（物理电子学专业论文）基于准分子激光投影扫描系统的大面积ito及tft光刻的研究.pdf

摘要 摘要 光刻工艺为平板显示制造业中的核心工艺。平板显示发展的趋势是大面积和高分 辨率。本文针对平板显示制造业，基于激光投影扫描系统的优势，对大面积i t o 和t f r 的光刻进行研究。主要研究内容如下： 在不影响生产效率的前提下，对现有的曝光机的扫描方法改进，提出了一种可以 提高均匀性的二维扫描方法，从x 和y 两个维度扫描补偿了由于扫描平稳误差和步进 精度误差所造成的曝光剂量误差，并且做了相关仿真，结果显示均匀性提升了1 5 个百 分点。 以i t o 玻璃为实验基板，以现有的曝光机为实验平台进行曝光实验，而后进行其 他相关光刻步骤，配组最佳的实验参数。同时利用z e m a x 和m a t l a b 软件，结合曝 光机的投影物镜的光学参数，分析光学显微镜下的1 0 1 - i m 、1 5 i _ t m 和2 0 i _ t m 线宽的显影 图效果。 针对性地优化设计了一个曝光机中的重要核心部件即投影物镜。选取了一个美国 光刻物镜专利为雏形，优化设计了一个用于平板电脑光刻的投影物镜。运用光学模拟 软件z e m a x 从光程差、调制传递函数、点扩散函数等不同的角度分析优化结果：光 程差在i - 0 0 5 2 内，最大场曲在5 p m 以内，像面相对照度几乎不变，最大像散在lp m 内，最大畸变在0 0 0 0 4 内，分辨率达到2 5 i - t m 。 最后，对无掩模光刻的现状作出了阐述，特别地，对基于d m d 的光刻原理以及优 势进行了分析，并对此方法在未来平板显示制造加工中的前景进行了展望。 关键词：准分子激光；激光投影成像；i t o 和t f r 光刻；投影物镜；平板显示 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp r o c e s si np r o d u c t i o no ff l a t p a n e ld i s p l a y , t h ei m p o r t a n c eo f l i t h o g r a p h yi so b v i o u s l a r g ea r e aa n dh i g hr e s o l u t i o ni st h ed e v e l o p m e n tt r e n do ff l a tp a n e l d i s p l a y t h em a i nt o p i co ft h i sa r t i c l ei st h es t u d yo nl a r g ea r e ai t oa n dt f rl i t h o g r a p h y u s i n ge x c i m e rl a s e rp r o j e c t i o na n ds c a n n i n gs y s t e m o nt h e p r e m i s eo fe f f i c i e n c y , w ep r o p o s e das c a n n i n gm e t h o dt oi m p r o v et h e u n i f o r m i t y , w h i c hc a nc o m p e n s a t et h ee x p o s u r ev a l u ee r r o r 舶mt h exa n dyd i m e n s i o n s d u et os c a no i t o ra n ds t e pp r e c i s i o ne r r o r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eu n i f o r m i t yw a s i m p r o v e db y1 5p e r c e n t a f t e ri n v e s t i g a t i o nw ef o u n dt h a tt h e2 0 i _ t mf e a t u r es i z eo fi t os u b p i x e le l e c t r o d ec a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ef l a tp a n e ld i s p l a yi nt h ef u t u r e i t og l a s sa r eu s e df o rt e s tt h e e x p o s u r em a c h i n e b e s te x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e dt h r o u g h to t h e rr e l a t e d p h o t o l i t h o g r a p h ys t e p sa n dt h el o l a m 、15 p ma n d2 0 l a ml i n e w i d t hp i c t u r e sf r o mt h eo p t i c a l m i c r o s c o p ew c t ea n a l y s e dc o m b i n e dw i t hz e m a x a n dm a t l a bs o f t w a r e a na m e r i c a np h o t o l i t h o g r a p h yo b j e c t i v ep a t e n t ( u sp a t e n t 撑5 8 0 5 3 4 4 ) w a ss e l e c t e da s a ni n i t i a t i n gs t r u c t u r et oo p t i m a ld e s i g nf o rt h el i t h o g r a p h yo ft a b l e tp e r s o n a lc o m p u t e r t h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y s e df r o md i f f e r e n ta n g l eb yo p t i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e z e m a x , s u c ha so p d 、m t f 、p s fa n ds oo i lt h er e s u l t ss h o w e dt h a to p dw a ss m a l l e rt h a n 兄4 ，m a x i n l u mf i e l dc u r v a t u r ew a ss m a l l e rt h a n5 t t ma n dm a x i m u md i s t o r t i o nw a ss m a l l e r t h a n0 0 0 0 4 t h er e s o l u t i o nr e a c h e dt o2 5 1 j m f i n a l l y , w ei n t r o d u c e dt h et h em a s k l e s sp h o t o l i t h o g r a p h ya n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo f l i t h o g r a p h yb a s e do nd m d a n di t sa d v a n t a g e se s p e c i a l l y t h em e t h o dh a st h ea d v a n t a g e si n t h ep r o d u c t i o no ff i a tp a n e ld i s p l a yi n d u s t r yi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：e x c i m e rl a s e r ；l a s e rp r o j e c t i o ni m a g i n g ；i t oa n dt f rl i t h o g r a p h y ；p r o j e c t i o n o b j e c t i v e ；f l a tp a n n e ld i s p l a y ( f p d ) c o n t e n t s c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i i c h i n e s ec o n t e n t s v e n g l i s hc o n t e n t s i c h a p t e ro n e d 呵t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do f t h es t u d y l 1 2t r a d i t i o n a ll i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yf o rf p d 1 1 2 1c o n t a c ti m a g i n gt e c h n o l o g y 2 1 2 2s t e pa n dr e p e a ti m a g i n gt e c h n o l o g yu s i n gl e n s 2 1 2 3p r o j e c t i o ni m a g i n gt e c h n o l o g yu s i n gr e f l e c t o r s 2 1 3l a s e r p r o j e c t i o ni m a g i n gt e c h n o l o g y 3 1 4m a i n l ys t u d i e si nt h i sp a p e r 4 c h a p t e r t w ot h ee x c i m e rl a s e rm i r c o p r o c e s s i n g 5 2 1i n t r o d u c t i o nt oe x c i m e rl a s e r 5 2 2t h es u p e r i o r i t yo f e x c i m e rl a s e rm i c r o p r o c e s s i n g 5 2 2 11 l i 9 1 lr e s o l u t i o n 6 2 2 2c o l dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e 6 2 2 3b ea b s o r b e de a s i l y 6 2 2 4h i g hp o w e rd e n s i t y 6 2 3e x p o s u r em a c h i l l ei nt h el a b 7 2 3 1t o le x c i m e rl a s e r 7 2 2 2i l l u m i n a t i o ns y s t e m 7 2 2 3p r o j e c t i o ni m a g i n gs y s t e m 8 2 2 42 dm o v i n gs t a g e 9 2 4an e ws c a n n i n gm e t h o d l o 2 5s u m m a r y 1 2 c h a p t e rt h r e et h e s t u d yo nl a r g ea r e ai t ol i t h o g r a p h y 1 3 3 1i n d i u mt i no x i d e l3 3 2f u n c t i o na n df u t u r eo fl t oi nf p di n d u s t r y 13 3 3i t ol i t h o g r a p h yf o rh df p d 1 4 3 4 r h em e t h o d so f l t o l i t h o g r a p h y 1 4 3 5e x p e r i m e n t sa n dr e s u l t so f i t ol i t h o g r a p h y 15 v l l 广东工业大学硕士学位论文 3 5 1p r e p a r a t i o n 1 5 3 5 2p r o c e s sf l o wo fl i t h o g r a p h y 15 3 5 3r e s u l t sa n da n a l y s i s 1 7 3 6s m m n m y 2 0 c h a p t e r f o u ro p t i m a ld e s i g no fp r o j e c t i o n l e n sf o rt f t l i t h o g r a p h yo ft a b l e tp c 2 1 4 1i n t r o d u c t i o nt od e s i g n 。2 1 4 2t h ec h o i c eo fi n i t i a lc o n s t r u c t i o n 2 2 4 3 】1 ，：l l j ；m a t e r i a l 2 2 4 4a b e r r a t i o n sc j c i r r e c t i o n 2 3 4 5r e s u l t sa n da n a l y s i s 2 5 4 5 1o p t i c a lp a t hd i f f e r e n c e 2 5 4 5 2m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n 2 6 4 5 3p o i n ts p r e a df u n c t i o n 2 7 4 5 4f i e l dc u r v a t u r ea n dd i s t o r t i o n 2 8 4 5 5r e l a t i v ei l l u m i n a t i o n 2 9 4 5 6s p o td i a g r a m s 2 9 4 5 7e n c i r c l e de n e r g y 3 0 4 6a d v a n t a g ea n dh i g h l i g h t 31 4 7s u m m a r y 31 c h a p t e rf i v ep r o s p e c t t h em a s k l e s sl i t h o g r a p h y 3 5 5 1e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y 。“3 5 5 2i o nl a ml i t h o g r a p h y 3 5 5 3m a s k l e s sl i t h o g r a p h yb a s e do nd m d 3 6 5 3 1p r i n c i p l eo f d m dc h i p s 3 6 5 3 2l i t h o g r a p h yb a s e do nd m da n dm l s f a 3 7 5 3 3l i t h o g r a p h yb a s e do nd m d a n dg r a t i n g 3 8 5 4s u m m a r y 3 9 c o n c l u s i o n s 4 1 r e f e r e n c e s 4 3 p a p e r s s kp a t e n t s 4 9 o r i g i n a ls t a t e m e n t 5 1 t h a n k s 5 3 v 1 1 1 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 目前，平板显示产业的发展十分地迅速，截止2 0 1 1 年底整个平板显示产业的规模 达到1 0 0 0 亿美元左右 1 1 ，其中，t f t - l c d 占到了主体。平板显示在我们的日常生活中 可以说是无处不在。大到繁华闹市的广告屏，小到家中的电视、电脑都用到平板显示。 平板显示产业技术集成了液晶、薄膜半导体、电子、材料、精密装备制造等多个领域 的高新技术，跨越了化工、材料、半导体、光电子、精密仪器设备等多个行业，是一 个产业链结构复杂的复合型高科技行业。在平板显示制造中，投资最大、作用最关键 的就是光刻设备了伪。根据摩尔定律，集成电路的集成度每三年增长2 倍，特征线宽每 三年缩小为原来的1 2 。因此每一代的微电子器件的发展都是以光刻线宽为代表的，保 持摩尔定律继续有效的关键是提高光刻的分辨率，研制出相应的光刻设备。大面积和 高清晰度是平板显示产业发展的一个大的趋势。针对目前市场上i t o 亚像素电极的现 状，2 0 i - t m 的精度能够基本满足所有平板显示中像素电极的需要。而对于t f r 阵列，l p m 到5 p m 的精度可以基本满足市场上所有t f t - l c d 的需求。本课题即针对当下平板显 示中特别是t f t - l c d 中的i t o 像素电极和t f t 阵列来研究激光投影扫描曝光的方法 和对应的光刻投影物镜。我们要看到国内的包括曝光设备在内的平板显示生产线无法 满足高质量和高产率的需要，生产高档的平板显示器都是依靠进口国外的生产线，成 本很高且丧失自主产权。因此独立研发拥有自主知识产权的高性能的平板显示曝光装 备势在必行。 1 2 传统的平板显示光学曝光技术 平板显示屏生产中有个重要的步骤叫曝光。曝光的作用是将掩模上的电路图形以 及显示图像用像素图形等转写在玻璃基板上。通常一个光学曝光装置包括复制掩模图 形的光学系统，控制掩模和基板相对位置精度的对位系统，以及掩模和基板相对运动 的传送系统。曝光技术对平板显示屏来说起着至关重要的作用。工业上生产液晶显示 屏采用的成像技术通常分为：接近式成像技术，透镜步进重复成像技术和反射镜投影 成像技术。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 1 接近式成像技术 ： 接近式曝光是利用一块大型掩模一次完成曝光过程。接近式曝光是相对于接触式 曝光的一种叫法1 3 1 。为了缓解接触式成像带来的掩模污损问题，接近式成像技术得以发 展起来。在2 0 世纪7 0 年代的s s i 时代同时普遍应用。这些光刻机如今仍然在生产量 小的实验室或较老的硅片生产线上使用。 但是，由于掩模和基板之间留有微小的间隙，这一间距通常是几微米到几十微米， 值得注意得是这一间隙会造成衍射现象，使得图形线条模糊。图像分辨率r 和掩模基 板间隙g 之间的关系式可由公式( 1 1 ) 表示 r = k 旯g ( 1 1 ) 其中名为曝光波长，k 为工艺因子。由此公式可见，若要提高分辨率，只有降低间隙 或者缩短波长。接近式光刻中的间隙虽然在一定程度上缓解了掩模的污损，但是衍射 现象降低了光刻的分辨率。因此，接近式曝光多用于图形尺寸精度较为宽松的彩色滤 光片和简单矩阵型l c d 的制作。 1 2 2 透镜步进重复成像技术 在透镜步进重复成像技术中，一块整板被分成了若干区域，在曝光过程中由于受 到光学元件即透镜的有限直径的限制，一次曝光不可能完成对整块大型玻璃基板的全 部图形曝光。所以通过对固定玻璃基板的工作台步进移动，对掩模进行依次更换，完 成对全部掩模图形的曝光。 这种技术的生产效率高，可以期望获得较高的成品率，使用小型掩模，可以降低 生产成本。但是由于这种技术是分几次曝光完成的卜7 l ，所以要求已经曝光完成的图形 和新形成的图形彼此对准衔接，这就是调整定位。调整精度不佳会造成三极管特性的 分散和偏差，造成画面衔接造成的色斑等质量现象。 1 2 3 反射镜投影成像技术 大直径透镜的制作，无论是加工成本上，还是控制球面像差上都有一定的难度， 所以反射镜投影成像技术是用反射镜代替透镜，将掩模图形曝光在玻璃基板上的一种 方式。由水银灯发出的光照射掩模哪，通过一组反射镜系统，将图形转移到玻璃基板上。 成像光斑是具有一定宽度限制的圆弧图形，所以要通过掩模和玻璃基板之间的整体扫 2 第一幸绪论 - _ _ _ - _ 一i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 描来实现图形曝光。 这种方式虽然有生产效率高，无色像差的优势，但是同时它存在着不容忽视的不 足，即扫描不均匀所造成的曝光不均匀，扫描姿势造成的畸变等问题。 1 3 激光投影成像技术 激光投影成像技术是利用光学投影成像的原理，通过投影物镜将掩模上的高分辨 率图形以扫描曝光的方式成像在涂覆光刻胶的基板上从而实现图形完美转移的一种技 术。这种技术的特点之一是光源为激光，这样既容易获得高分辨率的图形线宽，又避 免了曝光不均匀所引起的图形线宽问题。利用紫外激光的高输出能量进行光学投影成 像，因此具有高的分辨率和产率1 9 - 1 5 1 。图1 1 是l p i 系统的结构图，基板和掩模放在同 一平台的两侧，以便可以从两个方向同时扫描，有效地解决掩模更换带来的效率低下 和画面衔接的问题。 p r o j e c t i o ns y s t e m e x c i m e rl a s e ri l l u m i n a t i o ns y s t e m 图1 1 激光投影成像原理图 f i gl - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fl a s e rp r o j e c t i o ni m a g i n g 光刻曝光的方式经历了由接触式，接近式到投影式的发展。在接触式曝光中容易 产生套准精度的问题，而且极易造成掩模的污损使其寿命降低。在接近式曝光中掩膜 和基板之间留有微细的间隙，容易发生光的衍射现象，造成图形线条模糊。目前主流 的投影式曝光以汞灯为光源，分为反射镜投影曝光和透镜投影曝光。反射镜投影曝光 3 由于汞灯光源的影响，成像区域仅限一定宽度限制的圆弧状图形，它的缺点是曝光不 均匀，容易造成畸变。透镜投影曝光由于受到透镜有限直径的限制，要曝光大面积的 图形需要通过掩膜的更换，完成几次分割曝光，它的缺点是掩模的更换影响了生产的 效率，图形分割处易出现衔接问题且图形分辨力不高。激光投影成像技术以激光为曝 光光源，利用准分子激光光斑的均匀性和高能量可以很容易地在扫描中实现高分辨率 的大面积曝光。 1 4 本论文的研究内容 由于全球平板显示产业的发展趋势十分迅猛，而国内平板显示制造业的自主知识 产权匮乏，想要实现民族复兴，加大自主知识产权的科研力度势在必行。我们凭借激 光投影成像技术的优势对大面积i t o 像素电极和t f r 阵列光刻的技术进行研究。本文 具体研究内容如下： l 平板显示制造的曝光技术现状的介绍，包括准分子激光微加工技术的介绍，着重 介绍了实验室现有的曝光机的照明系统和投影系统，进一步阐述激光投影成像技术的 优越性。 2 以i t o 玻璃面板为实验基板，进行光刻实验。结合z e m a x 和m a t l a b 仿真软 件，对i t o 玻璃的光刻实验的结果进行分析。 3 优化设计了一种用于平板电脑t f r 阵列光刻的投影物镜。通过对设计结果的各 项要求进行分析，发现基本可以满足光刻的要求，达到当初的设计指标。 4 对基于d m d 的数字化光刻技术进行了简单的介绍，对此项技术用于平板显示 行业进行了优势分析和展望。 4 第二章准分子激光微加工技术 第二章准分子激光微加工技术 在现如今的微纳加工行业中，所用的技术包括光刻技术和非光刻技术。光刻技术 包括光学曝光技术、电子束光刻、x 射线光刻、离子束光刻、原子力光刻、等离子体 光亥1 j 0 6 - 2 0 l 等等。非光刻技术主要是指以纳米压印1 2 1 1 为代表的技术。其中，光学曝光光刻 已经成为集成电路和平板显示制造业中的主要光刻手段，其他技术多数尚在研究和探 索阶段，尚未成熟。光学曝光技术包括接触式光刻、接近式光刻、光学投影光刻和激 光干涉光刻，其中又以光学投影光刻最为常用。光学投影光刻自1 9 7 8 年出现至今，先 后经历了4 3 6 n m ( g 线) 、3 6 5 n m ( i 线) 、2 4 8 n m ( k r f 准分子激光) 、1 9 3 r i m ( a r f 准 分子激光) 等几个技术阶段。现如今，准分子激光凭借着其强有力的优势已经大有逐 渐取代汞灯等其它光源的趋势c 2 2 捌，在微加工制造业中起着举足轻重的作用。 2 1 准分子激光概述 准分子激光器( e x c i m e rl a s e r ) 是以准分子为工作物质的一类气体激光器件，常用 相对论电子束( 能量大于2 0 万e v ) 或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子 的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。准 分子激光大约可以分为三大类。第一种为惰性气体准分子激光，工作物质为x e 2 、a t 2 、 k r 2 等，第二种为惰性气体和卤素气体结合成的准分子，工作物质为x e f 、k x f 、a r f 、 x e c i 、x e b r 等，此种准分子激光较为广泛，商品化者较多，第三类为金属原子和卤素 原子结合而成的准分子，工作物质为h g c i 、h g b r 和c u f 。准分子激光属于冷激光， 几乎无热效应，是方向性强、波长纯度高、输出功率大的脉冲激光，光子能量波长范 围为1 5 7 3 5 3 n m ，寿命为几十毫微秒。属于紫外光。最常见的波长有1 5 7 r i m 、1 9 3 n m 、 2 4 8 n m 、3 0 8 n m 、3 51n m 。 2 2 准分子激光微加工的优势 微加工制造在分辨率上以及光源和加工材料的适合度上都有较高的要求。与其他 光源相比，准分子激光在加工时有着明显的优势：易获得高分辨率、偏向于冷加工、 易被材料吸收和较高的功率密度。 5 广东工业大学硕士学位论文 2 2 1 易获得高分辨率 光学系统能够达到的最高分辨率r r ：k 2 ( 2 1 ) n a 其中，k 是工艺因子。由公式( 2 1 ) 可知，数值孔径n a 和波长旯是决定光学分辨率 的决定性因素。数值孔径越大，波长越小，分辨率越高。但是随着数值孔径的增大， 系统的焦深d o f 将会急剧下降。因此，减小波长来提高光学分辨率成为了另外一种选 择。准分子激光的波长主要处于紫外波段，相对于红外波段和可见波段，自然更容易 获得较高分辨率。微加工需求的特征尺寸都在微米、亚微米甚至纳米级别，准分子激 光必然成为一个竞争力强劲的工具。 2 2 2 偏向于冷加工 在微细加工的过程中，如果热效应很明显，将会影响微加工图形的效果，加工质 量会变差，所以在加工的过程中应该尽量避免热效应。相比于红外激光器、高压汞灯， 准分子激光几乎为“冷 加工，其加工的时候产生的热效应很小。它光子能量高，大 于许多种材料的化学键，所以能够直接打断加工材料的大部分化学键，从而极大地减 小了对图形线宽精度的影响，对提高图形边缘的平整性和光滑性十分有益。 2 2 3 易被材料吸收 在光和物质作用过程中，吸收系数表示材料吸收的光的能量占入射光能量的比例。 显然，在加工中，吸收系数越高越好。许多材料的吸收系数是随着光波长的减小而逐 渐增加的，准分子激光的波长较短，更易于材料的吸收。材料吸收的能量将转变为材 料的内能，更易于刻蚀加工。 2 2 4 高功率密度 准分子激光器一般以脉冲的方式进行工作，脉宽只有几十个纳秒，远小于一般的 激光器。虽然现在的准分子激光器的运行效率都不高，但是由于较短的脉宽和较高的 聚焦效率，它的功率密度可以达到1 0 8 1 0 9 w c m 2 ，在微加工中无疑是一个有力的工具， 提高了准分子激光的加工效率和加工质量。 6 第二章准分子激光微加工技术 2 3 实验室现有曝光机设备简介 实验室内我们自行研制的光学投影曝光机，其基本组成部分包括t o l 型准分子激 光器、照明光学系统、投影成像系统和二维扫描移动工作台。整个曝光机的分辨率可 以达到1 0 1 - i m ，最大扫描面积为6 9 0 m m * 9 1 0 m m 。 2 3 1t o l 型准分子激光器 实验室使用的曝光机光源是中国科学院安徽光学精密机械研究所自行研制的t o l 型准分子激光器。t o l 型系列准分子激光器是一种放电激励的中小功率器件。它具有 重复频率高、输出能量大、激光输出稳定、工作寿命长等特点。t o l 型系列准分子激 光器根据不同气体的配比可以被激发出波长不同的准分子激光。我们需要的是波长为 3 51 n m 的准分子激光，因此需要输入的气体是纯度大于9 9 9 9 5 的3 2 0 0 m b an e ，纯度大 于9 9 9 的1 2 0 m b af 2 l r i e ( 5 9 5 ) ，纯度大于9 9 9 9 的1 5 m b ax e 。在此波长下的激光 最大单脉冲能量为1 2 0 m j ，重复频率为i 一8 0 h z ，激光脉宽为2 0 , - , 3 0 n s ，光斑尺寸为 1 8 m m * 8 m m ，光束发散角为1 5 m r a d * 1 5 m r a d 。 2 2 2 照明光学系统 照明系统是投影曝光机的重要部件之一脚7 l ，要求具有很好的照明均匀性和高的能 量利用率，其性能的好坏直接影响到曝光机的光刻图形的质量。如果照明不均匀，将 导致曝光出来的线条粗细不均匀，整块板上的分辨率不一致，甚至有断线等，因此一 个好的照明系统也是十分重要的。 照明系统采用的是柯拉照明方式，大致可以分为三部分：准直扩束系统、复眼透 镜组和聚光镜组。准直扩束系统采用的是开普勒型结构的柱面镜，主要的作用有两个。 一个是通过一维扩束把激光光斑变为大小合适的正方形光斑，另一个是进一步减小光 束的发散角。复眼透镜组采用的是德国进口的7 0 * 7 0 阵列的微透镜阵列，为的是获得 很好的照相均匀性。第一级复眼透镜的作用是把能量不均匀的光进行分割，得到许多 能量分布相对均匀的小光束。采用两级复眼透镜，使第一级复眼透镜和均束面构成物 像共轭的关系，可以消除发散角对均束面的影响，更好地提高光束均匀性。聚光镜组 的作用是和的面的两个镜组配合，既完成均匀性较好的柯拉照明，又使整个照明系统 的的出瞳和投影系统的入瞳重合，完成它们的匹配。此时，第二级复眼透镜应位于聚 7 广东工业大学硕士学位论文 光镜组的前焦平面上。图2 1 是照明光学系统的示意图。 2 2 3 投影成像系统 图2 1 照明光学系统图 f i g2 1i l l u m i n a t i o ns y s t e md i a g r a m 光刻投影物镜是投影曝光机的核心部件。它的主要作用是将掩模上的图形以投影 的方式转写在基板上。因此，光刻投影物镜的设计好坏对曝光质量起着决定性的影响。 在空间结构上，为了保证基板和掩模在同一平台上扫描移动，投影物镜采用的是折叠 式的结构，如图2 2 所示。为了保证大面积扫描曝光，水平共轭距为5 6 0 r a m 。在光学 结构上阱l ，采用的是放大倍率为1 的左右完全对称的双远心结构，这种结构的好处是 保证了像面离焦或者有位移时，投影系统的倍率保持不变。光刻物镜的n a 是0 0 2 5 ， 焦深为4 0 0 1 上m ，使用波长3 5 1 n m 光源时的极限分辨率为约l o p m 。在材料的选择上， 选择了对紫外光具有良好的内透过率和光学质量的融石英。投影物镜其它参数：波像 差在全视场内小于名4 ，最大场曲在l o p m 的范围内，最大像散约为5 p m 左右，像面 相对照度几乎为1 0 0 ，最大畸变小于0 0 0 0 0 0 7 ，完全满足光刻投影物镜的要求。 3 第二章准分子激光微加工技术 图2 2 投影成像系统结构图 f i g2 - 2s t r u c t u r ec h a r to f p r o j e c t i o ni m a g i n gs y s t e m 2 2 4 二维扫描移动工作台 为了能够和前面讲述的照明光学系统和投影成像系统有机地配合，必须有一个合 适的工作台。我们的曝光机采用的是二维扫描移动工作台。工作台能沿着x 和y 两个 方向运动。其中，x 方向是匀速直线运动，速度可以在1 0 到4 0 0 m m s 之间调节，速度 的大小由激光的频率和光斑大小决定；y 方向为步进运动，步进距离和光斑边长有关 系。掩模和基板能固定在平台上且能够在竖直垂轴方向微调。x 方向和y 方向的运动 均是由步进电机驱动，通过滚轴做二维运动。为了满足大面积曝光的需求，基板和掩 模放置在同一平台上，x 平台放置在y 平台的上方，y 平台推进y 方向运动，x 平台 推进x 方向运动。工作台需要两个步进电机进行工作，分别推进x 和y 方向的运动。 9 广东工业大学硕士学位论文 图2 3 二维扫描移动工作台示意图 f i g2 - 3t h ep i c t u r eo fs c a n n i n gs t a g e 2 4 一种提高曝光均匀性的二维扫描方法 曝光的均匀性决定了光刻的精度，对后续的如显影、刻蚀也有着重要的影响。从 投影系统出来的光斑的均匀性是由照明系统决定的。其实通过扫描方式的改进可以再 次提高曝光的均匀性。传统的曝光方法多为一次曝光，可以利用投影扫描系统对被固 定的掩膜和玻璃基板同步二次扫描。第一次扫描x 方向为匀速直线扫描，y 方向为步 进扫描。第二次扫描y 方向为匀速直线扫描，x 方向为步进扫描。第二次扫描光斑的 起点处为第一次扫描光斑的终点处。这样不仅保证了整个基板面上的x 方向和y 方向 曝光剂量的均匀性，而且可以快速完成大面积基板的曝光。 通过二次异维扫描曝光，在不影响生产效率的前提下增加了整个基板曝光的均匀 性，并且分别从x 和y 两个维度扫描补偿了由于扫描平稳误差和步进精度误差所造成 的曝光剂量误差。 假设扫描单元的初始均匀度达9 5 ，有效长度为2 1 6 5 m m ，有效宽度为1 8 7 5 m m 的光斑。曝光方式采用的是投影光刻和扫描技术结合完成大面积t f t 基板曝光的两次 异维扫描曝光的方式。将掩模固定在掩模固定平台上，t f l r 基板固定在基板固定平台 1 0 第二章准分子激光微加工技术 上，用固定及调节旋钮对掩模和t f r 基板进行位置的微调及固定。曝光扫描时照明系 统和投影系统保持不动，而由平台做相对移动。沿着x 方向扫描时，掩模固定平台和 基板固定平台在步进电机的驱动下利用x 方向的滑动滚轴向x 方向同步移动。沿着y 方向扫描时，掩模固定平台和基板固定平台在步进电机的驱动下利用y 方向的滑动滚 轴向y 方向同步移动。第一次扫描时沿着y 方向步进对x 方向进行匀速直线扫描，直 到基板全部扫描完成。第二次扫描光斑的起点处为第一次扫描光斑的终点处。第二次 扫描时沿着x 方向步进对y 方向进行匀速直线扫描，即异维扫描。两次不同路线的扫 描对整个t 兀基板的曝光量起到均匀补偿的作用，特别对于由于步进电机的位移误差 所引起的照明不均匀起到了中和补偿的作用。 平板显示器用光刻胶的曝光剂量为5 0 l o o m j a n 2 。以激光脉冲频率设置为8 0 h z ， 光刻胶曝光剂量5 0 m j c m 2 为例。由匕：竺学，e s 为到达基板上的激光能量密 _ | 度，a 为光斑的有效长度，q = 5 0 m j c m 2 。可以得到匕= 2 5 9 8 m m s 。对于一块 4 6 0 m m 6 1 0 m m 的t f r 基板，第一次扫描，步进的步数是n l ：半3 3 ，扫描一行的 d 时间是f i ：掣= 1 7 7 s ，时间五：t l ，l l ：1 7 7 3 3 ；5 8 4 1 j 。第二次扫描，步进的步数 匕 n 2 ：竿2 5 ，扫描一行的时间是乞；业：2 3 5 j ，时间互：1 1 2 = 2 3 5 2 5 ：5 8 7 5 s 。 口 其中b 为光斑有效宽度，扫描速度v ，= 2 5 9 8 m m s 。扫描总时间t = 互+ 互= 1 1 7 1 6 s 。 均匀性可以由概率统计公式( 2 2 ) 表征： 善竿口n ( 0 ，1 ) ( 2 2 ) 仃v n 其中，盯代表曝光的均匀度，r l 代表扫描次数，x 表示曝光剂量的算术平均值，表 示曝光剂量的数学期望。 通过公式( 2 2 ) 可以知道，扫描次数的增多可以提高曝光剂量的均匀性。但是， 扫描次数和激光的脉冲能量，电机的极限速度以及生产效率有着密切的关系。不同极 限速度的电机，成本不同。并且过高的速度造成精度误差的几率也随之提升。同时， 扫描次数的增多也会影响工业生产效率。通过对公式的计算仿真，效果如图2 4 所示， 广东工业大学硕士学位论文 二次异维扫描完成曝光的曝光剂量均匀性比起一次扫描完成曝光提高了约1 5 个百分 点。且二次异维扫描不影响生产效率。 2 5 本章小结 图2 4 曝光剂量均匀性m a t l a b 仿真图 f