G2.5高分辨率TFT扫描投影曝光机

周 畅，高孝裕，李喜峰

(1.上海微电子装备有限公司，上海201203；2.昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司，江苏 昆山215300；3.上海大学新型显示及应用集成技术教育部重点实验室，上海200444)

1 AMOLED 发展及高分辨率曝光技术

AMOLED 显示被称为继LCD 显示后的第三代显示技术，其显示器件不仅具有自发光、更薄更轻、无视角问题、高清晰、高亮度、响应快速、能耗低等优点[1]，还是当今唯一支持高性能柔性显示的技术[2]，因此国内外各面板厂无一不高度重视此项技术，并纷纷投入巨资研发，尤其三星S6 Edge 的发布，更是让业界看到了AMOLED 的广阔未来。目前国内维信诺、天马、和辉等企业的AMOLED产线都已经建成，标志着与国外的差距正在逐渐缩小。随着人们对移动终端显示性能要求的逐渐提高，2K 显示已经较为普及，无论TFT-LCD 还是AMOLED，曾经让人望而怯步的300～400 PPI 显示分辨率如今已不再稀奇，高达500～600 PPI 显示分辨率的4K 显示也已经开始产品化了[3，4]。如此高分辨显示除了需要像LTPS 这样的高电子迁移率材料支持外，还需要高分辨率曝光技术[5]在精细的像素区域内完成TFT 电路的制造，原有用于a-Si 工艺的3 μm 以上分辨率的曝光机显然再不能满足现在的曝光要求，3 μm 甚至2 μm 以下的曝光机成为老线升级或新线建设的必需设备。

SSB225/10 曝光机是上海微电子有限公司研制的支持400 mm×500 mm 基板尺寸、具有2 μm分辨率的高精度扫描投影曝光机，它在SSB200步进机型[6]的技术基础上，采用全新的产品平台开发，并针对移动终端显示器件研制了具有高分辨率和大视场特点的曝光系统，能够实现不超过325 mm(13 英寸)显示面积的非拼接曝光和更大显示面积的拼接曝光，担当起G2.5 研发线及生产线的高精度TFT 曝光任务。同时，该平台可以进一步扩展到G4.5 基板尺寸，实现更高世代的曝光机产品。

2 G2.5 高分辨率TFT 投影曝光机

SSB225/10 投影曝光机（如图1）采用整体主动减振结构，隔振部分包括照明系统、投影物镜、掩模台、工件台、对准系统、调焦调平系统。设备采用密封腔体设计，腔体温度控制系统通过整体循环送风方式控制对准及曝光过程的环境洁净度、湿度、温度，设备内部洁净度为CLASS 10 级，温控精度达到±0.1 ℃，激光干涉仪等局部温控精度达到±0.05 ℃，可有效保证曝光图形的尺寸（Total Pitch）精度。该设备通过照明狭缝扫描方式实现大面积动态曝光成像（如图2），也是国内首台自主研发可量产的分步式扫描投影曝光机。

图1 G2.5 TFT 扫描投影曝光机

图2 以狭缝照明方式实现动态扫描成像

曝光系统采用窄波带i 线（波长365 nm）照明光源，双远心成像光路，投影物镜通过2 倍放大成像及基于波像差WFE 的设计实现小畸变、大视场、高分辨率光学系统：成像视场尺寸180 mm×260 mm 对应超过300 mm(12 英寸)屏幕面积，成像分辨率2 μm 对应可制造超过600PPI 显示分辨率屏幕。同时，照明能量可根据用户光刻胶曝光剂量要求设置不同的级别，以满足每片基板的快速处理时间要求；照明视场可根据用户生产屏幕尺寸进行无级设置以遮挡刀片开口面积，以满足动态成像及基板面积高效利用要求。掩模台包含大行程驱动装置和精确定位微动台，进行水平向和垂向6 自由度的高精度定位运动和单向扫描运动，最大水平y 向扫描行程可实现130 mm 掩模图形曝光，垂向3 自由度亚微米级控制可准确实现物面动态定位。基板台采用全陶瓷气浮结构，双边平衡驱动，激光干涉仪测量系统，6 自由度高精度伺服控制，以满足高可靠性及高精度对准要求。并且，掩模台和基板台通过同步控制总线可实现小于100 nm 的水平向同步扫描运动，以满足高分辨率动态曝光要求。对准系统包括掩模（MASK）对准单元和基板（PLATE）对准单元。掩模对准单元安装在基板台上，可通过物镜准确测量掩模标记的水平向和垂向位置，即同时实现了对准及空间像传感器功能；基板对准采用离轴OA 结构，位于基板台正上方，结合专门设计的栅格对准标记，更有利于提高玻璃基板对准精度及工艺适应性。调焦调平系统专为透明玻璃基板材料设计，共有5 个测量分支，用于基板曝光区域上表面与投影物镜下表面的相对高度和倾斜，能够自动驱动基板台垂向电机将基板带到最佳成像焦面，并可通过在动态曝光过程实时地对当前曝光区域进行调焦调平来有效消除基板上表面形起伏导致的离焦误差。上述技术可有效保证曝光分辨率关键尺寸CD 和套刻Overlay 精度。

SSB225/10 投影曝光机采用自动150 mm(6英寸)掩模传送系统，并配备高达30 块掩模版的存储单元；基板传送系统支持自动化产线对接及离线单CASSETTE 对接，可处理0.3～1 mm 厚度范围的G2.5 玻璃基板（基板尺寸400 mm×500 mm或370 mm×470 mm），并配备预对准及二次预对准单元，可根据基板边缘进行准确定心及定向，实现曝光图形的中心偏差控制。设备软件采用UNIX系统，支持离线JOB 编辑，支持同一曝光层多种曝光图形，支持拼接曝光实现更大尺寸的屏幕制造。

SSB225/10 投影曝光机是一个涉及光、机、电等诸多学科的复杂动态系统和精密设备，设备的关键性能指标CD、Overlay 等均通过专业的仿真分析及工程试验验证，配合设备强大的软件校准系统，能够实现2 μm 线宽的10%均匀性控制，优于500 nm 的套刻精度控制，可满足高分辨率显示器件的曝光工艺要求。

3 曝光机设备性能及器件测试

3.1 性能测试

SSB225/10 投影曝光机CD 性能测试分别使用300 mm 硅片和G2.5 玻璃基板进行：300 mm硅片用于测试设备的极限分辨率，使用的光刻胶为AZ MiR703（胶厚1.2 μm，曝光剂量180 mJ/cm2），PR 最高分辨率优于1 μm；G2.5 玻璃基板用于测试设备在当前主流平板光刻胶中的曝光分辨率，使用的光刻胶为AZ SFP1400（胶厚1.5 μm，曝光剂量20 mJ/cm2），PR 最高分辨率为2.5 μm。

图3 300 mm 硅片曝光区域分布

表1 300 mm 硅片曝光线条测量数据

基于300 mm 硅片的CDU 测试通过动态曝光两个场（如图3），每个曝光场垂向通过调焦调平系统实时测量控制以保证合焦精度，曝光面积120 mm×130 mm，场内测量15 个点，每个点测量水平（H）和垂直（V）两个方向的线条，线条周期（pitch）4 μm，目标线宽2 μm。两个场总共60 个测量数据（如表1）表明CD 均值1.98 μm，均匀性CDU 达到7.53%，实现10%以内控制目标，同时场内1.8 μm 线条两个方向均清晰可辨（如图4）。为比较动态1.8 μm 线条成像质量，又做了静态曝光测试，即曝光时掩模台工件台不运动，仅在较小曝光SLIT 区域内观测1.8 μm 线条（如图5），比较发现，设备动态曝光出的1.8 μm 线条与静态曝光几无区别，即此时设备动态曝光已经达到了最佳极限分辨率状态，说明在AZ MiR703 中可以实现1.8 μm 成像分辨率。

图4 300 mm 硅片1.8 m 动态曝光线条

图5 300 mm 硅片1.8 m 静态曝光线条

基于G2.5 玻璃基板（400 mm×500 mm）的CDU 测试通过动态曝光四个场，每个曝光场垂向仍通过调焦调平系统实时测量控制以保证合焦精度，曝光场面积180 mm×230 mm，场内测量9 个点，每个点仍测量水平（H）和垂直（V）两个方向的线条，线条周期（pitch）5 μm，目标线宽2.5 μm。四个场总共72 个测量数据（如表2）表明CD 均值2.14 μm，均匀性CDU 达到8.90%，实现10%以内控制目标，线条观测如图6所示。线条偏细为剂量略大所致，但pitch 仍是5 μm，说明在AZ SFP1400 这款平板行业的主流光刻胶中完全可以实现2.5 μm 成像分辨率。

表2 400 mm×500 mm 基板曝光线条测量数据

图6 基板曝光V&H 线条

SSB225/10 曝光机的套刻精度测试采用游标套刻标记测量两层曝光图形之间的x 和y 向误差，并分单机套刻（两层都由SSB225/10 曝光机完成）和匹配套刻（第一层由Nikon 曝光机完成，第二层由SSB225/10 曝光机完成）两种情况。单机套刻时首先在基板上曝光四个场，曝光场面积180 mm×230 mm，包含对准标记及第一层套刻标记；然后下片，间隔一段时间后（通常为1 天）再根据测量第一层的4 个对准标记计算第二层曝光场位置，完成第二层套刻标记曝光，显影后测量两层套刻标记之间的误差即为套刻误差。测量过程中，每个场测量各个角共4 对游标标记（每对标记含x 和y 两个方向，如图7），总共32个实测数据如表3所示，说明设备单机套刻精度约300 nm。

图7 基板单机套刻测量游标

表3 400 mm×500 mm 基板单机套刻测量数据

匹配套刻时，由于两台曝光机视场大小的差异，只能以较小视场面积作为实际曝光面积。首先在G2.5 基板上用Nikon 设备曝光6 个场（如图8），曝光场面积132 mm×132 mm，包含对准标记及第一层套刻标记；然后下片，间隔一段时间后（通常为1～3 天）再用被测试设备SSB225/10 测量第一层的对准标记并计算第二层曝光场位置，完成第二层套刻标记曝光，显影后测量两层套刻标记之间的误差即为套刻误差。测量过程中，每个场测量各个角共4 对游标标记（每对标记含x 和y两个方向，如图8），总共48 个实测数据如表4所示。这里我们分别在间隔1 天和3 天时进行了曝光测试，以考查曝光机的稳定性，分别对应表4中的两组，测试说明设备匹配套刻精度约600 nm，并且x 向套刻误差中含倍率误差分量，如果进一步调整物镜倍率（有可动镜片支持），将能够实现更优的套刻精度。

在曝光分辨率和套刻精度都满足要求的情况下，为了进一步验证SSB225/10 设备能力，我们用400 mm×500 mm 玻璃基板进行TFT 实际图形曝光，并最终蒸镀OLED 材料，通过AMOLED 屏幕点亮显示来进行测试。

3.2 器件测试

图8 400 mm×500 mm 基板匹配套刻曝光区域

表4 基板匹配套刻测量数据（间隔5 天）

AMOLED 显示器件对应的MASK 设计规格采用对角线115 mm(4.6 英寸)的矩形显示屏幕，显示分辨率800×480，G2.5 低温多晶硅（LTPS）基底材料带有像素补偿驱动电路，总共9 块MASK（如表5）9 层曝光8 层套刻，各曝光层之间的重合规则如图9所示，即所有曝光层都在SSB225/10 上完成。

表5 9 层曝光定义及掩模版名称

图9 9 层曝光8 层套刻重合规则

图10 （依次从左到右，从上到下）9 层曝光实际像素图形照片

各曝光层除了材料膜厚、电学特性测试外，还将采用专用线幅测试标记进行曝光条件、显影条件、刻蚀条件等的推出及管理，采用游标Vernier 标记进行套刻误差监控。实际制造过程中的9 层像素图形清晰（如图10），线幅满足分辩率要求。由于AMOLED 的TFT 电路更复杂，曝光层数也比传统LCD 更多，更多层的工艺也更容易造成图形变形，所以各层之间套刻误差控制就尤为重要，图11展示了ITO 层与SD 层之间的实际套刻测量标记，事实上测量过程中8 层套刻误差全部满足重合精度要求，因此所有电学特性TEG 测试结果也均在第一轮制造过程中达到预期设计指标。

ARRAY`环节的TFT 曝光过程及实测数据表明，400 mm ×500 mm 的 玻 璃 基 板 能 够 在SSB225/10 投影曝光机中完成自动化传送流程、预对准及对准流程、调焦调平流程、单层及多层曝光流程，各层关键尺寸CD 及套刻Overlay 精度满足基于LTPS 的AMOLED 工艺要求。TFT 制造完成后，进行了基板切割、OLED 蒸镀及激光封装，最终完成的AMOLED 屏幕一次性点亮成功。其图片显示效果如图12所示。

图11 第8 层（ITO 层）曝光图形套刻x 和y 方向误差测量标记

图12 第一块由SSB225/10 制造的115 mm(4.6 英寸)AMOLED 屏幕点亮显示效果

4 结 论

根据SSB225/10 投影曝光机的实测CD 和Overlay 数据，及其制造的LTPS-TFT 基板特性，整机关键性能指标符合设计预期，具备优良的400 mm×500 mm 玻璃基板传送、测量及曝光能力，设备自动化功能及灵活友好的软件系统可很好的适应G2.5 线的各种试验和生产要求，这也是国内外唯一能够支持G2.5 玻璃基板、曝光视场尺寸达到180 mm×260 mm、并且分辨率优于2 μm 的高精度扫描式投影曝光机。该曝光机技术平台还可进一步扩展以支持G4.5 玻璃基板尺寸，以满足G4.5 线的高显示分辨率屏幕制造要求。

[1]Lin C L，Chen P S，Cheng M H，et al.A three-transistor pixel circuit to compensate for threshold voltage variations of ltps tfts for amoled displays[J].J.Disp.Technol.，2015，11(2)：146-151.

[2]Gao X Y，Lin L，Liu Y C，et al.LTPS TFT process on polyimide substrate for flexible AMOLED[J].J.Disp.Technol.，2015，11(8)：666-669.

[3]艾恩溪.我国平板显示产业现状及未来趋势分析[J].集成电路应用，2015，(02)：22-23.

[4]何珑.智能电视尺寸连破纪录 大屏高清当道竞争重回画质[N].通信信息报，2013-07-24(B11).

[5]张振宇，邓建国，刘英坤.大面积高分辨率光刻技术研究[J].电子工业专用设备，2009，(03)：11-14.

[6]周畅，李喜峰.200 mm×200 mm OLED 步进投影曝光机[J].电子工业专用设备，2012，41(3)：12-16.