200mm×200mm OLED步進投影曝光機

周 暢，李喜峰

(1.上海微電子裝備有限公司，上海 201203；2.上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點實驗室，上海 201900)

AMOLED(Active matrix organic light-emitting diode)具有自發(fā)光、更薄更輕、無視角問題、高清晰、高亮度、響應(yīng)快速、能耗低、使用溫度范圍廣、抗震能力強、成本低的優(yōu)點，有可能成為取代TFT-LCD的下一代顯示技術(shù)。目前日本、韓國、中國臺灣已有小尺寸面板的小批量生產(chǎn)，手機是其最大應(yīng)用領(lǐng)域。在世界范圍內(nèi)大尺寸面板處于研發(fā)階段，但這是顯示技術(shù)和產(chǎn)品將來發(fā)展的主要方向。目前在國家和地方支持下，現(xiàn)已有不少單位投入研發(fā)，力爭在AMOLED產(chǎn)品這個新領(lǐng)域中縮小與國際先進水平的差距。AMOLED技術(shù)尚處于產(chǎn)業(yè)化啟動階段，產(chǎn)品的市場競爭環(huán)境尚未形成。從出貨量來看PMOLED(Passive matrix OLED)一直是市場上的主角，但銷售收入從2008年開始，PMOLED就不再占主導(dǎo)地位。由于AMOLED在手機、PDA和便攜式媒體播放器中應(yīng)用的強勁勢頭，2011年AMOLED出貨量已超過PMOLED。未來AMOLED將是帶動OLED顯示屏快速成長的主要力量，這說明未來OLED的市場在AMOLED，加緊AMOLED的相關(guān)研發(fā)，形成整體配套技術(shù)非常關(guān)鍵。

目前200mm×200mm玻璃基板尺寸的OLED研發(fā)線能夠較經(jīng)濟地進行OLED器件相關(guān)技術(shù)開發(fā)驗證，并能夠與產(chǎn)線技術(shù)兼容。AMOLED工藝的TFT技術(shù)與傳統(tǒng)LCD工藝的TFT技術(shù)區(qū)別很大，它需要更復(fù)雜的驅(qū)動電路、更高的曝光分辨率及套刻精度。此外，顯示PPI越來越高，這進一步要求光刻分辨率的提高。目前市場上還沒有能滿足200mm×200mm玻璃基板尺寸高分辨率曝光設(shè)備供應(yīng)，只能暫時用接近接觸式Aligner曝光機（即沒有真正光學(xué)成像系統(tǒng)，分辨率較低，套刻精度較差）替代應(yīng)急。高分辨率曝光設(shè)備需要采用光學(xué)投影成像曝光，通過分步曝光方式實現(xiàn)良好的套刻精度控制，即針對200mm×200mm玻璃基板的步進投影曝光機是OLED器件技術(shù)驗證的關(guān)鍵設(shè)備之一。

SS B200/10A曝光機是上海微電子有限公司研制的具有2μm分辨率的OLED步進投影曝光機，基于已成熟的IC后道光刻機SS B500系列產(chǎn)品平臺開發(fā)，針對玻璃基板進行了一系列技術(shù)升級和優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)AMOLED所需的非拼接曝光和拼接曝光，滿足200mm×200mm AMOLED研發(fā)線對光刻的要求。

1 OLED步進投影曝光機

SS B200/10A曝光機（如圖1）采用整體主動減振結(jié)構(gòu)，隔振部分包括照明系統(tǒng)、投影物鏡、掩模臺、工件臺、對準系統(tǒng)、調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)。設(shè)備采用密封腔體設(shè)計，腔體循環(huán)溫度控制系統(tǒng)通過整體送風(fēng)方式控制曝光環(huán)境溫度、濕度、潔凈度，設(shè)備內(nèi)部溫控精度達到±0.1度，潔凈度為CLASS 10級。

圖1 SS B200/10A曝光機

曝光系統(tǒng)采用寬波帶ghi線照明光源，雙遠心成像光路，投影物鏡通過全對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計具有視場大，分辨率高，畸變小等高成像質(zhì)量等，同時曝光能量可根據(jù)用戶光刻膠曝光劑量要求設(shè)置不同的級別，以滿足每片基板的快速處理時間要求。掩模臺包含大行程驅(qū)動裝置和精確定位微動臺，進行4自由度的精確定位運動；大行程驅(qū)動裝置使掩模版上可平行布置兩個曝光圖形（最大支持尺寸為44mm×44mm）?；迮_采用氣浮導(dǎo)軌，平衡驅(qū)動，激光干涉儀測量系統(tǒng)，6自由度高精度伺服控制，以滿足高可靠性及拼接曝光的高套刻精度要求。對準系統(tǒng)包括掩模（MASK）對準單元和基板（PLATE）對準單元，掩模對準采用同軸TTL結(jié)構(gòu)，基板對準采用離軸OA結(jié)構(gòu)；OA結(jié)構(gòu)使得基板對準單元位于基板臺正上方，結(jié)合專門設(shè)計的柵格對準標記，更有利于提高玻璃基板對準精度及工藝適應(yīng)性。調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)專為透明玻璃基板材料設(shè)計，測量基板曝光區(qū)域上表面與投影物鏡下表面的相對高度，能夠自動將基板帶到最佳成像焦面，并可通過對每個曝光場的進行調(diào)焦調(diào)平來有效消除基板上表面形起伏導(dǎo)致的離焦誤差。

SS B200/10A曝光機采用自動準150mm(6英寸)掩模傳輸系統(tǒng)，并配備6塊掩模版的存儲單元；采用自動單片式基板傳輸系統(tǒng)，可處理0.3～1.2mm厚度范圍的200mm×200mm方形玻璃基板，并配備預(yù)對準單元，可根據(jù)基板邊緣進行準確定心及定向。同時為測試方便，基板傳輸系統(tǒng)也支持200mm硅片的傳送。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切換，支持拼接曝光實現(xiàn)更大尺寸的OLED顯示屏幕。

SS B200/10A曝光機是一個涉及光、機、電等諸多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)和精密設(shè)備，設(shè)備的關(guān)鍵性能指標CD、Overlay均通過專業(yè)的仿真及工程試驗驗證，配合設(shè)備強大的軟件?；聪到y(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)2μm線寬的10%均勻性控制，優(yōu)于0.5μm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。

2 曝光機設(shè)備性能及顯示器件開發(fā)

2.1 性能測試

SS B200/10A曝光機關(guān)鍵性能測試使用硅片進行，以避免使用較低精度顯微鏡，用的主要工藝測量設(shè)備包括Hitachi的CD-SEM機S-8820和KLA的Overlay機Archer 10；用的光刻膠為AZ MiR 703，光刻工藝參數(shù)如表1所示。

表1 AZ MIR 703光刻膠曝光工藝參數(shù)

SS B200/10A曝光機的CD測試包括CDU及DOF測試，即將測試掩模圖形分別在最佳焦面處、正負最大離焦處曝光到涂有光刻膠的硅片上的9個場，然后利用顯影液對曝光后的基板進行顯影。利用CD-SEM機測量顯影后硅片上指定位置處圖形的特征尺寸。在曝光場內(nèi)不同點處分別測量水平和垂直線條的關(guān)鍵尺寸，并選擇所有曝光場進行測量以平均測量噪音。求取所有測量值的3σ值。實測數(shù)據(jù)如表2所示，說明設(shè)備在10%CDU控制下具有2μm線條，焦深8μm。

SS B200/10A曝光機的套刻測試采用Box in Box套刻標記，首先在硅片上曝對準標記及第一層套刻標記，然后下片，間隔一段時間后（通常為1天）再根據(jù)已有的對準標記曝第二層套刻標記。第一層和第二層曝光采用相同的套刻掩模和對準設(shè)置。顯影后利用Overlay機讀取多個視場的套刻標記位置偏差，并利用兩層標記的位置偏差計算套刻精度。套刻測試過程中，每片9個場，6個對準標記，EGA全局對準，實測數(shù)據(jù)如圖2所示，說明設(shè)備套刻精度|Mean|+3小于0.4μm。

表2 CDU及DOF測試

圖2 Overlay測試

為進一步驗證設(shè)備能力，采用200mm×200mm玻璃基板進行TFT實際圖形曝光，并最終蒸鍍OLED材料，通過OLED器件開發(fā)及點亮進行光刻驗證。

2.2 顯示器件開發(fā)

開發(fā)了1.5英寸，分辨率為128×128OLED顯示器件進行光刻驗證，TFT驅(qū)動背板采用傳統(tǒng)的2T1C像素驅(qū)動電路，如圖3所示。通過G、D、I、C、P、O等6層套刻曝光實現(xiàn)，各層曝光圖形變換游標通過顯微鏡觀察測量。6層套刻對準重合規(guī)則如圖4所示。

G層曝光顯影后的pattern如圖5所示，能夠清晰觀察到x和y兩個方向的2μm線寬，說明分辨率優(yōu)于2μm。后續(xù)各層的套刻精度均以x和y兩個方向的游標標記讀取。

圖3 TFT驅(qū)動原理圖

圖4 套刻對準重合規(guī)則

D層與G層的x、y方向的套刻測量游標讀數(shù)如圖6所示，I層、P層、C層與D層x、y方向的套刻測量游標讀數(shù)分別如圖7、圖8、圖9所示，各層套刻精度均優(yōu)于1μm，考慮游標標記和顯微鏡的測量誤差，設(shè)備實際套刻精度不超過0.5μm。

TFT驅(qū)動背板曝光過程及數(shù)據(jù)表明，200mm×200mm的玻璃基板能夠在SS B200/10A曝光機中完成自動化傳送流程、預(yù)對準及對準流程、調(diào)焦調(diào)平流程、單層及多層曝光流程，CD及Overlay精度滿足AMOLED工藝要求。應(yīng)用SS B200/10A曝光機成功開發(fā)了OLED顯示器件，其點亮效果如圖10所示。說明開發(fā)的SS B200/10A曝光機能夠滿足AMOLED顯示技術(shù)對光刻技術(shù)的要求，為開發(fā)下一代AMOLED顯示技術(shù)用曝光機奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖5 G層曝光測量圖形（CD 2μm）

圖6 D-G套刻精度測量x/y

圖7 I-D套刻精度測量x/y

圖8 C-D套刻精度測量x/y

圖9 P-D套刻精度測量x/y

圖10 OLED器件顯示圖

3 結(jié) 論

根據(jù)SS B200/10A曝光機的實測數(shù)據(jù)，整機關(guān)鍵性能指標符合設(shè)計預(yù)期，具備優(yōu)良的200mm×200mm玻璃基板傳送、測量及曝光能力，單片自動化功能及靈活友好的軟件系統(tǒng)能夠滿足OLED研發(fā)線光刻需求，這也是專門支持200mm×200mm玻璃基板、并且分辨率優(yōu)于2μm的高精度OLED投影曝光機。同時，該曝光機相關(guān)技術(shù)能夠轉(zhuǎn)移到更高的1um分辨率或2.5代、4.5代等更高代玻璃基板的曝光機，以適應(yīng)未來AMOLED顯示技術(shù)發(fā)展的需求。

致謝

感謝上海市科學(xué)技術(shù)委員會高新處的支持，感謝上海微電子裝備有限公司的幫助、上海廣電電子有限公司平板中心全體的幫助及上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用繼承教育部重點實驗室的幫助。

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