PHOTO工艺.docx

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PHOTO工艺

第九章PHOTO工序

9.1PHOTO工序的目的

9.1.1PHOTO的基本概念

什么是PHOTO?

若是从一个液晶厂内部部门来说，PHOTO指的是黄光部。

但是从工艺来说，在半导体和液晶产业，PHOTO指光刻技术。

当然，这两个概念是有实质联系的，因为在液晶厂内负责光刻方面工作的就是黄光部。

9.1.2PHOTO工序的目的

PHOTO工序的目的是把膜层电路结构复制到以后要蚀刻的玻璃基板上。

主要过程依次如下面图

（一），图

（二）和图（三）所示。

图

（一）图

（二）

图（三）

PHOTO工序主要包含三大步骤，即上图所示的光阻涂布（PRcoating）;曝光（Exposure）;和显影（Develop）.

光阻涂布（如图一），就是在plate（玻璃基板）上涂布光阻。

光阻是一种对特定波长的UV光敏感的有机材质，遇到一定强度的UV光就会发生化学反应，所以PHOTO工序要在黄光下进行。

因为黄光波长大，光子能量低，强度比较弱（不会引起光阻化学反应）并且照明效果不错的光。

光阻涂布制程主要控制光阻的膜厚及其均一性。

曝光（Exposure）是PHOTO的关键，也是ARRAY的关键。

之前说了PHOTO是把膜层电路结构复制到以后要蚀刻的玻璃基板上。

临时电路结构就设计在MASK（光罩）上，光罩上有电路结构区域不透光，没有电路结构区域可以透光。

这样就使上一步骤涂布的光阻经过曝光工序之后，电路结构就从光罩转移到光阻上。

曝光（Exposure）制程的主要参数是CD（线宽）,Totalpitch,Overlay。

Develop即显影。

经过Exposure之后在玻璃基板上喷洒显影液，因为显影液为碱性，对正性光阻而言，被紫外光照射过的光阻可以溶解在碱性显影液中，而未紫外光照射到的部分不溶于显影液。

因此，显影之后，在玻璃基板上，只剩下电路部分有光阻，而其它区域无光阻（注：

本节所指光阻为正光阻，一般TFT段都使用正光阻）。

显影液浓度的控制是显影工艺的关键，浓度的高低会影响到线宽。

显影后送去蚀刻，这样有光阻保护部分（即需要的电路部分）的膜不会被蚀刻掉，而没有光阻保护部分的膜就被蚀刻掉。

这样即形成所需要的电路的。

当然，PHOTO除了上面所述的光阻涂布，曝光和显影之外，还有其它几方面工序组成，如基板进入Photo制程后首先需要清洗（Cleaner）,如分布在各个环节的烘烤（Bake）.下面简述一下PHOTO工序中的清洗和各个烘烤。

在第一层需要刻号（Titler）等。

Cleaner即清洗工艺，目的为了在Coater之前基板表面达到洁净，主要通过E-UV照射分解玻璃基板上的有机物（如下图四所示），然后通过AA-jet,brush等清洁方式将基板表面的各种particle去除,最后用Airknife（图五）将基板表面水分去除。

图四图五

在清洗之后设置Dehydrationbake,主要目的是通过高温将基板表面水分去除。

在光阻涂布之后会设置低压干燥（Lowpressuredry也有称为VacuumDry）.目的是为了去除光阻的溶剂（大约70%），使基板上的光阻迅速固定，同时若此时用高温的方式来蒸发溶剂的话，极易引起火山状Mura.

在低压干燥之后，设置Pre-bake进一步去除光阻的溶剂（剩余30%）。

同样，在显影之后也要设置Bake单元，即所谓的PostBake.目的是去除水分，加强光阻和基板之间的作用力。

需要特别强调的一点是，所有的烘烤单元后都跟有对应的冷却单元，在进入下一个制程前将基板冷却到正常的制程温度（23度左右）。

为对产品进行跟踪，需要在第一道制程时对基板进行刻ID,即Titler.在某些层，还需要进行边缘曝光（EdgeExposure），目的是为了去除基板边缘的光阻，减少对后面制程的影响。

通过上述介绍，我们可以比较清晰的对PHOTO工序各站点按工艺实际依次罗列如下：

基板loader进入—>EUV—>Pre-wet—>Brush—>AA-jet—>Finalrinse—>Airknife—>DehydrationBake—>Cooling—>Coater—>VCD（orLPD）—>Pre-bake—>Cooling—>Exposure—>Titler/EE—>Developer—>Post-bake—>cooling—>基板Unloader出机台。

9.1.3小结

PHOTO工序主要就是通过光阻涂布，曝光和显影将设计好的电路图型写到玻璃基板上。

PHOTO工序介于ThinFilm（镀膜）与Etch（蚀刻）之间,是TFT的关键。

以上只是简单介绍PHOTO工序，详细内容请见之后章节。

9.2Photo技术的发展（光阻涂布/显影部分）及工艺的基本原理

由第一节所述，Photo工序主要包括光阻涂布，曝光和显影。

随着TFT-LCD产业的发展，玻璃基板的尺寸也从20世纪90年代初的300x400mm2（G1）发展到现在的2160x2460mm2（G8）。

Photo工序的各项技术也有了极大的提高。

9.2.1光阻涂布技术的发展和基本原理

随着玻璃面板尺寸的变化，生产技术也发生了巨大的变化。

在光阻涂布/显影方面，技术的更新换代也十分明显。

光阻涂布方面的技术更新如下图所示：

从一代线到四代线，SpinCoater方式是光阻涂布的主流。

首先将光阻滴到玻璃基板中央，然后通过高速旋转产生的离心力，将光阻均匀分布到玻璃基板表面。

从而形成一层均一的光阻膜。

但是，随着玻璃基板尺寸的增大，SpinCoater方式需要更高的转速，要求更大功率的马达。

以六代线为例，如果要形成均一的膜层而且保持比较高的产能，需要100KW的马达，但是在现在还没有研制出100KW的马达。

尽管SpinCoater方式可以获得膜厚均一性较好的光阻膜，但是SpinCoater方式浪费了高达90%的光阻。

而且SpinCoater方式受限于玻璃基板的尺寸，只能涂布小尺寸玻璃基板，涂布大尺寸玻璃基板产能太低，同时如果要涂布膜层比较厚的光阻膜，需要多次SpinCoater。

另外SpinCoater方式还有设备的占地面积很大，需要洗边等缺点。

在SpinCoater方式中，光阻的粘度、旋转加速度决定了光阻膜层的均一性，因此需要在生产工艺中优化这两个参数。

在SpinCoater方式之后发展了Slit&Spin方式，这种方式和SpinCoater方式相比，光阻的利用率有了很大的提高，但是还有80%的光阻浪费。

Slit&Spin方式通过喷嘴将光阻涂布到玻璃基板上，然后通过旋转的方式将光阻均匀分布在玻璃基板上。

但是旋转的速度和加速度没有SpinCoater方式那么大。

涂布光阻和旋转可以在一个工作室内进行，也可以在多个工作室内进行。

在第一步涂布光阻的时候，光阻的均一性不能满足工艺的要求，但是通过旋转之后，光阻的均一性可以达到±2~3%。

Slit&Spin方式存在和SpinCoater方式一样的问题，例如不能满足大尺寸基板的要求，产能低，需要洗边，光阻利用率低等。

SlitCoater方式是目前在TFTLCD中广泛应用的一种光阻涂布的方式。

光阻的利用超过95%，几乎达到100%。

这种光阻涂布方式的工艺参数有：

喷嘴和基板表面的距离，Slit的机械结构，泵的参数，喷嘴和玻璃基板间空气流动的速度等等。

Slit方式可以提高产能，一次扫描即可在大尺寸基板上面涂布一层均一的光阻，不需要洗边，可以涂布六代线甚至更大尺寸的玻璃基板，而且设备占地面积小。

9.2.2曝光技术的发展和基本原理

TFT-LCD曝光技术主要有接近式曝光（proximity）,steppers,光学投影扫描方式（mirrorprojectionscanning）和透镜投影扫描方式（lensprojectionscanning）等。

在TFTLCD，玻璃尺寸小于600*720之前，stepper方式和光学投影方式由于其良好的分辨率和高精度的对准系统，占据了主流。

但是在五代线和六代线以后，受限于透镜尺寸和产能较低，stepper方式不再被采用。

因此在五代线以后，光学投影扫描方式和多镜头投影扫描方式（multi-lensprojectionscanning）占据了主流。

在Colorfilter和STN中，主要采用接近式曝光（Proximity）。

因为接近式曝光和其他曝光方式相比，价格较低而且产能较高。

在TFTLCD曝光设备中，佳能和尼康占据了垄断地位。

但是ColorFilter曝光设备厂家比较多，比如佳能，DNS，日立，尼康，ORC和Topcon。

1、接近式曝光（Proximity）

接近式曝光是一种比较简单的曝光方式，一般在生产STN和ColorFilter中被采用。

接近式曝光是将光罩（Mask）和玻璃基板表面的光刻胶靠近（10~300微米），然后利用高压水银灯发出紫外线曝光，将Mask上的电路图形转移到玻璃基板上面。

在四代线以前，玻璃基板的尺寸比较小，Mask的尺寸通常大于整个玻璃基板的尺寸，因此可以通过一次曝光将整个玻璃基板全部曝光，所以在玻璃基板比较小的时候，接近式曝光的产能比较高，有的设备可以达到80片每小时。

接近式曝光的主要参数是Mask和玻璃基板之间的距离，如果Mask和玻璃基板比较近，可以获得较高的精度，但是会带来Particle，而且减少Mask的使用寿命。

如果Mask和玻璃基板距离太大，分辨率和对准精度降低，而且在玻璃基板的边缘部分会产生阴影，导致图形偏移，衍射。

因此，通过控制Mask和玻璃基板之间的距离，接近式曝光的精度可以达到8微米。

但是大尺寸玻璃基板曝光对于接近式曝光存在以下问题：

为了提高产能，Mask的尺寸必须大于玻璃基板的尺寸，这样通过一次曝光即可将一块玻璃基板完全曝光。

在四代线之前，Mask的尺寸达到了800*960mm。

但是到五代线甚至更大的玻璃尺寸以后，一次曝光不能把一块玻璃基板完全曝光，因此需要通过多次的接近式曝光才能将一块玻璃完全曝光，这样就降低了产能，同时对设备和Mask都提出了更高的要求，设备的价格和Mask的价格也因此而提高。

2、步进式曝光（Steppers）

步进式曝光（Steppers）在TFTarray段，玻璃基板小于600*720mm时占据主流。

Steppers不是通过一次曝光即将整块玻璃基板完全曝光，而是一次曝光相当于投影透镜大小的区域，然后通过一个三轴平台将玻璃基板移到下一个曝光位置，通过多次曝光知道将玻璃基板完全曝光为止。

曝光的次数由玻璃基板的大小和透镜的大小来决定。

以一个132mm2的透镜为例，要曝光一个730*920mm的玻璃需要42次曝光。

由于需要多次曝光，steppers的产能小于接近式曝光和扫描式曝光。

Steppers方式对准精度高，可以达到0.4微米。

可以控制每一次曝光的焦点。

Mask的价格较低，而且使用寿命比较长。

可以通过采用数值孔径较大的透镜达到更高的分辨率。

因此在LTPSTFTLCD中，Steppers方式也占据了主流。

Steppers的缺点是透镜系统价格昂贵，大尺寸玻璃基板产能低。

但是在半导体行业，由于不需要频繁的更换Mask，因此也可以获得高产能，所以Steppers方式在半导体行业广泛应用。

3、光学投影扫描系统

光学扫描投影系统是Canon公司制造的曝光设备，上海天马购买的就是这种系列中的MPA6000。

光学扫描投影系统是由一个高压水银灯发出光，通过照明系统，arcslit，Mask，超镜系统，最后照射到玻璃基板上。

曝光的区域取决于Slit的长度和扫描的距离。

在佳能第二代系统MPA3000，Mask平台和玻璃基板平台在一个移动载具上，一起移动。

但是随着玻璃基板越来越大，平台重量越来越大，产能和精度都会降低，而且设备的占地面积太大。

为了解决这个问题，佳能将Mask平台和玻璃基板平台分开，可以单独移动。

而且在平台下方安装导轨和线性马达，通过激光干涉仪来检测Mask平台和玻璃基板平台的绝对位置和相对位置，保证位置精度小于±1微米。

关于光学投影扫描系统，在下一节会进行具体的说明。

9.2.3显影技术的发展和基本原理

显影技术的发展入下图所示：

玻璃基板曝光，冷却然后显影。

显影单元把玻璃基板上曝光的部分去除，留下为曝光部分（注：

对应正性光阻）。

显影主要有三种形式：

浸润式、旋转式和喷淋式。

在TN型LCD和早期STN型LCD中，由于玻璃基板尺寸较小，采用的是浸润式显影方式。

但是在TFTLCD采用的是后面良种方式。

这两种方式都可以满足TFTLCD的要求。

和喷淋显影方式相比，旋转显影方式需要多次显影，而此产能较低，而且旋转显影会产生雾以及静电。

而且喷淋显影方式显影液的利用率更高，因此喷淋显影方式在TFTLCD5代线以后占据了主流。

喷淋显影首先通过Nozzle将显影液均匀的喷洒在曝光后的玻璃基板上，经过一定的显影时间后，喷洒去离子水，显露出电路图形。

显影技术的发展大大的提高了显影液的利用率以及产品的良率，从而降低了成本。

随着TFTLCD行业的发展，玻璃基板的尺寸越来越大，对于PHOTO工序中的涂胶、曝光、显影技术都提出了更高的要求。

PHOTO工序的各项技术也得到了长足的发展。

目前，在PHOTO工序的涂胶、曝光和显影的关键工艺设备的主要制造厂家都是日本、韩国厂家。

主要有日本的佳能，尼康，DNS，TEL，TOK，Hitachi等。

9.3Photo的设备构成和主要性能指标

1．概述

上海天马微电子有限公司Photo工序设备主要由Canon、TEL（东京电子）和YTS三家设备组成。

其中曝光机是Canon的MPA6000，TiTler&EE是韩国YTS的设备。

其他设备是日本的东京电子（TEL）提供。

另外在清洗单元中ExcimerUV是日本的Ushio提供的。

以下分别就各个设备进行介绍。

2．设备构成及其性能指标

本章节主要针对Photo工艺的流程逐一介绍设备的构成和性能指标，以及PHOTO工序的主要工艺参数和工艺质量评价。

下图是上海天马整个PHOTO生产线的示意图。

2.1清洗工艺

玻璃基板进入Photo工艺的第一个工序就是清洗工艺，主要目的是在光阻涂布之前，将上一工序膜层上的Particle和有机物除去，从而避免在光阻涂布中产生不良和缺陷。

清洗工艺可以细分为：

E-UV照射，滚筒毛刷清洗，水气二流体清洗，风刀干燥以及去水烘干这五个流程。

2.1.1E-UV照射

ExcimerUV（E-UV）是在玻璃基板进入Photo工艺的第一个工序。

E-UV利用高压水银灯发出波长为172nm的紫外光，紫外光将玻璃基板表面的有机物分解，从而提高光阻和膜的附着力。

在水银灯的下方有一个石英玻璃窗，可以将高压水银灯和玻璃基板隔离，在灯室内部还充有N2，从而避免高压水银灯被污染，保证灯的照度和光强。

另外通过PCW来冷却高压水银灯。

如图所示。

2.1.2滚筒毛刷清洗

滚筒毛刷清洗是E-UV之后的第二个工序。

目的是清除薄膜上的Particle。

滚筒毛刷的材质为尼龙，当玻璃基板由滚筒下方传送过去的时候，通过上下两个滚筒接触玻璃上下两个表面进行磨刷，从而除去particle。

在有的工艺中，毛刷不能和玻璃基板表面接触，而是存在一定的间隙，利用毛刷配合去离子水（DIwater）进行清洗。

毛刷和玻璃基板的间距根据清洗的效果来设定，但是在清洗金属膜层的时候，毛刷不能和膜层接触，否则会产生Mura。

毛刷清洗可以除去颗粒半径大于10微米的particle。

另外滚筒毛刷需要定期更换。

毛刷清洗如下图所示：

2.1.3水气二流体清洗

这个流程先将CDA和DIW混合，然后在高压下喷射到玻璃表面，利用气泡和水流的二流体将particle除去。

2.1.4风刀干燥

在二流体清洗之后利用风刀去除玻璃基板表面的水。

风刀干燥主要是通过带有一定压力的气流将玻璃表面的水顺着气流放下吹去。

主要控制参数有：

风刀的角度，风刀和玻璃基板的距离，气体速度和玻璃基板转送的速度。

另外在风刀干燥前需要将玻璃基板预湿，使玻璃基板表面形成均一的水膜，这样风刀干燥之后，不会留下残水，也不容易造成Mura。

风刀干燥如下图所示。

2.1.5去水烘干

水分的存在会影响PR膜层和和薄膜的粘附性。

去水烘干主要是将玻璃放在一定温度的烘箱内通过高温除去表面水分，一般加热温度为100℃。

热板的温度均匀性为±2℃。

加热的方式采用接近式加热（Proximity）。

为了保证加热温度的均匀性，将玻璃基板放在顶针（LiftPin）上面加热。

通过加热一定时间之后，通过冷却水冷却到洁净室环境恩温度（23℃）。

等待玻璃基板冷却到环境温度后送入下游机台。

2.1.6清洗单元设备主要的性能指标如下：

1）玻璃表面的亲水性，可以通过测量接触角（contactangle）表示。

一般要求玻璃基板清洗后检测的接触角小于6°。

2）玻璃表面的particle，可以通过particlecounter等设备来检测玻璃基板表面Particle的数目和大小来检测玻璃基是否清洗干净。

3）根据产品的良率来定。

根据工艺制程生产出产品的良率，得知设备的运行状况和工艺参数的设定是否合理。

2.2光阻涂布工艺

这个流程主要目的是将光阻均匀的涂布在膜层表面。

该工艺可以细分为：

光阻涂布，真空干燥和预烘干。

2.2.1光阻涂布

在上海天马的光阻涂布采用的SlitCoater方式，光阻涂布的过程主要是将光阻通过一个喷嘴喷涂在膜层的表面。

喷涂速度通过压力控制，喷嘴的匀速移动通过线性马达控制。

SlitCoater方式光阻的利用超过95%,几乎达到100%。

喷嘴和玻璃基板的距离，喷嘴移动的速度以及泵的压力是SlitCoater需要控制的重要参数。

SlitCoater光阻涂布的时间比较短，通过一次涂布，即可在玻璃基板上面涂布一层均一的光阻膜。

同时设备的占地面积较小，环境的影响也比较小。

另外为了保证设备工作的精度，需要在SlitCoater下面制造防震台，减小环境对设备的影响。

在光阻涂布的过程中，会有一部分光阻残留在喷嘴上，这部分光阻凝结硬化之后，会影响光阻涂布的效果，导致Mura的产生，因此需要用Thinner定期清洗喷嘴，保证喷嘴的精度。

2.2.2真空干燥（VacuumDry）

在玻璃基板上涂布光阻之后，将玻璃基板送入一个真空腔内，将真空腔密闭后，通过真空泵抽取真空，降低腔内压力至26Pa，将光阻中的大部分溶剂挥发掉，一般通过真空干燥可以将光阻中70%的溶剂挥发掉。

在真空干燥时要注意控制真空压力如果真空压力下降过快的话，会形成火山状的Mura。

2.2.3预烘干（Pre-Bake）

真空干燥后将玻璃基板放入烘箱烘烤，加热的方式和原理类似于清洗单元的去水干燥，预烘干的加热温度为150℃，通过预烘干，将光阻中剩余的溶剂挥发掉，同时增强光阻膜和玻璃基板的粘附力。

然后通过冷却水冷却到环境温度，送入下游机台。

2.2.4光阻涂布工艺的主要性能指标是膜厚及其均一性。

其中：

1）光阻的膜厚可以通过Nanometrix等设备测量获得，光阻膜的膜厚各个厂家的参数不一致，一般在1.5微米左右。

2）光阻膜厚的均一性则可以以膜厚数据为基础计算获得，TFTLCD要求的光阻膜厚均一性不能超过±3%，有的工艺要求在±2%。

2.4曝光工艺

在玻璃基板上涂布光阻后，真空干燥，预烘干，冷却后，将玻璃送入曝光机曝光。

上海天马购买的CanonMPA6000曝光机工作原理如下图所示。

MPA6000主要由照明系统（IlluminationSystem）、套准系统（AlignmentSystem）、Mask平台（Maskstage），基板平台（PlateStage），光学系统（OpticsSystem）组成。

首先通过两个高压水银灯发出紫外光通过椭圆镜汇聚之后发射出来，在通过滤光镜后，一部分光进入照明系统作为曝光的光源，另一部分进入套准系统作为套准光源的一部分。

进入照明系统的光在通过复眼透镜（Fly’seye）将光线均匀分布，然后再通过ArcSlit将光线变成弧形的狭缝光。

通过Mask平台和玻璃基板平台同时移动，将Mask上面的图形转移到玻璃基板的光阻膜层上。

在曝光完一个Shot以后，将玻璃基板移动一段距离，接着曝光玻璃基板的另一部分。

如此重负多次，直到将整个玻璃基板完全曝光为止。

为了保证将Mask上面的图形准确的转移到玻璃基板上面，因此在Mask平台、Stage平台以及Mask都作有标记（Mark），然后通过套准系统，将Mask和Plate准确对准。

从而保证将Mask上面的图形准确的转移到玻璃基板上面。

另外为了精确控制Mask平台和玻璃基板平台的位置，通过激光干涉仪来检测Mask平台和玻璃基板平台的位置信息，然后通过线性马达驱动Mask平台和玻璃基板平台移动，从而保证Mask平台和玻璃基板平台处于准确的位置。

MPA6000的工艺参数有Slit宽度，高压水银灯的照度，MaskStage和PlateStage扫描的速度等。

其中Slit宽度和设备的分辨率有关，分为7mm，9mm，14mm和21mm。

各个公司工艺不一样，会选择不同的Slit宽度。

高压水银灯的照度和MaskStage扫描的速度是相关联了，这两个参数决定了曝光机的照度，为了提高产能，一般会选择比较高的照度，因此可以提高MaskStage扫描的速度，从而提高产量，但是灯的照度提高，会影响到灯的使用寿命，如果灯的使用时间太长，功率过大，灯会爆炸。

因此，需要选择适当的照度。

2.3显影工艺

显影工艺的主要过程是:

正性光阻在经过曝光后从中性变为酸性，显影液是碱性药剂，这样可以通过酸碱中和反应将被曝光的光阻溶解从而形成图像。

显影的流程分为：

显影，清洗以及后烘干

2.3.1显影

显影流程的设备原理主要是通过两个喷嘴来回运动将显影液均匀喷洒到光阻上。

玻璃基板从喷嘴下方传送过去的时候，通过喷嘴的横向运动在基板上面喷淋显影液，同时由于玻璃基板在纵向传送，从而在整块玻璃上面喷淋上一层显影液。

通过显影一定时间以后，将玻璃基板倾斜15°，同时去离子水（DIWater）喷淋玻璃基板，将玻璃基板上面的显影液清除，使用过的显影液可以通过显影回收系统回收。

回收的显影液通过显影控制系统过滤、浓度控制以后可以重新利用。

在TFTLCD采用的显影液TMAH的浓度一般为2.38%（有机膜采用0.4%的浓度）。

根据不同的设备和不同的工艺条件，不同的公司会选择不同的显影液浓度。

上海天马选用的浓度为2.38%的TMAH溶液。

显影温度和显影时间是显影单元需要控制的两个参数。

显影温度太低，则不能把玻璃基板上面的电路图形很好的显影出来，如果温度太过，会发生过显影，影响线宽大小和线宽的均匀性。

上海天马的显影温度是室温（23℃）。

显影时间和显影温度、玻璃尺寸以及线宽大小有关，具体的显影时间需要经过多次试验以后获取。

2.3.2清洗

这里的清洗流程的设备与Photo工艺第一步清洗中的水洗设备结构类似，也是通过带有一定压力的水流喷洒来清洗玻璃表面，从而除去显影过程中酸碱中和产物。

清洗完成后也有风刀来除去玻璃表面大部分的水分。

2.3.3后烘干

后烘干的烘烤原理和前面两个烘烤原理是一样的，是将玻璃放在一定温度的烘箱内通过高温来除去玻璃表面的水分，并塑造光阻的形貌，然后自然冷却后送入下游机台。

显影工艺的主要性能指标是：

1）显影后线宽。

这个可以通过线宽量测设备测量从而得到数据。

2）光阻的表面形貌。

通过切片和SEM电镜扫描等手段观察后可以得到相应的数据。

9.4有机膜工艺流程的介绍

v适用于FPD（FlatPanelDisplay）

1.Gate绝缘膜层的平坦化

2.a-SiTFT的Si