高世代平板显示光刻机照明系统中梯形视场的设计与仿真

曹昌智+刘悠嵘+郑继红

摘要：针对大面积薄膜晶体管（TFT）液晶显示生产中的高世代光刻机（6代以上）照明系统改进，设计了一种新颖的梯形拼接照明视场方案。使用设置在微透镜阵列入瞳处的视场光阑阵列实现了梯形拼接照明视场，同时简化了系统设计。相较于以尼康平板液晶显示器（FPD）光刻机为代表的现有梯形拼接视场方案，提出的设计方案能减少投影物镜的热负担，同时在一定程度上提高照明系统的光能透过率。通过Lighttools建模分析，说明该设计方案能够实现梯形照明视场并且积分均匀性在1%以内，达到了设计预期效果。

关键词： 液晶显示； 薄膜晶体管； 光刻机； 视场拼接； Lighttools模拟

中图分类号： O 439 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.008

Design and simulation of illumination system for trapezoidal splice fields in high-generation flat pannel display lithography machine

CAO Changzhi， LIU Yourong， ZHENG Jihong

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to satisfy the production requirement of large-area thin film transistor（TFT） liquid crystal display，a novel high-generation（above the 6th generation） optical illumination system used in the trapezoidal field stitching is proposed in this paper.By using a trapezoidal field stop array at the entrance pupil of the micro-lens array，the illumination system can be simplified and realize uniform trapezoidal illumination field.Compared with current design of Nikon flat pannel display（FPD） lithography，the proposed illumination system can not only effectively reduce projection lenses heat effect，but also improve transmittance.In the simulation with Lighttools，the result shows that the integral illumination uniformity of our proposed optical system is less than 1% and the trapezoidal illumination field is realized，which satisfies the design requirement for the illumination system.

Keywords：

liquid crystal display； thin film transistor； lithography machine； field stitching； Lighttools simulation

引 言

光刻機是现代微电子技术中的重要设备，经历了从接触式光刻机、接近式光刻机、全硅片扫描投影式光刻机、分布重复投影式光刻机到目前普遍采用的步进式扫描投影光刻机的发展历程[1]。光刻机技术广泛应用于半导体元件制造与液晶平板显示器制造，对于薄膜晶体管（TFT）的制作尤为关键。随着对大尺寸平板液晶显示器（FPD）的需求越来越大，光刻机的曝光视场也越来越大，但是从第五代（G5）光刻机之后，单个成像物镜的视场已无法满足大型平板的曝光需求，从第六代起多物镜拼接扫描曝光便成为主流。因此，与物镜成像拼接相对应的照明视场拼接亦成为FPD光刻机光学设计的一个重要问题。

目前，以尼康公司平板显示光刻机为代表的视场拼接多采用多物镜梯形视场拼接作为主流方案。该方案采用微透镜阵列作为匀光元件，能很好地解决大尺寸TFT基板曝光的均匀性问题[2-6]。微透镜阵列出射孔径角较大，可以实现大面积照明，其匀光基于折射的原理，能避免高阶衍射造成较大的能量损耗[7-8]，而且还能保持光的偏振特性，因此微透镜阵列是光刻机照明系统中保证均匀照明的关键技术方案[9-14]。但是由于该方案是通过在投影物镜中设置梯形视场光阑来实现梯形视场，所以在大剂量或者长时间曝光中，视场光阑吸收的能量会导致物镜的热效应加重，从而影响曝光效果[15]。

本文基于微透镜阵列匀光系统提出改进的梯形视场实现方案，直接将梯形视场光阑阵列设置在系统微透镜阵列入瞳处，简化了光学系统结构。在形成符合拼接要求的梯形子视场的同时，避免视场光阑发热对物镜造成额外的热效应。采用Lighttools软件对提出的方案进行仿真模拟，结果显示，该方案能够满足匀光度和梯形的曝光视场要求。

1 平板显示TFT光刻机曝光系统基本原理

由于大面积显示的需求，光刻机需要扫描曝光的区域很大。但是单个物镜视场是有限的，所以在曝光扫描过程中必须采用多个弯月型或者梯形子视场拼接的方式完成大视场扫描，以梯形拼接视场扫描的TFT光刻技术如图1所示。在典型的采用梯形视场拼接的光刻机照明系统中，均匀照明的大视场的实现流程如图2所示，首先由2～3个大功率汞灯提供高能量紫外光源，由大口径光纤束合成一组，再进入多个小分支光纤，向7～11个照明系统阵列提供光源，再由各个照明系统向所对应的物镜提供均匀照明。

在照明系统中，光纤束输入的光斑经过准直镜组校正光斑大小和输出角度后，进入微透镜阵列，由微透镜阵列将入射光斑分解成多个次级光源，各自输入后面的会聚镜组交叠成像形成一个均匀的矩形光斑。在会聚镜组的像面处设置梯形光阑形成初步的梯形视场，然后经由后面的中继镜组将初步的梯形照明视场成像到物镜的物面，接着经过设置在物镜中间像上的物镜视场光阑形成最终的梯形视场。

显然这种方案能够实现照明系统的梯形视场，但是系统比较复杂。光刻机长时间工作，物镜中的视场光阑吸收杂散光发热，会造成物镜额外的热负担。为了克服原有系统的缺点，本文提出新的梯形照明方案。实现的基本流程如图3所示，由光纤输入的光源经过一组准直镜组校正输出角度与光斑大小后进入微透镜阵列，由微透镜阵列将入射光斑分解成多个次级光源，各个次级光源经由微透镜阵列前的梯形光阑阵列形成梯形光斑，各自输入后面的会聚镜组交叠成像形成最终的梯形均匀光斑。后续均匀梯形光斑再直接照射掩模版，通过物镜成像到光刻工作面上。对比典型的图2系统，该照明技术方案更为精简，直接在照明系统中形成最终的梯形光斑，有效减轻了物镜的热负担，并且提高了照明系统的透过率。

2 光刻机匀光照明系统的光学设计与仿真

2.1 光刻机照明系统的整体设计及主要参数

光刻机作为半导体工业的主要设备，主要技术参数由成像物镜的分辨率、视场大小以及设备产率需求确定。光刻机物镜的分辨率取决于照明系统的工作波长与物镜的数值孔径NA；物镜的视场范围决定了照明部分的均匀视场大小；设备的产率需求则决定了照明系统的照度。表1所示为尼康FX86S2型光刻机的主要性能参数，其中能达到的分辨率為3.0 μm，放大率为+1，工作波长为365，405，436 nm，即g，h和i光。最大光刻基板尺寸是2 200 mm×2 500 mm，采用4次扫描曝光，每个曝光区域相当于55 inch （1 inch=2.54 cm），也就是单次照相物镜阵列的组合视场范围要达到1 100 mm×1 250 mm。

式中：C为光刻机的最小分辨尺寸；K为工艺因子；NA为物镜像方数值孔径；λ为物镜的工作波长。若需要达到3 μm的分辨率，在365 nm单波长曝光下，物镜的数值孔径NA=0.1即可满足需求。

为了实现1 100 mm大型视场的物镜组合，系统可采用11个物镜拼接，相对应地，也需要11个相同的照明系统。以单个照明系统的结构为例，照明系统的结构设计示意图如图4所示。

整个光刻机系统的光源由2个高功率灯室经过一个2进11出的分束光纤（NA=0.22）引出能量，为单个物镜提供照明能量。单个物镜的光照系统设计包括前组准直镜组，微透镜阵列，梯形光阑和后组会聚镜组，形成系统需要的梯形均匀光照进入物镜。

2.2 后会聚镜组设计

由于光学系统的可逆性，从后组会聚镜组开始到前准直镜组设计也是可行的。根据上文所述的1 100 mm×1 250 mm的曝光区域，假设工作视场采用11个物镜组成的物镜阵列，每个100 mm×125 mm，则单个物镜视场为图5所示的梯形视场（30 mm×130 mm），光刻机倍率为1，照明视场范围也为30 mm×130 mm。

根据上文所述的物镜像方数值孔径NA为 0.1，会聚镜组的入瞳直径（D）设为100 mm，则根据

可得出会聚镜组的焦距（L）为500 mm。将会聚镜组像面矩形长边方向定义为x方向，短边方向定义为y方向，有式中：α为入瞳角；H为像高。根据式（3）可以计算出x方向的最大视场入瞳角为7.407°；y方向的最大视场入瞳角为1.718°。

后会聚镜组的系统设计数据如表2所示（如无特殊说明，本文提及所有镜头数据单位为mm），系统结构设计如图6所示。

如图7所示，后会聚镜组各个视场的弥散斑直径均方根（RMS）值小于0.65 mm，能够保证照明视场的边缘足够锐利，并能将视场半影遮挡在掩模铬边区域内。

2.3 微透镜阵列及梯形光阑阵列设计

微透镜阵列设计为像方远心光路，以减小后会聚物镜组的光线误差，像方最大的角度需要对应后会聚镜组的入瞳角，否则会造成最终的照明形状变形并出现很大的弥散区域，同时也会造成能量损失。后会聚镜组的入瞳的视场光阑阵列大小为100 mm×100 mm，则微透镜阵列在x方向由10个单片微透镜组成，微透镜截面的x方向入瞳大小定为10 mm。由上所述x方向入瞳角为7.407°，由式（2）可得微透镜的焦距为38.46 mm，同样根据上文所述y方向入瞳角为1.718°以及微透镜的焦距，根据式（3）计算出y方向的入瞳口径为2.3 mm。

微透镜阵列中的单个透镜设计为鼓型透镜，具体设计数据如表3所示，其结构如图8所示，梯形光阑位于微透镜前。每一片透镜单独加工，最后贴合成一个完整的阵列，亦可整个微透镜阵列进行整体加工成型（光刻或激光切割）。

相对应地，在本设计中为了最终形成梯形的照明视场，在每个微透镜前方的入瞳位置设置一个梯形光阑，形成照明系统的梯形视场光阑阵列，则最终照明视场的形状就由该光阑的形状所决定。根据上文的计算，微透镜x与y方向上的入瞳口径（10 mm和2.3 mm）即为梯形视场光阑的底边长与高，根据图8所示梯形视场的底角为45°，即可得到单个视场光阑的形状如图9所示。由于光阑阵列的形状与位置决定了最终照明视场的形状与位置，所以光阑阵列需要较高的加工精度，可以使用激光切割或者在石英基底上光刻的方式完成。

2.4 前准直镜组设计

同样，光照系统的前准直镜组设计也为像方远心系统，以保证微透镜阵列的入瞳角度。光纤出射端光束经过前组准直后，要保证照射到对应微透镜的数值孔径范围之内并照亮后会聚镜组的入瞳口径。照射到微透镜NA以外的光线会在传递过程中损耗，或者落到设计视场以外的区域，造成照明视场的变形与边缘弥散区域的扩大。微透镜的截面是长方形，因此经过光纤传输整形后的入射光束也是与之相匹配的长方形。微透镜阵列的尺寸正是前准直镜组的像高，为50 mm。而光纤的NA为0.22（石英光纤典型数值孔径），根据式（2）前准直镜组的焦距为221.704 mm。根据后会聚镜组x方向入瞳角为7.407°，y方向入瞳角为1.718°，再根据式（3）则计算得出前准直镜组的物方尺寸（即光纤出射端尺寸）为57.643 mm×13.302 mm。所设计的具体光路图和数据如图10和表4所示。

2.5 系统设计性能仿真

将整个光学系统在Lighttools中建模仿真（图11）。总追迹光线为10 000 000条，为有效消除随机噪声对追迹结果造成的干扰，对追迹结果进行三阶平滑处理。

考虑到梯形视场难以进行积分均匀性的计算，而且视场光阑只会影响照明视场的形状而不会对照明均匀性有影响，所以视场能量均匀性仿真是基于不设置光阑阵列条件进行的。结果显示，积分均匀性为0.884%。

由系统仿真图12和图13的结果可以看出，视场光阑阵列的确发挥了作用，系统形成了标准梯形照明视场。而视场周围的弥散是由后会聚镜组造成的，考虑到实际工作情况下，在掩模图形区域的周围存在铬边进行遮挡，所以这种程度的弥散不会影响实际工作。

3 结 论

提出的视场形成方案较现有的方案在照明系统中省去了整个中继镜组结构，很大程度上节省了系统的成本并降低了系统的复杂程度。同时将额外的热负担最大程度地留在照明系统的前半部分（梯形光阑阵列位置），从而缓解了物镜的热负担，降低了物镜热效应。从最终的系统仿真结果可以看出，使用视场光阑阵列配合微透镜阵列匀光，在理论上完全可以实现梯形的均匀照明视场。

但是作者在实际工作中发现，虽然微透镜阵列应用于均匀照明领域的情况非常普遍，但是微透镜本身的像差（主要是畸变）也会对最终的照明视场均匀性和视场形状造成影响，尤其是在大焦距后会聚镜组的情况下。考虑如何消除或补偿微透镜本身的像差所导致的照明视场均匀性恶化，在工程应用上有较大的意义。

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