200mm×200mm OLED步進投影曝光機

周 暢，李喜峰

(1.上海微電子裝備有限公司，上海 201203；2.上海大學新型顯示技術及應用集成教育部重點實驗室，上海 201900)

AMOLED(Active matrix organic light-emitting diode)具有自發光、更薄更輕、無視角問題、高清晰、高亮度、響應快速、能耗低、使用溫度范圍廣、抗震能力強、成本低的優點，有可能成為取代TFT-LCD的下一代顯示技術。目前日本、韓國、中國臺灣已有小尺寸面板的小批量生產，手機是其最大應用領域。在世界范圍內大尺寸面板處于研發階段，但這是顯示技術和產品將來發展的主要方向。目前在國家和地方支持下，現已有不少單位投入研發，力爭在AMOLED產品這個新領域中縮小與國際先進水平的差距。AMOLED技術尚處于產業化啟動階段，產品的市場競爭環境尚未形成。從出貨量來看PMOLED(Passive matrix OLED)一直是市場上的主角，但銷售收入從2008年開始，PMOLED就不再占主導地位。由于AMOLED在手機、PDA和便攜式媒體播放器中應用的強勁勢頭，2011年AMOLED出貨量已超過PMOLED。未來AMOLED將是帶動OLED顯示屏快速成長的主要力量，這說明未來OLED的市場在AMOLED，加緊AMOLED的相關研發，形成整體配套技術非常關鍵。

目前200mm×200mm玻璃基板尺寸的OLED研發線能夠較經濟地進行OLED器件相關技術開發驗證，并能夠與產線技術兼容。AMOLED工藝的TFT技術與傳統LCD工藝的TFT技術區別很大，它需要更復雜的驅動電路、更高的曝光分辨率及套刻精度。此外，顯示PPI越來越高，這進一步要求光刻分辨率的提高。目前市場上還沒有能滿足200mm×200mm玻璃基板尺寸高分辨率曝光設備供應，只能暫時用接近接觸式Aligner曝光機（即沒有真正光學成像系統，分辨率較低，套刻精度較差）替代應急。高分辨率曝光設備需要采用光學投影成像曝光，通過分步曝光方式實現良好的套刻精度控制，即針對200mm×200mm玻璃基板的步進投影曝光機是OLED器件技術驗證的關鍵設備之一。

SS B200/10A曝光機是上海微電子有限公司研制的具有2μm分辨率的OLED步進投影曝光機，基于已成熟的IC后道光刻機SS B500系列產品平臺開發，針對玻璃基板進行了一系列技術升級和優化，能夠實現AMOLED所需的非拼接曝光和拼接曝光，滿足200mm×200mm AMOLED研發線對光刻的要求。

1 OLED步進投影曝光機

SS B200/10A曝光機（如圖1）采用整體主動減振結構，隔振部分包括照明系統、投影物鏡、掩模臺、工件臺、對準系統、調焦調平系統。設備采用密封腔體設計，腔體循環溫度控制系統通過整體送風方式控制曝光環境溫度、濕度、潔凈度，設備內部溫控精度達到±0.1度，潔凈度為CLASS 10級。

圖1 SS B200/10A曝光機

曝光系統采用寬波帶ghi線照明光源，雙遠心成像光路，投影物鏡通過全對稱結構設計具有視場大，分辨率高，畸變小等高成像質量等，同時曝光能量可根據用戶光刻膠曝光劑量要求設置不同的級別，以滿足每片基板的快速處理時間要求。掩模臺包含大行程驅動裝置和精確定位微動臺，進行4自由度的精確定位運動；大行程驅動裝置使掩模版上可平行布置兩個曝光圖形（最大支持尺寸為44mm×44mm）。基板臺采用氣浮導軌，平衡驅動，激光干涉儀測量系統，6自由度高精度伺服控制，以滿足高可靠性及拼接曝光的高套刻精度要求。對準系統包括掩模（MASK）對準單元和基板（PLATE）對準單元，掩模對準采用同軸TTL結構，基板對準采用離軸OA結構；OA結構使得基板對準單元位于基板臺正上方，結合專門設計的柵格對準標記，更有利于提高玻璃基板對準精度及工藝適應性。調焦調平系統專為透明玻璃基板材料設計，測量基板曝光區域上表面與投影物鏡下表面的相對高度，能夠自動將基板帶到最佳成像焦面，并可通過對每個曝光場的進行調焦調平來有效消除基板上表面形起伏導致的離焦誤差。

SS B200/10A曝光機采用自動準150mm(6英寸)掩模傳輸系統，并配備6塊掩模版的存儲單元；采用自動單片式基板傳輸系統，可處理0.3～1.2mm厚度范圍的200mm×200mm方形玻璃基板，并配備預對準單元，可根據基板邊緣進行準確定心及定向。同時為測試方便，基板傳輸系統也支持200mm硅片的傳送。設備軟件采用UNIX系統，支持離線JOB編輯，支持同一曝光層多種曝光圖形切換，支持拼接曝光實現更大尺寸的OLED顯示屏幕。

SS B200/10A曝光機是一個涉及光、機、電等諸多學科的復雜系統和精密設備，設備的關鍵性能指標CD、Overlay均通過專業的仿真及工程試驗驗證，配合設備強大的軟件校淮系統，能夠實現2μm線寬的10%均勻性控制，優于0.5μm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。

2 曝光機設備性能及顯示器件開發

2.1 性能測試

SS B200/10A曝光機關鍵性能測試使用硅片進行，以避免使用較低精度顯微鏡，用的主要工藝測量設備包括Hitachi的CD-SEM機S-8820和KLA的Overlay機Archer 10；用的光刻膠為AZ MiR 703，光刻工藝參數如表1所示。

表1 AZ MIR 703光刻膠曝光工藝參數

SS B200/10A曝光機的CD測試包括CDU及DOF測試，即將測試掩模圖形分別在最佳焦面處、正負最大離焦處曝光到涂有光刻膠的硅片上的9個場，然后利用顯影液對曝光后的基板進行顯影。利用CD-SEM機測量顯影后硅片上指定位置處圖形的特征尺寸。在曝光場內不同點處分別測量水平和垂直線條的關鍵尺寸，并選擇所有曝光場進行測量以平均測量噪音。求取所有測量值的3σ值。實測數據如表2所示，說明設備在10%CDU控制下具有2μm線條，焦深8μm。

SS B200/10A曝光機的套刻測試采用Box in Box套刻標記，首先在硅片上曝對準標記及第一層套刻標記，然后下片，間隔一段時間后（通常為1天）再根據已有的對準標記曝第二層套刻標記。第一層和第二層曝光采用相同的套刻掩模和對準設置。顯影后利用Overlay機讀取多個視場的套刻標記位置偏差，并利用兩層標記的位置偏差計算套刻精度。套刻測試過程中，每片9個場，6個對準標記，EGA全局對準，實測數據如圖2所示，說明設備套刻精度|Mean|+3小于0.4μm。

表2 CDU及DOF測試

圖2 Overlay測試

為進一步驗證設備能力，采用200mm×200mm玻璃基板進行TFT實際圖形曝光，并最終蒸鍍OLED材料，通過OLED器件開發及點亮進行光刻驗證。

2.2 顯示器件開發

開發了1.5英寸，分辨率為128×128OLED顯示器件進行光刻驗證，TFT驅動背板采用傳統的2T1C像素驅動電路，如圖3所示。通過G、D、I、C、P、O等6層套刻曝光實現，各層曝光圖形變換游標通過顯微鏡觀察測量。6層套刻對準重合規則如圖4所示。

G層曝光顯影后的pattern如圖5所示，能夠清晰觀察到x和y兩個方向的2μm線寬，說明分辨率優于2μm。后續各層的套刻精度均以x和y兩個方向的游標標記讀取。

圖3 TFT驅動原理圖

圖4 套刻對準重合規則

D層與G層的x、y方向的套刻測量游標讀數如圖6所示，I層、P層、C層與D層x、y方向的套刻測量游標讀數分別如圖7、圖8、圖9所示，各層套刻精度均優于1μm，考慮游標標記和顯微鏡的測量誤差，設備實際套刻精度不超過0.5μm。

TFT驅動背板曝光過程及數據表明，200mm×200mm的玻璃基板能夠在SS B200/10A曝光機中完成自動化傳送流程、預對準及對準流程、調焦調平流程、單層及多層曝光流程，CD及Overlay精度滿足AMOLED工藝要求。應用SS B200/10A曝光機成功開發了OLED顯示器件，其點亮效果如圖10所示。說明開發的SS B200/10A曝光機能夠滿足AMOLED顯示技術對光刻技術的要求，為開發下一代AMOLED顯示技術用曝光機奠定技術基礎。

圖5 G層曝光測量圖形（CD 2μm）

圖6 D-G套刻精度測量x/y

圖7 I-D套刻精度測量x/y

圖8 C-D套刻精度測量x/y

圖9 P-D套刻精度測量x/y

圖10 OLED器件顯示圖

3 結 論

根據SS B200/10A曝光機的實測數據，整機關鍵性能指標符合設計預期，具備優良的200mm×200mm玻璃基板傳送、測量及曝光能力，單片自動化功能及靈活友好的軟件系統能夠滿足OLED研發線光刻需求，這也是專門支持200mm×200mm玻璃基板、并且分辨率優于2μm的高精度OLED投影曝光機。同時，該曝光機相關技術能夠轉移到更高的1um分辨率或2.5代、4.5代等更高代玻璃基板的曝光機，以適應未來AMOLED顯示技術發展的需求。

致謝

感謝上海市科學技術委員會高新處的支持，感謝上海微電子裝備有限公司的幫助、上海廣電電子有限公司平板中心全體的幫助及上海大學新型顯示技術及應用繼承教育部重點實驗室的幫助。

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