论文部分内容阅读
摘要：目前TFT LCD市场对产品像素密度（PPI）要求越来越高，开发新的高PPI Mobile产品对于平板企业 而言，边效增加会获得更大的利润。实现高PPI，需要更细的线宽和更窄的间距，这些都受到光刻设备解像力的限制，本文对基于不改造镜像投影曝光设备而提高光刻解像力进行了一些可行性研究。本文首先介绍了影响分辨的主要因素，然后针对这些因素提出了提高分辨率的方法，结合影响分辨率的因素和先进的光刻技术提出一个优化的光刻工艺组合方案。从多个方面入手分析改善措施，可以得出切实可行的解决High PPI带来的相关问题，为High PPI产品顺利量产提供有力保障。
关键词：解像力;薄膜晶体管;相移掩膜;曝光容限;DOF
1.引言
近年来，液晶显示器由于具有轻薄，亮度高，功耗低等优点被广泛应用于日常生活中。随着社会的发展和人民生活水平的逐步提高，对液晶显示器的需求也快速增长，对产品的需求也从传统的电视，计算机显示器等过渡到手机、移动显示等小尺寸产品上.对产品特性的要求也不断提高，例如：高开口率，高分辨率，节能环保等。开口率的提升对低能耗和液晶显示器亮度的提升有很大的作用，而高分辨率需要TFT和CF具有更小的特征尺寸。蘋果提出来的视网膜技术对产品分辨率要在400～500PPI。为了满足市场对显示产品高分辨率的要求，需要从产品的设计和工艺各个方面进行优化，其中过孔尺寸和线宽两个因素对阵列基板分辨率影响最大。
2.镜像投影曝光系统解像能力分析
对于TFT而言，High PPI的核心就是Line线宽的减小密度增加，以及过孔尺寸的减小，由于受限设备硬体结构的限制，分辨率提升非常困难，针对现有的镜像投影曝光设备进行简单的硬体优化和参数的优化，以将现有设备分辨率进一步提升。
在当前的镜像投影曝光设备，按照上面的理论计算结果，如果要实现2.5μm解像是可行的。但是，如果对比度低下，则Focus容许量将剧减;导致对比度低下的主要原因是IVD（Image Vibration Deviation）;通常认为对比度达到0.5的时候可以将Pattern分辨开来，因此如果想提升设备的分辨率，需要降低IVD从而提升了Focus容限（DOF）来实现;现在我们设备的实际现在的设备实际的IVD水平在2μm左右，由上图可以看出IVD为2μm，如果需要达到2.5μm的解像力，DOF的容许量只有44μm，当前的设备状态，DOF=44μm是不能满足量产条件的，当IVD为1μm时，同样的2.5μm解像力，DOF的容许量变为70μm，这个数据可以远远满足当前的设备状态，因此降低设备的IVD至关重要。
我们考虑一下，在曝光中截取的一个曝光瞬间，那么Slit中的各点都将会出现微小的Distortion（图四），这种现象我们称之为Image Shift;另外，Stage在曝光光过程中一边震动一边Scan，这种震动引起的曝光偏差我们称之为MSD（图五）;
3.1 IVD与分辨率关系
3.2 影响Focus容许量因素分析
影响Focus容许量的主要因素可以分为机械因素、曝光热因素、Focus再现性等，机械因素主要由AS、Image Shift、Chuckflatness等因素组成，曝光热因素主要是Focus Shift，Focus再现性指的是Focus测试的再现性;曝光热因素和Focus再现性我们认为基本上是很稳定的因素，当前备安装了UM空调，Focus Shift基本上能够稳定在10μm水平，Focus再现性也同样可以保持在5μm的水平。
机械因素成为影响Focus容许量的最主要因素，其中的AS因素当前量是15μm，有很大的可改善空间，针对AS降低主要牵涉到光学Parts面精度，主要依靠大非球面镜的再加工，需要的时间和成本相对较高。
影响Image Shift的因素主要有Slit内部Distortion、Lamp精度、照度均一性、Scan精度等;Slit内部Distortion降低最好的办法就是更窄的Slit（当前Slit宽度为100mm），这样可以很有效的减小Slit内部的Distortion，非线性Glass的调整对于Slit内部Distortion改善也会有一定的效果，Lamp位置精度对于Image Shift同样有较大的影响，主要可以通过调整两个灯箱位置，以实现两个灯在Plate面上的像位置能够完全吻合（有效光源调整），这样双灯照明与单灯照明之间的误差缩减到最小。
影响Flatness因素较多，主要包含Mask Flatness、Chuck Flatness、Plate Flatness、PR膜厚、Coating Uniformity、PL Z轴精度等。为了将Flatness进一步提升Mask Flatness和Chuck Flatness是两个相对比较容易提升的，Mask Flatness通过优化Bend Glass气压从而使得Mask Flatness得到有效的提升;而Chuck Flatness主要是通过调整Chuck底部的Oil Leveler，另外对于局部位置的微调只能通过在对应位置垫上合适高度的垫片来实现了。
4.Mask设计改善
4.1 OPC技术
受到光的衍射影响，当线宽接近设备分辨率极限时，掩模图形和基板表面实际图形之间就会出现转移失真现象，一般被称之为光学邻近效应（OPE，optical proximity effects），如图4所示。
在曝光过程中，往往会因为光学临近效应使最后的图形质量下降：线宽的变化;转角的圆化;线长的缩短等。OPC（Optical Proximity Correction）是光学近似修正。 我们可以利用光的衍射效应，将直线设计成锯齿状，由于衍射作用，Line上的尖角都会圆化，这样最终的Pattern就变成我们希望得到的直线，而且这个分辨率会比设备的极限分辨率要高。
4.2 PSM技术
光刻技术的基本思想是硅片表面上象光强度由掩模上各个透光孔衍射的波 的组合确定。图形特征尺寸、离焦量对象衬比、光强度、分辨率和象质有重要的影响。图形刻划的主要判据是图形的衬比。
Levenson等人，提出的PSM方法可使襯比改善，分辨率比传统方法改善40%～100%。其原理是使透过掩模图形上相邻透光孔的光束之间产生180度相位差，因而使特征图形周期小时，硅片表面上相邻图形象之间因相消干涉使暗区光强减弱，由能量守恒定律知，势必使图形亮区象增强;而且相邻透光区之间的相位相反，改变了掩模图形的空间频谱分布，消去了直流分量，压窄了频带，换句话说，使用相同的光刻系统，PSM（Levenson型）可使掩模图形的空间频率增加一倍时光刻系统仍能分辨，即分辨率提高一倍。由于反相，产生振幅通过零点，使象强度分布衬比（度）提高，改善了分辨率、边缘陡度和曝光量宽容度。下图为相移掩膜设计原理。
当我们设计的密集线条都接近设备的分辨率极限，则会出现对比度下降而导致不能完全分辨开的现象，使用相移掩膜技术可以利用光的相干干涉原理来增加图像的对比度，从而提升分辨率，如下图所示：
由上图可以看出，同样的条件下，PSM Mask由于光的干涉作用，使得图像的对比度更高，从而能够达到更高的分辨率。
Normal Mask，随着线宽的降低，由于受到光的衍射效应影响，残膜厚度也会跟着降低，这样就降低了Pattern的对比度，无形中降低了分辨率;ISM技术就是在设计Pattern的下面镀上一层比设计Pattern稍大的Half tone区域，由于Line周边是半透膜，因此残膜厚度降低较小，Pattern对比度基本上没有变化，无形中提升了分辨率。
5. 总结
实现高PPI（单位面积像素个数），需要更细的线宽和更窄的间距，这往往受到光刻设备解像力的限制，特别在外围高密度的集线区，低分辨率设备往往会有Mura和Remain等现象发生，而通过对现有设备解像力的研究，在当前曝光设备和光刻胶衬底的前提下，我们搭配不同的Mask设计，OPC，ISM，PSM，DOF等技术，可以提高设备的极限分辨率，从而达到增加产品PPI的目的。
（作者单位：南京中电熊猫平板显示科技有限公司）
关键词：解像力;薄膜晶体管;相移掩膜;曝光容限;DOF
1.引言
近年来，液晶显示器由于具有轻薄，亮度高，功耗低等优点被广泛应用于日常生活中。随着社会的发展和人民生活水平的逐步提高，对液晶显示器的需求也快速增长，对产品的需求也从传统的电视，计算机显示器等过渡到手机、移动显示等小尺寸产品上.对产品特性的要求也不断提高，例如：高开口率，高分辨率，节能环保等。开口率的提升对低能耗和液晶显示器亮度的提升有很大的作用，而高分辨率需要TFT和CF具有更小的特征尺寸。蘋果提出来的视网膜技术对产品分辨率要在400～500PPI。为了满足市场对显示产品高分辨率的要求，需要从产品的设计和工艺各个方面进行优化，其中过孔尺寸和线宽两个因素对阵列基板分辨率影响最大。
2.镜像投影曝光系统解像能力分析
对于TFT而言，High PPI的核心就是Line线宽的减小密度增加，以及过孔尺寸的减小，由于受限设备硬体结构的限制，分辨率提升非常困难，针对现有的镜像投影曝光设备进行简单的硬体优化和参数的优化，以将现有设备分辨率进一步提升。
在当前的镜像投影曝光设备，按照上面的理论计算结果，如果要实现2.5μm解像是可行的。但是，如果对比度低下，则Focus容许量将剧减;导致对比度低下的主要原因是IVD（Image Vibration Deviation）;通常认为对比度达到0.5的时候可以将Pattern分辨开来，因此如果想提升设备的分辨率，需要降低IVD从而提升了Focus容限（DOF）来实现;现在我们设备的实际现在的设备实际的IVD水平在2μm左右，由上图可以看出IVD为2μm，如果需要达到2.5μm的解像力，DOF的容许量只有44μm，当前的设备状态，DOF=44μm是不能满足量产条件的，当IVD为1μm时，同样的2.5μm解像力，DOF的容许量变为70μm，这个数据可以远远满足当前的设备状态，因此降低设备的IVD至关重要。
我们考虑一下，在曝光中截取的一个曝光瞬间，那么Slit中的各点都将会出现微小的Distortion（图四），这种现象我们称之为Image Shift;另外，Stage在曝光光过程中一边震动一边Scan，这种震动引起的曝光偏差我们称之为MSD（图五）;
3.1 IVD与分辨率关系
3.2 影响Focus容许量因素分析
影响Focus容许量的主要因素可以分为机械因素、曝光热因素、Focus再现性等，机械因素主要由AS、Image Shift、Chuckflatness等因素组成，曝光热因素主要是Focus Shift，Focus再现性指的是Focus测试的再现性;曝光热因素和Focus再现性我们认为基本上是很稳定的因素，当前备安装了UM空调，Focus Shift基本上能够稳定在10μm水平，Focus再现性也同样可以保持在5μm的水平。
机械因素成为影响Focus容许量的最主要因素，其中的AS因素当前量是15μm，有很大的可改善空间，针对AS降低主要牵涉到光学Parts面精度，主要依靠大非球面镜的再加工，需要的时间和成本相对较高。
影响Image Shift的因素主要有Slit内部Distortion、Lamp精度、照度均一性、Scan精度等;Slit内部Distortion降低最好的办法就是更窄的Slit（当前Slit宽度为100mm），这样可以很有效的减小Slit内部的Distortion，非线性Glass的调整对于Slit内部Distortion改善也会有一定的效果，Lamp位置精度对于Image Shift同样有较大的影响，主要可以通过调整两个灯箱位置，以实现两个灯在Plate面上的像位置能够完全吻合（有效光源调整），这样双灯照明与单灯照明之间的误差缩减到最小。
影响Flatness因素较多，主要包含Mask Flatness、Chuck Flatness、Plate Flatness、PR膜厚、Coating Uniformity、PL Z轴精度等。为了将Flatness进一步提升Mask Flatness和Chuck Flatness是两个相对比较容易提升的，Mask Flatness通过优化Bend Glass气压从而使得Mask Flatness得到有效的提升;而Chuck Flatness主要是通过调整Chuck底部的Oil Leveler，另外对于局部位置的微调只能通过在对应位置垫上合适高度的垫片来实现了。
4.Mask设计改善
4.1 OPC技术
受到光的衍射影响，当线宽接近设备分辨率极限时，掩模图形和基板表面实际图形之间就会出现转移失真现象，一般被称之为光学邻近效应（OPE，optical proximity effects），如图4所示。
在曝光过程中，往往会因为光学临近效应使最后的图形质量下降：线宽的变化;转角的圆化;线长的缩短等。OPC（Optical Proximity Correction）是光学近似修正。 我们可以利用光的衍射效应，将直线设计成锯齿状，由于衍射作用，Line上的尖角都会圆化，这样最终的Pattern就变成我们希望得到的直线，而且这个分辨率会比设备的极限分辨率要高。
4.2 PSM技术
光刻技术的基本思想是硅片表面上象光强度由掩模上各个透光孔衍射的波 的组合确定。图形特征尺寸、离焦量对象衬比、光强度、分辨率和象质有重要的影响。图形刻划的主要判据是图形的衬比。
Levenson等人，提出的PSM方法可使襯比改善，分辨率比传统方法改善40%～100%。其原理是使透过掩模图形上相邻透光孔的光束之间产生180度相位差，因而使特征图形周期小时，硅片表面上相邻图形象之间因相消干涉使暗区光强减弱，由能量守恒定律知，势必使图形亮区象增强;而且相邻透光区之间的相位相反，改变了掩模图形的空间频谱分布，消去了直流分量，压窄了频带，换句话说，使用相同的光刻系统，PSM（Levenson型）可使掩模图形的空间频率增加一倍时光刻系统仍能分辨，即分辨率提高一倍。由于反相，产生振幅通过零点，使象强度分布衬比（度）提高，改善了分辨率、边缘陡度和曝光量宽容度。下图为相移掩膜设计原理。
当我们设计的密集线条都接近设备的分辨率极限，则会出现对比度下降而导致不能完全分辨开的现象，使用相移掩膜技术可以利用光的相干干涉原理来增加图像的对比度，从而提升分辨率，如下图所示：
由上图可以看出，同样的条件下，PSM Mask由于光的干涉作用，使得图像的对比度更高，从而能够达到更高的分辨率。
Normal Mask，随着线宽的降低，由于受到光的衍射效应影响，残膜厚度也会跟着降低，这样就降低了Pattern的对比度，无形中降低了分辨率;ISM技术就是在设计Pattern的下面镀上一层比设计Pattern稍大的Half tone区域，由于Line周边是半透膜，因此残膜厚度降低较小，Pattern对比度基本上没有变化，无形中提升了分辨率。
5. 总结
实现高PPI（单位面积像素个数），需要更细的线宽和更窄的间距，这往往受到光刻设备解像力的限制，特别在外围高密度的集线区，低分辨率设备往往会有Mura和Remain等现象发生，而通过对现有设备解像力的研究，在当前曝光设备和光刻胶衬底的前提下，我们搭配不同的Mask设计，OPC，ISM，PSM，DOF等技术，可以提高设备的极限分辨率，从而达到增加产品PPI的目的。
（作者单位：南京中电熊猫平板显示科技有限公司）