111 圖4-20 馬賽克圖案且線徑大小為20 m的光學薄膜R波段OM圖 112 圖4-21 馬賽克圖案且線徑大小為10 m的光學薄膜R波段OM圖 112 圖4-22 具有光學薄膜R與B波段，並欲製鍍G波段薄膜的直條紋圖案，線徑大小為20 m之OM圖 113 圖4-23 具有光學薄膜R與B波段，並欲製鍍G波段薄膜的直條紋圖案，線徑大小為10 m之OM圖 113 圖4-24 具有光學薄膜R與B波段，並欲製鍍G波段薄膜的馬賽克圖案，線徑大小為20 m之OM圖 114 圖4-25 具有光學薄膜R與B波段，並欲製鍍G波段薄膜的馬賽克圖案，線徑大小為10 m之OM圖 114 圖4-26 模擬設計與實驗製鍍光學薄膜R波段光譜之間的差別 115 圖4-27 修正參數後，模擬設計與實驗製鍍光學薄膜R波段光譜之間的差別 116 圖4-28 使用舉離法剝離金屬遮蔽層後，光學薄膜R波段之光譜圖 117 圖4-29 模擬設計與實驗製鍍光學薄膜B波段光譜之間的差別 118 圖4-30 修正參數後，模擬設計與實驗製鍍光學薄膜B波段光譜之間的差別 119 圖4-31 使用舉離法剝離金屬遮蔽層後，光學薄膜B波段之光譜圖 120 圖4-32 完成二次完整製程的光學薄膜R波段光譜 121 圖4-33 模擬設計與實驗製鍍光學薄膜G波段光譜之間的差別 122 圖4-34 模擬設計與委託製鍍光學薄膜G波段光譜之間的差別 123 圖4-35 使用舉離法剝離金屬遮蔽層後，光學薄膜G波段之光譜圖 124 圖4-36 完成完整製程的光學薄膜R波段光譜 125 圖4-37 完成完整製程的光學薄膜B波段光譜 126 圖4-38 舉離效果不佳時，金屬遮蔽層會局部地留在玻璃基板 130 圖4-39 搭配使用硝酸與Cr7蝕刻液兩種蝕刻液，其舉離效果很好 130 圖4-40 直條紋方式排列線徑寬度為20m的SEM剖面圖 131 圖4-41 降低金屬遮蔽層厚度後線徑寬度20m的光學薄膜 131 圖4-42 直條紋排列線徑寬度為10m的SEM剖面圖 132 圖4-43 降低金屬遮蔽層厚度後線徑寬度10m的光學薄膜 132 圖4-44 降低金屬遮蔽層厚度後，馬賽克排列線徑寬度為10 m之SEM剖面圖 133 圖4-45 降低金屬遮蔽層厚度後，馬賽克排列線徑寬度為20 m之SEM剖面圖 133 圖4-46 直條紋方式排列的光學薄膜R與B波段之薄膜結構圖 134 圖4-47 經一次重複製程後，光學薄膜R波段的薄膜結構放大圖 134 圖4-48 馬賽克方式排列的光學薄膜R與B波段之薄膜結構圖 135 圖4-49 光學薄膜R與B波段，部分重疊的薄膜結構放大圖 135 圖4-50 直條紋方式排列的光學薄膜R、B與G波段之薄膜結構圖 136 圖4-51 馬賽克方式排列的光學薄膜R、B與G波段之薄膜結構圖 136

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