G2.5高分辨率TFT掃描投影曝光機(jī)

周 暢，高孝裕，李喜峰

(1.上海微電子裝備有限公司，上海201203；2.昆山工研院新型平板顯示技術(shù)中心有限公司，江蘇 昆山215300；3.上海大學(xué)新型顯示及應(yīng)用集成技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200444)

1 AMOLED 發(fā)展及高分辨率曝光技術(shù)

AMOLED 顯示被稱(chēng)為繼LCD 顯示后的第三代顯示技術(shù)，其顯示器件不僅具有自發(fā)光、更薄更輕、無(wú)視角問(wèn)題、高清晰、高亮度、響應(yīng)快速、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]，還是當(dāng)今唯一支持高性能柔性顯示的技術(shù)[2]，因此國(guó)內(nèi)外各面板廠無(wú)一不高度重視此項(xiàng)技術(shù)，并紛紛投入巨資研發(fā)，尤其三星S6 Edge 的發(fā)布，更是讓業(yè)界看到了AMOLED 的廣闊未來(lái)。目前國(guó)內(nèi)維信諾、天馬、和輝等企業(yè)的AMOLED產(chǎn)線都已經(jīng)建成，標(biāo)志著與國(guó)外的差距正在逐漸縮小。隨著人們對(duì)移動(dòng)終端顯示性能要求的逐漸提高，2K 顯示已經(jīng)較為普及，無(wú)論TFT-LCD 還是AMOLED，曾經(jīng)讓人望而怯步的300～400 PPI 顯示分辨率如今已不再稀奇，高達(dá)500～600 PPI 顯示分辨率的4K 顯示也已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)品化了[3，4]。如此高分辨顯示除了需要像LTPS 這樣的高電子遷移率材料支持外，還需要高分辨率曝光技術(shù)[5]在精細(xì)的像素區(qū)域內(nèi)完成TFT 電路的制造，原有用于a-Si 工藝的3 μm 以上分辨率的曝光機(jī)顯然再不能滿足現(xiàn)在的曝光要求，3 μm 甚至2 μm 以下的曝光機(jī)成為老線升級(jí)或新線建設(shè)的必需設(shè)備。

SSB225/10 曝光機(jī)是上海微電子有限公司研制的支持400 mm×500 mm 基板尺寸、具有2 μm分辨率的高精度掃描投影曝光機(jī)，它在SSB200步進(jìn)機(jī)型[6]的技術(shù)基礎(chǔ)上，采用全新的產(chǎn)品平臺(tái)開(kāi)發(fā)，并針對(duì)移動(dòng)終端顯示器件研制了具有高分辨率和大視場(chǎng)特點(diǎn)的曝光系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)不超過(guò)325 mm(13 英寸)顯示面積的非拼接曝光和更大顯示面積的拼接曝光，擔(dān)當(dāng)起G2.5 研發(fā)線及生產(chǎn)線的高精度TFT 曝光任務(wù)。同時(shí)，該平臺(tái)可以進(jìn)一步擴(kuò)展到G4.5 基板尺寸，實(shí)現(xiàn)更高世代的曝光機(jī)產(chǎn)品。

2 G2.5 高分辨率TFT 投影曝光機(jī)

SSB225/10 投影曝光機(jī)（如圖1）采用整體主動(dòng)減振結(jié)構(gòu)，隔振部分包括照明系統(tǒng)、投影物鏡、掩模臺(tái)、工件臺(tái)、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)。設(shè)備采用密封腔體設(shè)計(jì)，腔體溫度控制系統(tǒng)通過(guò)整體循環(huán)送風(fēng)方式控制對(duì)準(zhǔn)及曝光過(guò)程的環(huán)境潔凈度、濕度、溫度，設(shè)備內(nèi)部潔凈度為CLASS 10 級(jí)，溫控精度達(dá)到±0.1 ℃，激光干涉儀等局部溫控精度達(dá)到±0.05 ℃，可有效保證曝光圖形的尺寸（Total Pitch）精度。該設(shè)備通過(guò)照明狹縫掃描方式實(shí)現(xiàn)大面積動(dòng)態(tài)曝光成像（如圖2），也是國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)可量產(chǎn)的分步式掃描投影曝光機(jī)。

圖1 G2.5 TFT 掃描投影曝光機(jī)

圖2 以狹縫照明方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描成像

曝光系統(tǒng)采用窄波帶i 線（波長(zhǎng)365 nm）照明光源，雙遠(yuǎn)心成像光路，投影物鏡通過(guò)2 倍放大成像及基于波像差WFE 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小畸變、大視場(chǎng)、高分辨率光學(xué)系統(tǒng)：成像視場(chǎng)尺寸180 mm×260 mm 對(duì)應(yīng)超過(guò)300 mm(12 英寸)屏幕面積，成像分辨率2 μm 對(duì)應(yīng)可制造超過(guò)600PPI 顯示分辨率屏幕。同時(shí)，照明能量可根據(jù)用戶光刻膠曝光劑量要求設(shè)置不同的級(jí)別，以滿足每片基板的快速處理時(shí)間要求；照明視場(chǎng)可根據(jù)用戶生產(chǎn)屏幕尺寸進(jìn)行無(wú)級(jí)設(shè)置以遮擋刀片開(kāi)口面積，以滿足動(dòng)態(tài)成像及基板面積高效利用要求。掩模臺(tái)包含大行程驅(qū)動(dòng)裝置和精確定位微動(dòng)臺(tái)，進(jìn)行水平向和垂向6 自由度的高精度定位運(yùn)動(dòng)和單向掃描運(yùn)動(dòng)，最大水平y(tǒng) 向掃描行程可實(shí)現(xiàn)130 mm 掩模圖形曝光，垂向3 自由度亞微米級(jí)控制可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)物面動(dòng)態(tài)定位。基板臺(tái)采用全陶瓷氣浮結(jié)構(gòu)，雙邊平衡驅(qū)動(dòng)，激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，6 自由度高精度伺服控制，以滿足高可靠性及高精度對(duì)準(zhǔn)要求。并且，掩模臺(tái)和基板臺(tái)通過(guò)同步控制總線可實(shí)現(xiàn)小于100 nm 的水平向同步掃描運(yùn)動(dòng)，以滿足高分辨率動(dòng)態(tài)曝光要求。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)包括掩模（MASK）對(duì)準(zhǔn)單元和基板（PLATE）對(duì)準(zhǔn)單元。掩模對(duì)準(zhǔn)單元安裝在基板臺(tái)上，可通過(guò)物鏡準(zhǔn)確測(cè)量掩模標(biāo)記的水平向和垂向位置，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)準(zhǔn)及空間像傳感器功能；基板對(duì)準(zhǔn)采用離軸OA 結(jié)構(gòu)，位于基板臺(tái)正上方，結(jié)合專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的柵格對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，更有利于提高玻璃基板對(duì)準(zhǔn)精度及工藝適應(yīng)性。調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)專(zhuān)為透明玻璃基板材料設(shè)計(jì)，共有5 個(gè)測(cè)量分支，用于基板曝光區(qū)域上表面與投影物鏡下表面的相對(duì)高度和傾斜，能夠自動(dòng)驅(qū)動(dòng)基板臺(tái)垂向電機(jī)將基板帶到最佳成像焦面，并可通過(guò)在動(dòng)態(tài)曝光過(guò)程實(shí)時(shí)地對(duì)當(dāng)前曝光區(qū)域進(jìn)行調(diào)焦調(diào)平來(lái)有效消除基板上表面形起伏導(dǎo)致的離焦誤差。上述技術(shù)可有效保證曝光分辨率關(guān)鍵尺寸CD 和套刻O(píng)verlay 精度。

SSB225/10 投影曝光機(jī)采用自動(dòng)150 mm(6英寸)掩模傳送系統(tǒng)，并配備高達(dá)30 塊掩模版的存儲(chǔ)單元；基板傳送系統(tǒng)支持自動(dòng)化產(chǎn)線對(duì)接及離線單CASSETTE 對(duì)接，可處理0.3～1 mm 厚度范圍的G2.5 玻璃基板（基板尺寸400 mm×500 mm或370 mm×470 mm），并配備預(yù)對(duì)準(zhǔn)及二次預(yù)對(duì)準(zhǔn)單元，可根據(jù)基板邊緣進(jìn)行準(zhǔn)確定心及定向，實(shí)現(xiàn)曝光圖形的中心偏差控制。設(shè)備軟件采用UNIX系統(tǒng)，支持離線JOB 編輯，支持同一曝光層多種曝光圖形，支持拼接曝光實(shí)現(xiàn)更大尺寸的屏幕制造。

SSB225/10 投影曝光機(jī)是一個(gè)涉及光、機(jī)、電等諸多學(xué)科的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和精密設(shè)備，設(shè)備的關(guān)鍵性能指標(biāo)CD、Overlay 等均通過(guò)專(zhuān)業(yè)的仿真分析及工程試驗(yàn)驗(yàn)證，配合設(shè)備強(qiáng)大的軟件校準(zhǔn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)2 μm 線寬的10%均勻性控制，優(yōu)于500 nm 的套刻精度控制，可滿足高分辨率顯示器件的曝光工藝要求。

3 曝光機(jī)設(shè)備性能及器件測(cè)試

3.1 性能測(cè)試

SSB225/10 投影曝光機(jī)CD 性能測(cè)試分別使用300 mm 硅片和G2.5 玻璃基板進(jìn)行：300 mm硅片用于測(cè)試設(shè)備的極限分辨率，使用的光刻膠為AZ MiR703（膠厚1.2 μm，曝光劑量180 mJ/cm2），PR 最高分辨率優(yōu)于1 μm；G2.5 玻璃基板用于測(cè)試設(shè)備在當(dāng)前主流平板光刻膠中的曝光分辨率，使用的光刻膠為AZ SFP1400（膠厚1.5 μm，曝光劑量20 mJ/cm2），PR 最高分辨率為2.5 μm。

圖3 300 mm 硅片曝光區(qū)域分布

表1 300 mm 硅片曝光線條測(cè)量數(shù)據(jù)

基于300 mm 硅片的CDU 測(cè)試通過(guò)動(dòng)態(tài)曝光兩個(gè)場(chǎng)（如圖3），每個(gè)曝光場(chǎng)垂向通過(guò)調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量控制以保證合焦精度，曝光面積120 mm×130 mm，場(chǎng)內(nèi)測(cè)量15 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量水平（H）和垂直（V）兩個(gè)方向的線條，線條周期（pitch）4 μm，目標(biāo)線寬2 μm。兩個(gè)場(chǎng)總共60 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)（如表1）表明CD 均值1.98 μm，均勻性CDU 達(dá)到7.53%，實(shí)現(xiàn)10%以?xún)?nèi)控制目標(biāo)，同時(shí)場(chǎng)內(nèi)1.8 μm 線條兩個(gè)方向均清晰可辨（如圖4）。為比較動(dòng)態(tài)1.8 μm 線條成像質(zhì)量，又做了靜態(tài)曝光測(cè)試，即曝光時(shí)掩模臺(tái)工件臺(tái)不運(yùn)動(dòng)，僅在較小曝光SLIT 區(qū)域內(nèi)觀測(cè)1.8 μm 線條（如圖5），比較發(fā)現(xiàn)，設(shè)備動(dòng)態(tài)曝光出的1.8 μm 線條與靜態(tài)曝光幾無(wú)區(qū)別，即此時(shí)設(shè)備動(dòng)態(tài)曝光已經(jīng)達(dá)到了最佳極限分辨率狀態(tài)，說(shuō)明在AZ MiR703 中可以實(shí)現(xiàn)1.8 μm 成像分辨率。

圖4 300 mm 硅片1.8 m 動(dòng)態(tài)曝光線條

圖5 300 mm 硅片1.8 m 靜態(tài)曝光線條

基于G2.5 玻璃基板（400 mm×500 mm）的CDU 測(cè)試通過(guò)動(dòng)態(tài)曝光四個(gè)場(chǎng)，每個(gè)曝光場(chǎng)垂向仍通過(guò)調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量控制以保證合焦精度，曝光場(chǎng)面積180 mm×230 mm，場(chǎng)內(nèi)測(cè)量9 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)仍測(cè)量水平（H）和垂直（V）兩個(gè)方向的線條，線條周期（pitch）5 μm，目標(biāo)線寬2.5 μm。四個(gè)場(chǎng)總共72 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)（如表2）表明CD 均值2.14 μm，均勻性CDU 達(dá)到8.90%，實(shí)現(xiàn)10%以?xún)?nèi)控制目標(biāo)，線條觀測(cè)如圖6所示。線條偏細(xì)為劑量略大所致，但pitch 仍是5 μm，說(shuō)明在AZ SFP1400 這款平板行業(yè)的主流光刻膠中完全可以實(shí)現(xiàn)2.5 μm 成像分辨率。

表2 400 mm×500 mm 基板曝光線條測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 基板曝光V&H 線條

SSB225/10 曝光機(jī)的套刻精度測(cè)試采用游標(biāo)套刻標(biāo)記測(cè)量?jī)蓪悠毓鈭D形之間的x 和y 向誤差，并分單機(jī)套刻（兩層都由SSB225/10 曝光機(jī)完成）和匹配套刻（第一層由Nikon 曝光機(jī)完成，第二層由SSB225/10 曝光機(jī)完成）兩種情況。單機(jī)套刻時(shí)首先在基板上曝光四個(gè)場(chǎng)，曝光場(chǎng)面積180 mm×230 mm，包含對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記及第一層套刻標(biāo)記；然后下片，間隔一段時(shí)間后（通常為1 天）再根據(jù)測(cè)量第一層的4 個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記計(jì)算第二層曝光場(chǎng)位置，完成第二層套刻標(biāo)記曝光，顯影后測(cè)量?jī)蓪犹卓虡?biāo)記之間的誤差即為套刻誤差。測(cè)量過(guò)程中，每個(gè)場(chǎng)測(cè)量各個(gè)角共4 對(duì)游標(biāo)標(biāo)記（每對(duì)標(biāo)記含x 和y 兩個(gè)方向，如圖7），總共32個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示，說(shuō)明設(shè)備單機(jī)套刻精度約300 nm。

圖7 基板單機(jī)套刻測(cè)量游標(biāo)

表3 400 mm×500 mm 基板單機(jī)套刻測(cè)量數(shù)據(jù)

匹配套刻時(shí)，由于兩臺(tái)曝光機(jī)視場(chǎng)大小的差異，只能以較小視場(chǎng)面積作為實(shí)際曝光面積。首先在G2.5 基板上用Nikon 設(shè)備曝光6 個(gè)場(chǎng)（如圖8），曝光場(chǎng)面積132 mm×132 mm，包含對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記及第一層套刻標(biāo)記；然后下片，間隔一段時(shí)間后（通常為1～3 天）再用被測(cè)試設(shè)備SSB225/10 測(cè)量第一層的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記并計(jì)算第二層曝光場(chǎng)位置，完成第二層套刻標(biāo)記曝光，顯影后測(cè)量?jī)蓪犹卓虡?biāo)記之間的誤差即為套刻誤差。測(cè)量過(guò)程中，每個(gè)場(chǎng)測(cè)量各個(gè)角共4 對(duì)游標(biāo)標(biāo)記（每對(duì)標(biāo)記含x 和y兩個(gè)方向，如圖8），總共48 個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。這里我們分別在間隔1 天和3 天時(shí)進(jìn)行了曝光測(cè)試，以考查曝光機(jī)的穩(wěn)定性，分別對(duì)應(yīng)表4中的兩組，測(cè)試說(shuō)明設(shè)備匹配套刻精度約600 nm，并且x 向套刻誤差中含倍率誤差分量，如果進(jìn)一步調(diào)整物鏡倍率（有可動(dòng)鏡片支持），將能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的套刻精度。

在曝光分辨率和套刻精度都滿足要求的情況下，為了進(jìn)一步驗(yàn)證SSB225/10 設(shè)備能力，我們用400 mm×500 mm 玻璃基板進(jìn)行TFT 實(shí)際圖形曝光，并最終蒸鍍OLED 材料，通過(guò)AMOLED 屏幕點(diǎn)亮顯示來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

3.2 器件測(cè)試

圖8 400 mm×500 mm 基板匹配套刻曝光區(qū)域

表4 基板匹配套刻測(cè)量數(shù)據(jù)（間隔5 天）

AMOLED 顯示器件對(duì)應(yīng)的MASK 設(shè)計(jì)規(guī)格采用對(duì)角線115 mm(4.6 英寸)的矩形顯示屏幕，顯示分辨率800×480，G2.5 低溫多晶硅（LTPS）基底材料帶有像素補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電路，總共9 塊MASK（如表5）9 層曝光8 層套刻，各曝光層之間的重合規(guī)則如圖9所示，即所有曝光層都在SSB225/10 上完成。

表5 9 層曝光定義及掩模版名稱(chēng)

圖9 9 層曝光8 層套刻重合規(guī)則

圖10 （依次從左到右，從上到下）9 層曝光實(shí)際像素圖形照片

各曝光層除了材料膜厚、電學(xué)特性測(cè)試外，還將采用專(zhuān)用線幅測(cè)試標(biāo)記進(jìn)行曝光條件、顯影條件、刻蝕條件等的推出及管理，采用游標(biāo)Vernier 標(biāo)記進(jìn)行套刻誤差監(jiān)控。實(shí)際制造過(guò)程中的9 層像素圖形清晰（如圖10），線幅滿足分辯率要求。由于AMOLED 的TFT 電路更復(fù)雜，曝光層數(shù)也比傳統(tǒng)LCD 更多，更多層的工藝也更容易造成圖形變形，所以各層之間套刻誤差控制就尤為重要，圖11展示了ITO 層與SD 層之間的實(shí)際套刻測(cè)量標(biāo)記，事實(shí)上測(cè)量過(guò)程中8 層套刻誤差全部滿足重合精度要求，因此所有電學(xué)特性TEG 測(cè)試結(jié)果也均在第一輪制造過(guò)程中達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

ARRAY`環(huán)節(jié)的TFT 曝光過(guò)程及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，400 mm ×500 mm 的 玻 璃 基 板 能 夠 在SSB225/10 投影曝光機(jī)中完成自動(dòng)化傳送流程、預(yù)對(duì)準(zhǔn)及對(duì)準(zhǔn)流程、調(diào)焦調(diào)平流程、單層及多層曝光流程，各層關(guān)鍵尺寸CD 及套刻O(píng)verlay 精度滿足基于LTPS 的AMOLED 工藝要求。TFT 制造完成后，進(jìn)行了基板切割、OLED 蒸鍍及激光封裝，最終完成的AMOLED 屏幕一次性點(diǎn)亮成功。其圖片顯示效果如圖12所示。

圖11 第8 層（ITO 層）曝光圖形套刻x 和y 方向誤差測(cè)量標(biāo)記

圖12 第一塊由SSB225/10 制造的115 mm(4.6 英寸)AMOLED 屏幕點(diǎn)亮顯示效果

4 結(jié) 論

根據(jù)SSB225/10 投影曝光機(jī)的實(shí)測(cè)CD 和Overlay 數(shù)據(jù)，及其制造的LTPS-TFT 基板特性，整機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，具備優(yōu)良的400 mm×500 mm 玻璃基板傳送、測(cè)量及曝光能力，設(shè)備自動(dòng)化功能及靈活友好的軟件系統(tǒng)可很好的適應(yīng)G2.5 線的各種試驗(yàn)和生產(chǎn)要求，這也是國(guó)內(nèi)外唯一能夠支持G2.5 玻璃基板、曝光視場(chǎng)尺寸達(dá)到180 mm×260 mm、并且分辨率優(yōu)于2 μm 的高精度掃描式投影曝光機(jī)。該曝光機(jī)技術(shù)平臺(tái)還可進(jìn)一步擴(kuò)展以支持G4.5 玻璃基板尺寸，以滿足G4.5 線的高顯示分辨率屏幕制造要求。

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