曹昌智+劉悠嶸+鄭繼紅

摘要：針對大面積薄膜晶體管（TFT）液晶顯示生產(chǎn)中的高世代光刻機（6代以上）照明系統(tǒng)改進，設(shè)計了一種新穎的梯形拼接照明視場方案。使用設(shè)置在微透鏡陣列入瞳處的視場光闌陣列實現(xiàn)了梯形拼接照明視場，同時簡化了系統(tǒng)設(shè)計。相較于以尼康平板液晶顯示器（FPD）光刻機為代表的現(xiàn)有梯形拼接視場方案，提出的設(shè)計方案能減少投影物鏡的熱負擔，同時在一定程度上提高照明系統(tǒng)的光能透過率。通過Lighttools建模分析，說明該設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)梯形照明視場并且積分均勻性在1%以內(nèi)，達到了設(shè)計預期效果。

關(guān)鍵詞： 液晶顯示； 薄膜晶體管； 光刻機； 視場拼接； Lighttools模擬

中圖分類號： O 439 文獻標志碼： 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

光刻機是現(xiàn)代微電子技術(shù)中的重要設(shè)備，經(jīng)歷了從接觸式光刻機、接近式光刻機、全硅片掃描投影式光刻機、分布重復投影式光刻機到目前普遍采用的步進式掃描投影光刻機的發(fā)展歷程[1]。光刻機技術(shù)廣泛應(yīng)用于半導體元件制造與液晶平板顯示器制造，對于薄膜晶體管（TFT）的制作尤為關(guān)鍵。隨著對大尺寸平板液晶顯示器（FPD）的需求越來越大，光刻機的曝光視場也越來越大，但是從第五代（G5）光刻機之后，單個成像物鏡的視場已無法滿足大型平板的曝光需求，從第六代起多物鏡拼接掃描曝光便成為主流。因此，與物鏡成像拼接相對應(yīng)的照明視場拼接亦成為FPD光刻機光學設(shè)計的一個重要問題。

目前，以尼康公司平板顯示光刻機為代表的視場拼接多采用多物鏡梯形視場拼接作為主流方案。該方案采用微透鏡陣列作為勻光元件，能很好地解決大尺寸TFT基板曝光的均勻性問題[2-6]。微透鏡陣列出射孔徑角較大，可以實現(xiàn)大面積照明，其勻光基于折射的原理，能避免高階衍射造成較大的能量損耗[7-8]，而且還能保持光的偏振特性，因此微透鏡陣列是光刻機照明系統(tǒng)中保證均勻照明的關(guān)鍵技術(shù)方案[9-14]。但是由于該方案是通過在投影物鏡中設(shè)置梯形視場光闌來實現(xiàn)梯形視場，所以在大劑量或者長時間曝光中，視場光闌吸收的能量會導致物鏡的熱效應(yīng)加重，從而影響曝光效果[15]。

本文基于微透鏡陣列勻光系統(tǒng)提出改進的梯形視場實現(xiàn)方案，直接將梯形視場光闌陣列設(shè)置在系統(tǒng)微透鏡陣列入瞳處，簡化了光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在形成符合拼接要求的梯形子視場的同時，避免視場光闌發(fā)熱對物鏡造成額外的熱效應(yīng)。采用Lighttools軟件對提出的方案進行仿真模擬，結(jié)果顯示，該方案能夠滿足勻光度和梯形的曝光視場要求。

1 平板顯示TFT光刻機曝光系統(tǒng)基本原理

由于大面積顯示的需求，光刻機需要掃描曝光的區(qū)域很大。但是單個物鏡視場是有限的，所以在曝光掃描過程中必須采用多個彎月型或者梯形子視場拼接的方式完成大視場掃描，以梯形拼接視場掃描的TFT光刻技術(shù)如圖1所示。在典型的采用梯形視場拼接的光刻機照明系統(tǒng)中，均勻照明的大視場的實現(xiàn)流程如圖2所示，首先由2～3個大功率汞燈提供高能量紫外光源，由大口徑光纖束合成一組，再進入多個小分支光纖，向7～11個照明系統(tǒng)陣列提供光源，再由各個照明系統(tǒng)向所對應(yīng)的物鏡提供均勻照明。

在照明系統(tǒng)中，光纖束輸入的光斑經(jīng)過準直鏡組校正光斑大小和輸出角度后，進入微透鏡陣列，由微透鏡陣列將入射光斑分解成多個次級光源，各自輸入后面的會聚鏡組交疊成像形成一個均勻的矩形光斑。在會聚鏡組的像面處設(shè)置梯形光闌形成初步的梯形視場，然后經(jīng)由后面的中繼鏡組將初步的梯形照明視場成像到物鏡的物面，接著經(jīng)過設(shè)置在物鏡中間像上的物鏡視場光闌形成最終的梯形視場。

顯然這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)照明系統(tǒng)的梯形視場，但是系統(tǒng)比較復雜。光刻機長時間工作，物鏡中的視場光闌吸收雜散光發(fā)熱，會造成物鏡額外的熱負擔。為了克服原有系統(tǒng)的缺點，本文提出新的梯形照明方案。實現(xiàn)的基本流程如圖3所示，由光纖輸入的光源經(jīng)過一組準直鏡組校正輸出角度與光斑大小后進入微透鏡陣列，由微透鏡陣列將入射光斑分解成多個次級光源，各個次級光源經(jīng)由微透鏡陣列前的梯形光闌陣列形成梯形光斑，各自輸入后面的會聚鏡組交疊成像形成最終的梯形均勻光斑。后續(xù)均勻梯形光斑再直接照射掩模版，通過物鏡成像到光刻工作面上。對比典型的圖2系統(tǒng)，該照明技術(shù)方案更為精簡，直接在照明系統(tǒng)中形成最終的梯形光斑，有效減輕了物鏡的熱負擔，并且提高了照明系統(tǒng)的透過率。

2 光刻機勻光照明系統(tǒng)的光學設(shè)計與仿真

2.1 光刻機照明系統(tǒng)的整體設(shè)計及主要參數(shù)

光刻機作為半導體工業(yè)的主要設(shè)備，主要技術(shù)參數(shù)由成像物鏡的分辨率、視場大小以及設(shè)備產(chǎn)率需求確定。光刻機物鏡的分辨率取決于照明系統(tǒng)的工作波長與物鏡的數(shù)值孔徑NA；物鏡的視場范圍決定了照明部分的均勻視場大小；設(shè)備的產(chǎn)率需求則決定了照明系統(tǒng)的照度。表1所示為尼康FX86S2型光刻機的主要性能參數(shù)，其中能達到的分辨率為3.0 μm，放大率為+1，工作波長為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次掃描曝光，每個曝光區(qū)域相當于55 inch （1 inch=2.54 cm），也就是單次照相物鏡陣列的組合視場范圍要達到1 100 mm×1 250 mm。

式中：C為光刻機的最小分辨尺寸；K為工藝因子；NA為物鏡像方數(shù)值孔徑；λ為物鏡的工作波長。若需要達到3 μm的分辨率，在365 nm單波長曝光下，物鏡的數(shù)值孔徑NA=0.1即可滿足需求。

為了實現(xiàn)1 100 mm大型視場的物鏡組合，系統(tǒng)可采用11個物鏡拼接，相對應(yīng)地，也需要11個相同的照明系統(tǒng)。以單個照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為例，照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖4所示。

整個光刻機系統(tǒng)的光源由2個高功率燈室經(jīng)過一個2進11出的分束光纖（NA=0.22）引出能量，為單個物鏡提供照明能量。單個物鏡的光照系統(tǒng)設(shè)計包括前組準直鏡組，微透鏡陣列，梯形光闌和后組會聚鏡組，形成系統(tǒng)需要的梯形均勻光照進入物鏡。

2.2 后會聚鏡組設(shè)計

由于光學系統(tǒng)的可逆性，從后組會聚鏡組開始到前準直鏡組設(shè)計也是可行的。根據(jù)上文所述的1 100 mm×1 250 mm的曝光區(qū)域，假設(shè)工作視場采用11個物鏡組成的物鏡陣列，每個100 mm×125 mm，則單個物鏡視場為圖5所示的梯形視場（30 mm×130 mm），光刻機倍率為1，照明視場范圍也為30 mm×130 mm。

根據(jù)上文所述的物鏡像方數(shù)值孔徑NA為 0.1，會聚鏡組的入瞳直徑（D）設(shè)為100 mm，則根據(jù)

可得出會聚鏡組的焦距（L）為500 mm。將會聚鏡組像面矩形長邊方向定義為x方向，短邊方向定義為y方向，有式中：α為入瞳角；H為像高。根據(jù)式（3）可以計算出x方向的最大視場入瞳角為7.407°；y方向的最大視場入瞳角為1.718°。

后會聚鏡組的系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)如表2所示（如無特殊說明，本文提及所有鏡頭數(shù)據(jù)單位為mm），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

如圖7所示，后會聚鏡組各個視場的彌散斑直徑均方根（RMS）值小于0.65 mm，能夠保證照明視場的邊緣足夠銳利，并能將視場半影遮擋在掩模鉻邊區(qū)域內(nèi)。

2.3 微透鏡陣列及梯形光闌陣列設(shè)計

微透鏡陣列設(shè)計為像方遠心光路，以減小后會聚物鏡組的光線誤差，像方最大的角度需要對應(yīng)后會聚鏡組的入瞳角，否則會造成最終的照明形狀變形并出現(xiàn)很大的彌散區(qū)域，同時也會造成能量損失。后會聚鏡組的入瞳的視場光闌陣列大小為100 mm×100 mm，則微透鏡陣列在x方向由10個單片微透鏡組成，微透鏡截面的x方向入瞳大小定為10 mm。由上所述x方向入瞳角為7.407°，由式（2）可得微透鏡的焦距為38.46 mm，同樣根據(jù)上文所述y方向入瞳角為1.718°以及微透鏡的焦距，根據(jù)式（3）計算出y方向的入瞳口徑為2.3 mm。

微透鏡陣列中的單個透鏡設(shè)計為鼓型透鏡，具體設(shè)計數(shù)據(jù)如表3所示，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，梯形光闌位于微透鏡前。每一片透鏡單獨加工，最后貼合成一個完整的陣列，亦可整個微透鏡陣列進行整體加工成型（光刻或激光切割）。

相對應(yīng)地，在本設(shè)計中為了最終形成梯形的照明視場，在每個微透鏡前方的入瞳位置設(shè)置一個梯形光闌，形成照明系統(tǒng)的梯形視場光闌陣列，則最終照明視場的形狀就由該光闌的形狀所決定。根據(jù)上文的計算，微透鏡x與y方向上的入瞳口徑（10 mm和2.3 mm）即為梯形視場光闌的底邊長與高，根據(jù)圖8所示梯形視場的底角為45°，即可得到單個視場光闌的形狀如圖9所示。由于光闌陣列的形狀與位置決定了最終照明視場的形狀與位置，所以光闌陣列需要較高的加工精度，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 前準直鏡組設(shè)計

同樣，光照系統(tǒng)的前準直鏡組設(shè)計也為像方遠心系統(tǒng)，以保證微透鏡陣列的入瞳角度。光纖出射端光束經(jīng)過前組準直后，要保證照射到對應(yīng)微透鏡的數(shù)值孔徑范圍之內(nèi)并照亮后會聚鏡組的入瞳口徑。照射到微透鏡NA以外的光線會在傳遞過程中損耗，或者落到設(shè)計視場以外的區(qū)域，造成照明視場的變形與邊緣彌散區(qū)域的擴大。微透鏡的截面是長方形，因此經(jīng)過光纖傳輸整形后的入射光束也是與之相匹配的長方形。微透鏡陣列的尺寸正是前準直鏡組的像高，為50 mm。而光纖的NA為0.22（石英光纖典型數(shù)值孔徑），根據(jù)式（2）前準直鏡組的焦距為221.704 mm。根據(jù)后會聚鏡組x方向入瞳角為7.407°，y方向入瞳角為1.718°，再根據(jù)式（3）則計算得出前準直鏡組的物方尺寸（即光纖出射端尺寸）為57.643 mm×13.302 mm。所設(shè)計的具體光路圖和數(shù)據(jù)如圖10和表4所示。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計性能仿真

將整個光學系統(tǒng)在Lighttools中建模仿真（圖11）?？傋粉E光線為10 000 000條，為有效消除隨機噪聲對追跡結(jié)果造成的干擾，對追跡結(jié)果進行三階平滑處理。

考慮到梯形視場難以進行積分均勻性的計算，而且視場光闌只會影響照明視場的形狀而不會對照明均勻性有影響，所以視場能量均勻性仿真是基于不設(shè)置光闌陣列條件進行的。結(jié)果顯示，積分均勻性為0.884%。

由系統(tǒng)仿真圖12和圖13的結(jié)果可以看出，視場光闌陣列的確發(fā)揮了作用，系統(tǒng)形成了標準梯形照明視場。而視場周圍的彌散是由后會聚鏡組造成的，考慮到實際工作情況下，在掩模圖形區(qū)域的周圍存在鉻邊進行遮擋，所以這種程度的彌散不會影響實際工作。

3 結(jié) 論

提出的視場形成方案較現(xiàn)有的方案在照明系統(tǒng)中省去了整個中繼鏡組結(jié)構(gòu)，很大程度上節(jié)省了系統(tǒng)的成本并降低了系統(tǒng)的復雜程度。同時將額外的熱負擔最大程度地留在照明系統(tǒng)的前半部分（梯形光闌陣列位置），從而緩解了物鏡的熱負擔，降低了物鏡熱效應(yīng)。從最終的系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出，使用視場光闌陣列配合微透鏡陣列勻光，在理論上完全可以實現(xiàn)梯形的均勻照明視場。

但是作者在實際工作中發(fā)現(xiàn)，雖然微透鏡陣列應(yīng)用于均勻照明領(lǐng)域的情況非常普遍，但是微透鏡本身的像差（主要是畸變）也會對最終的照明視場均勻性和視場形狀造成影響，尤其是在大焦距后會聚鏡組的情況下?？紤]如何消除或補償微透鏡本身的像差所導致的照明視場均勻性惡化，在工程應(yīng)用上有較大的意義。

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