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AMOLED与LCD都需要的核心工艺设备曝光机

  一般光刻在显示领域主要在TFTCF制程上,光刻的流程分为:上光阻曝光显影显影后检查→CD量测→Overlay量测。而在整个流程中,今天OLEDindustry 重心来讲讲曝光这段核心工艺及其设备。

  曝光,简单点说,就是通过光照射光阻,使其感光。然后通过显影工艺将曝光完成后的图形处理,以将图形清晰的显现出来的过程。而整个光刻工艺,则是将图形从光罩上成象到光阻上的过程。

曝光机的原理

  谈到曝光,那必不可少就要谈到曝光机。目前大部分曝光设备采用的是非接触式曝光。原理是紫外光经过MASK对涂有光刻胶的ITO玻璃曝光,曝光后的玻璃经显影产生与mask板相同的图案。

  在曝光显影时, 其曝光系统有一个基本的关系:

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  其中R为最小特征值, 即分辨率的最小距离。k1 为常熟(瑞利常数)λ为曝光光源波长。NA为透镜的数值孔径, 是光罩对透镜张开的角度的正玹值。该值最大是1; 先进的曝光机的NA 0.5 ~ 0.85之间。可见为了减小最小特征尺寸, 则必须减小曝光光源波长和提高NA值。ASML最新推出的EUV光刻胶, 可以把波长虽短到13.5 nm。但是整个光刻活动都在真空环境, 则生产速率较低。

  如果采取x-ray。虽然x-ray波长只有4 ~ 50 Å, 但是因为其能穿透大部分掩模版切对应光刻胶开发难度较大, 该技术一直没有被采用。

  为了在不改变曝光系统的前提下提高NA而改善R, 可采取的方法有:

  (1 改变接近式曝光机中镜头和光刻胶的介质, 将其从空气换成其他材料。通过该方式改变NA值可以是的193 nm技术在满足45 nm工艺节点制程要求的同时, 进一步提高到28 nm制程。

  (2)如果将接近式配合二重曝光相想结合, 可以进一步将制程节点缩小到22 nm, 且工艺节点缩小到10 nm

显示制造中的曝光技术

  在TFT-LCD的生产中, 根据制作原件的不同其采取的曝光方式也不相同:

  • CF: 主要采取接近式曝光, 其掩模板与基板间距为10 μm左右。因为光通过掩模板后会有干涉效应, 则此种方法形成的图案解析度不高。而AMOLED,目前LGDWOLED会采用CF

  • TFT曝光时, 光通过透镜或面镜将掩模板图案投影到光刻胶上的同时, 其基板主要采取步进式或扫描式移动, 以完成整版曝光。到AMOLED的上相差不大,只是LTPS会多几道光罩而已。

  而现在用于Display生产的主流曝光技术为:

  • 透镜扫描方式是一种Step & Scan的方式, 采用该方式的的曝光机有Nikon FX 系列, 其解析度为L/S 3.5 um.

  • 反射镜投影曝光机则主要由Canon FX 采用。其TFT使用机器的解析度L/S 3.5 um, CF用的机器则有4 um6 um两种。

  • Proximity式机器主要为NSKDECO采用。 其解析度为6 – 8 um, 主要用于CF的制作

  接近式曝光和投影式曝光的区别如Table 1所示。

  Table 1 接近式曝光和投影式曝光的一些区别

Type

Pros

Cons

Proximity

-. Lower initial cost & running cost

-. Faster Tact Time

-. Lower accuracy & resolution

-. Potential damages on masks

Projection

-. Higher accuracy & resolution

-. Less damage on photomask

-. Higher initial cost and ruining cost(times higher than Proximity )

-. Longer Tact Time

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Fig 1投影式曝光机示意图

投影式透镜曝光机结构如Fig 1所示。

  当采取步进式透镜曝光时, 一般先对位掩模板和基板, 其后打开曝光灯进行曝光, 且在曝光时掩模板和基板处于静止状态。在只采取一个Lens, 则曝光区域受到Lens大小的限制。如果LCD面板的尺寸大于掩模板上的图形时, 需要用多张掩模板进行拼接。在采取该方法制作LCD屏幕时往往需要多次转写并更换掩模板。因为更换掩模板和静止曝光的原因, 该方法生产性较低, 只用于早期的小尺寸面板生产, 而在大尺寸面板生产中未能续用。

  在扫描式面镜曝光机中, 曝光时掩模板和基板同时移动, UV光通过Slit以扫描方式投影曝光。在完成一个曝光区域后, 通过步进式的方式把基板移动到另外一个需要曝光的区域。因为扫描式采用大型面镜光学系统, 或者采取多个Lens拼接技术, 所以掩模板和曝光区域都可以大型化。其光学设备为台形镜、凹面镜和凸面镜组成, 其中台形镜置于掩模板和基板之间, 而凹面镜与凸面镜垂直(由此可将掩模板上图形等倍率的成像在基板上

1 超高压 水银 Lamp : 16KW , 对波长为 365nm_PR有反应的波长带。

2 椭圆 Mirror : 集中Lamp的光 用平面 Mirror反射。

3 平面 Mirror 1, 2, 3 : 使光的路径发生改变 用球面Mirror进行反射。

4 Fly eye lens : 使照度和光变均一。

5)球面Mirror : 用平行光调整光的路径。

  曝光机一般采取高压汞灯作为曝光光源, 其产生的灯光经过滤色分光系统分解为紫外光和可见光。其中紫外光用于曝光, 而可见光用于对位使用。

Table 2 CanonNikon在曝光机上的区别


Canon

Nikon

Tech

Scanner

Stepper

Optical Modules

Mirror

Lens

Projection Ratio

1:1

1:1.25

Accuracy

0.5 um

0.35um

Productivity

Canon < Nikon

 

 

 

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Fig 2步进式透镜投影曝光机 & 扫描式面镜投影曝光机示意图

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Fig 3 Canon 曝光机结构

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Fig 4 步进式UV光路系统结构

  在曝光时, Photomask 一般和玻璃基板距离为几百μm (Gap控制后其误差可以在10 μm 以内)。而在曝光之前, 需要现对Photomask现在Cooling Plate (CP) 上进行 预对准(Pre-Alignment: PA), 其后, 再通过Robot将基板转移到曝光Stage上。在CP Stage 上有CP/异物感知Sensor(Scan)/PA 三个功能。

多种曝光用光源对比

  常见的曝光用光源如Table 3所示。为了满足集成电路线宽不断减小的要求, 光刻胶的波长由紫外宽谱而逐步向G lineàKrFàArFàF2àEUV进行过渡和转移。市面上主要用的光刻胶为G lineI lineKrFArF四类光刻胶。其中G lineI line为使用量最大的光刻胶。

Table 3 常用光源和作用

光刻波长

主要用途

感光剂

成膜材料

光刻胶体系

紫外全谱 (300 -450 nm)

分立部件

双叠氮化物

环化橡胶

环化橡胶负胶

G线 (436 nm)

0.5 μm以上集成电路

DNQ (重氮萘醌)

Novolac (酚醛树脂)

DNQ-Novolac 正胶

I 线 (365 nm)

0.35 - 0.5 μm集成电路及LCD

DNQ (重氮萘醌)

Novolac (酚醛树脂)

DNQ-Novolac 正胶

KrF (248 nm)

0.25 - 0.5 μm集成电路

光致产酸剂

聚对羧基苯乙酸及其衍生物

CAR-248 光刻胶

ArF

(193 nm)

干法

130 – 65 nm 集成电路

光致产酸剂

聚酯环族丙烯酸酯及其共聚物

CAR-248 光刻胶

浸没法(a)

26 – 45 集成电路

浸没法(a)+二重曝光

22 nm 集成电路

EUV(13.5 nm)

22 nm 以下集成电路

光致产酸剂

聚酯衍生物分子玻璃组份材料

EUC光刻胶

电子束(laser Writer)

掩模版制备

光致产酸剂

甲基丙烯酸酯机器共聚物

电子束光刻机

Table 3.4 常用光源和激发气体

Tech

Wavelength

(nm)

Source

DUV G Line

436

Hg

DUV H Line

405

Hg

DUV I Line

365

Hg

Excimer laser

248

KrF

Excimer laser

193

ArF

Excimer laser

157

F2

EUV

13.5

Sn Vapor

 

曝光机实际应用操作介绍:

1、基板的进入曝光机的顺序:搬入整列 →stage→对位 

2BM的对位: 台板上有对位mark,与mask的对位标志对正,进行曝光。与半反射的曝光一样。两个的对位标志:

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BM的曝光顺序是:对位→ GAP测量曝光。

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3RGB的曝光

1、整列的精度:±200μm, 相对于走片方向的两侧。(如下图)

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对位的顺序:预对位→GAP测定自动对位。

2、预对位:

               精度:±20μm.

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3GAP的测量:有三个小窗口测gap

 

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gap指的是玻璃基板与MASK的距离

      gap的测量原理:

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gap时,MASK不动,玻璃动。

4、精确对位:

精度±μm.MASK上有小窗口,在玻璃基板上有BM曝光时曝出来的并排的三个+++,之间的距离是2+αα代表RGB之间的间距。

 

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mask与玻璃的对位示意图如下:

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