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)教育部重點實驗室，上海200444)

1 AMOLED 發(fā)展及高分辨率曝光技術(shù)

AMOLED 顯示被稱為繼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、無視角問題、高清晰、高亮度、響應(yīng)快速、能耗低等優(yōu)點[1]，還是當(dāng)今唯一支持高性能柔性顯示的技術(shù)[2]，因此國內(nèi)外各面板廠無一不高度重視此項技術(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。目前國內(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)志著與國外的差距正在逐漸縮小。隨著人們對移動終端顯示性能要求的逐漸提高，2K 顯示已經(jīng)較為普及，無論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)品平臺開發(fā)，并針對移動終端顯示器件研制了具有高分辨率和大視場特點的曝光系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)不超過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，該平臺可以進(jìn)一步擴(kuò)展到G4.5 基板尺寸，實現(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(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，腔體溫度控制系統(tǒng)通過整體循環(huán)送風(fēng)方式控制對準(zhǔn)及曝光過程的環(huán)境潔凈度、濕度、溫度，設(shè)備內(nèi)部潔凈度為CLASS 10 級，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)備通過照明狹縫掃描方式實現(xiàn)大面積動態(tài)曝光成像（如圖2），也是國內(nèi)首臺自主研發(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 以狹縫照明方式實現(xiàn)動態(tài)掃描成像

曝光系統(tǒng)采用窄波帶i 線（波長365 nm）照明光源，雙遠(yuǎn)心成像光路，投影物鏡通過2 倍放大成像及基于波像差WFE 的設(shè)計實現(xiàn)小畸變、大視場、高分辨率光學(xué)系統(tǒng)：成像視場尺寸180 mm×260 mm 對應(yīng)超過300 mm(12 英寸)屏幕面積，成像分辨率2 μm 對應(yīng)可制造超過600PPI 顯示分辨率屏幕。同時，照明能量可根據(jù)用戶光刻膠曝光劑量要求設(shè)置不同的級別，以滿足每片基板的快速處理時間要求；照明視場可根據(jù)用戶生產(chǎn)屏幕尺寸進(jìn)行無級設(shè)置以遮擋刀片開口面積，以滿足動態(tài)成像及基板面積高效利用要求。掩模臺包含大行程驅(qū)動裝置和精確定位微動臺，進(jìn)行水平向和垂向6 自由度的高精度定位運動和單向掃描運動，最大水平y(tǒng) 向掃描行程可實現(xiàn)130 mm 掩模圖形曝光，垂向3 自由度亞微米級控制可準(zhǔn)確實現(xiàn)物面動態(tài)定位?；迮_采用全陶瓷氣浮結(jié)構(gòu)，雙邊平衡驅(qū)動，激光干涉儀測量系統(tǒng)，6 自由度高精度伺服控制，以滿足高可靠性及高精度對準(zhǔn)要求。并且，掩模臺和基板臺通過同步控制總線可實現(xiàn)小于100 nm 的水平向同步掃描運動，以滿足高分辨率動態(tài)曝光要求。對準(zhǔn)系統(tǒng)包括掩模（MASK）對準(zhǔn)單元和基板（PLATE）對準(zhǔn)單元。掩模對準(zhǔn)單元安裝在基板臺上，可通過物鏡準(zhǔn)確測量掩模標(biāo)記的水平向和垂向位置，即同時實現(xiàn)了對準(zhǔn)及空間像傳感器功能；基板對準(zhǔn)采用離軸OA 結(jié)構(gòu)，位于基板臺正上方，結(jié)合專門設(shè)計的柵格對準(zhǔn)標(biāo)記，更有利于提高玻璃基板對準(zhǔn)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，共有5 個測量分支，用于基板曝光區(qū)域上表面與投影物鏡下表面的相對高度和傾斜，能夠自動驅(qū)動基板臺垂向電機(jī)將基板帶到最佳成像焦面，并可通過在動態(tài)曝光過程實時地對當(dāng)前曝光區(qū)域進(jìn)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。上述技術(shù)可有效保證曝光分辨率關(guān)鍵尺寸CD 和套刻Overlay 精度。

SSB225/10 投影曝光機(jī)采用自動150 mm(6英寸)掩模傳送系統(tǒng)，并配備高達(dá)30 塊掩模版的存儲單元；基板傳送系統(tǒng)支持自動化產(chǎn)線對接及離線單CASSETTE 對接，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)對準(zhǔn)及二次預(yù)對準(zhǔn)單元，可根據(jù)基板邊緣進(jìn)行準(zhǔn)確定心及定向，實現(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，支持拼接曝光實現(xiàn)更大尺寸的屏幕制造。

SSB225/10 投影曝光機(jī)是一個涉及光、機(jī)、電等諸多學(xué)科的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)和精密設(shè)備，設(shè)備的關(guān)鍵性能指標(biāo)CD、Overlay 等均通過專業(yè)的仿真分析及工程試驗驗證，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)備性能及器件測試

3.1 性能測試

SSB225/10 投影曝光機(jī)CD 性能測試分別使用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 硅片曝光線條測量數(shù)據(jù)

基于300 mm 硅片的CDU 測試通過動態(tài)曝光兩個場（如圖3），每個曝光場垂向通過調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)實時測量控制以保證合焦精度，曝光面積120 mm×130 mm，場內(nèi)測量15 個點，每個點測量水平（H）和垂直（V）兩個方向的線條，線條周期（pitch）4 μm，目標(biāo)線寬2 μm。兩個場總共60 個測量數(shù)據(jù)（如表1）表明CD 均值1.98 μm，均勻性CDU 達(dá)到7.53%，實現(xiàn)10%以內(nèi)控制目標(biāo)，同時場內(nèi)1.8 μm 線條兩個方向均清晰可辨（如圖4）。為比較動態(tài)1.8 μm 線條成像質(zhì)量，又做了靜態(tài)曝光測試，即曝光時掩模臺工件臺不運動，僅在較小曝光SLIT 區(qū)域內(nèi)觀測1.8 μm 線條（如圖5），比較發(fā)現(xiàn)，設(shè)備動態(tài)曝光出的1.8 μm 線條與靜態(tài)曝光幾無區(qū)別，即此時設(shè)備動態(tài)曝光已經(jīng)達(dá)到了最佳極限分辨率狀態(tài)，說明在AZ MiR703 中可以實現(xiàn)1.8 μm 成像分辨率。

圖4 300 mm 硅片1.8 m 動態(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 測試通過動態(tài)曝光四個場，每個曝光場垂向仍通過調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)實時測量控制以保證合焦精度，曝光場面積180 mm×230 mm，場內(nèi)測量9 個點，每個點仍測量水平（H）和垂直（V）兩個方向的線條，線條周期（pitch）5 μm，目標(biāo)線寬2.5 μm。四個場總共72 個測量數(shù)據(jù)（如表2）表明CD 均值2.14 μm，均勻性CDU 達(dá)到8.90%，實現(xiàn)10%以內(nèi)控制目標(biāo)，線條觀測如圖6所示。線條偏細(xì)為劑量略大所致，但pitch 仍是5 μm，說明在AZ SFP1400 這款平板行業(yè)的主流光刻膠中完全可以實現(xiàn)2.5 μm 成像分辨率。

表2 400 mm×500 mm 基板曝光線條測量數(shù)據(jù)

圖6 基板曝光V&H 線條

SSB225/10 曝光機(jī)的套刻精度測試采用游標(biāo)套刻標(biāo)記測量兩層曝光圖形之間的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)套刻時首先在基板上曝光四個場，曝光場面積180 mm×230 mm，包含對準(zhǔn)標(biāo)記及第一層套刻標(biāo)記；然后下片，間隔一段時間后（通常為1 天）再根據(jù)測量第一層的4 個對準(zhǔn)標(biāo)記計算第二層曝光場位置，完成第二層套刻標(biāo)記曝光，顯影后測量兩層套刻標(biāo)記之間的誤差即為套刻誤差。測量過程中，每個場測量各個角共4 對游標(biāo)標(biāo)記（每對標(biāo)記含x 和y 兩個方向，如圖7），總共32個實測數(shù)據(jù)如表3所示，說明設(shè)備單機(jī)套刻精度約300 nm。

圖7 基板單機(jī)套刻測量游標(biāo)

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

匹配套刻時，由于兩臺曝光機(jī)視場大小的差異，只能以較小視場面積作為實際曝光面積。首先在G2.5 基板上用Nikon 設(shè)備曝光6 個場（如圖8），曝光場面積132 mm×132 mm，包含對準(zhǔn)標(biāo)記及第一層套刻標(biāo)記；然后下片，間隔一段時間后（通常為1～3 天）再用被測試設(shè)備SSB225/10 測量第一層的對準(zhǔn)標(biāo)記并計算第二層曝光場位置，完成第二層套刻標(biāo)記曝光，顯影后測量兩層套刻標(biāo)記之間的誤差即為套刻誤差。測量過程中，每個場測量各個角共4 對游標(biāo)標(biāo)記（每對標(biāo)記含x 和y兩個方向，如圖8），總共48 個實測數(shù)據(jù)如表4所示。這里我們分別在間隔1 天和3 天時進(jìn)行了曝光測試，以考查曝光機(jī)的穩(wěn)定性，分別對應(yīng)表4中的兩組，測試說明設(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)一步驗證SSB225/10 設(shè)備能力，我們用400 mm×500 mm 玻璃基板進(jìn)行TFT 實際圖形曝光，并最終蒸鍍OLED 材料，通過AMOLED 屏幕點亮顯示來進(jìn)行測試。

3.2 器件測試

圖8 400 mm×500 mm 基板匹配套刻曝光區(qū)域

表4 基板匹配套刻測量數(shù)據(jù)（間隔5 天）

AMOLED 顯示器件對應(yīng)的MASK 設(shè)計規(guī)格采用對角線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

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 層曝光實際像素圖形照片

各曝光層除了材料膜厚、電學(xué)特性測試外，還將采用專用線幅測試標(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。實際制造過程中的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 層之間的實際套刻測量標(biāo)記，事實上測量過程中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 測試結(jié)果也均在第一輪制造過程中達(dá)到預(yù)期設(shè)計指標(biāo)。

ARRAY`環(huán)節(jié)的TFT 曝光過程及實測數(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)中完成自動化傳送流程、預(yù)對準(zhǔn)及對準(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Overlay 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 屏幕點亮顯示效果

4 結(jié) 論

根據(jù)SSB225/10 投影曝光機(jī)的實測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)計預(yù)期，具備優(yōu)良的400 mm×500 mm 玻璃基板傳送、測量及曝光能力，設(shè)備自動化功能及靈活友好的軟件系統(tǒng)可很好的適應(yīng)G2.5 線的各種試驗和生產(chǎn)要求，這也是國內(nèi)外唯一能夠支持G2.5 玻璃基板、曝光視場尺寸達(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。

[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.我國平板顯示產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及未來趨勢分析[J].集成電路應(yīng)用，2015，(02)：22-23.

[4]何瓏.智能電視尺寸連破紀(jì)錄 大屏高清當(dāng)?shù)栏偁幹鼗禺嬞|(zhì)[N].通信信息報，2013-07-24(B11).

[5]張振宇，鄧建國，劉英坤.大面積高分辨率光刻技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，(03)：11-14.

[6]周暢，李喜峰.200 mm×200 mm OLED 步進(jìn)投影曝光機(jī)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2012，41(3)：12-16.