周畅上海 上海微电子产品总监周畅:高分辨率TFT扫描投影曝光技术
非常荣幸今天有这个机会向行业的领导,向各位专家和同仁来报告一下中国在平板显示TFT曝光设备的一些近况,我的报告首先介绍一下我们的公司,也介绍我们在研制曝光设备一些技术的基础。我们公司叫做上海微电子装备有限公司,成立于2002年,主要的产品就是在做曝光机,曝光机有多种应用包括IC的前道,后道,以及平板显示。
我们可以这样理解,一台曝光机是人类进行微纳制造的最核心的设备,我们公司有两个大楼是专门做设备的集成总装的,比较高的那个楼是专门做大型设备包括平板曝光机的组装,目前我们公司主要市场在亚太地区,供应链除了亚太地区还包括欧美部分。公司的员工情况有70%以上本科学历,硕士30%以上,研发人员在我们公司占的比较多。我们公司专利1600多项,将近十分之一是国外的专利。
我们的技术基础第一个是纳米的运动台技术,投影曝光里面最核心的心脏叫做投影光学系统,还有光学的测量,水平上的测量和垂向的测量还有物料的传送系统,平板里面玻璃板的传送。以及自动化电子控制系统,还有激光干涉仪,还有高精度的温度控制系统,正因为这八大关键技术可以研制从IC到平板的各类曝光系统。
iPhone4出来大家在讨论一个平板的屏多重要,所有的分辨率都在提高,索尼的G5已经达到800多PPI,三星NOTE5 500多PPI等等。这么高分辨率的后面核心是什么?最关键是TFT,如果驱动电路的分辨率做不上去,一个像素后面一个驱动电路,如果驱动电路做不上去像素也做不上去。传统平板显示一般用α-Si,不管是OLED还是高端液晶都在用LTPS以及金属氧化物。
小尺寸移动终端上主要是LTPS为主,稍大尺寸的用金属氧化物,但是高分辨率的主流还是LTPS,之所以有这两种材料因为他的电子迁移率比α-Si更高。在传统的A硅要做TFT里面有一根根电路构成的,我们讲最小的线宽其实就是CD,就是决定了到底多大面积上做多少的电路,跟IC的领域非常类似,跟薄膜晶体管理跟IC比较相对比较简单。
传统的A硅一般到3μm,再往上走到LTPS和金属氧化物,线宽可以往下降。LTPS现在已经有人在做2μm,今后1.5μm会成为主流,金属氧化物是从2μm到2.5μm。对于高分辨率的TFT,制造核心的曝光机设备做TFT电路的线宽设备,分辨率最小应该至少在2μm以下,这是做高分辨率的。
我们再来看一下,我们公司在曝光方面的研究,举一个实例,以4.5代的曝光机,我们专门用红色标识分辨率,小于等于2μm。
这台设备里面结构非常复杂,涉及到光、机、电控制软件各个方面的系统,一台曝光机主要包括什么?第一是分辨率,第二是套刻,指不同层套合的精度,第三是TP。TP在液晶里面非常重要,作为一个高端的屏幕显示,任何精度都是非常重要的。
我们把复杂的图片简化一下,这个图上面最核心的曝光系统在这里,这是我们的曝光系统,在这个设备当中我们采用的MASK在多倍镜头上面我们叫做reticle,我们用了一个放大的镜头,6寸的MASK,6寸的RETICLE可以实现玻璃机版面将近12寸的屏幕制造,制造的过程是什么样的?这是一个蓝色的曝光区域,在曝光过程当中是动态扫描的,当扫描完成的时候一个屏就做好了。
reticle或者MASK就放在这里,玻璃机板放在这里,曝光的时候这两个是同步运动的系统再往下这台设备里面还有测量系统,测量系统包括主要在这么几个地方,第一个是FLS系统,会测量玻璃片上表面的高度,保证高精度曝光的时候主要处于正确的地方。
PA系统可以测量这张玻璃片水平上的位置。第三叫做RA系统,在这个地方,这个RA系统可以测量MASK从下往上抬头看,也可以测量镜头交面到底在哪里,充当一个像传感器的作用。
MASK的传送叫做RH系统,30块reticle可以传送上来。LTPS需要10道工序,在大型设备立宪,大型量产设备里面Reticle是需要考虑得问题。我们看到这台设备的配制结构,这台设备怎么做到两微米?我们把曝光系统单独拉出来放大,一个曝光系统里面有多种光学成分构成,最主要有光源和照明系统,还有遮挡曝光成像,这个Blades是完全集成的,会形成一个均匀的照明区域,在雾面上长条的尺寸是9833,再往下是两倍的系统,再往下到下面这个尺寸就会乘以2,在两倍的系统当中我们实现12寸屏的一次曝光制造。
包括摩尔定律,推动IC产业发展,还有TFT做高分辨率,CD表示线宽,等于K1栏目大(音),这台设备里面我们的栏目大(音)取的365,NA觉得光学系统的难度的重要指标。K1我们选的0.55。在这样的配置情况下可以做到两微米的CD,CD怎么提高?CD往下提高我们可以把K1因子做强,在往下K1做到0.4,就可以更小。在半导体领域,IC里面可以把K1做到0.3,但是平板里面很难做
有朋友问,为什么我们只去改变K1,不改变其他的东西?可不可以把波长做短,将波长做短这是一个UV光,半导体往下发展就是把这个做起来,从365做到248再到163,做小之后整个光学系统的镀膜和材料成本大幅上升,光源的功率因为在平板里面曝光非常大,光源的功率都会成为问题,使得设备价格或者成本极具的上升,这是调整蓝么大(音)造成的功能问题。
NA为什么不做大?NA可以做得很大甚至大于1,为什么不把它做大?因为平板领域里面,玻璃板表面面型有一定的功差,同时面板领域工艺里面没有平坦化,多层薄层叠加导致表面起伏不平,把NA做大导致胶生(音)变小线条出不来,NA只能保证0.1左右,唯一一个就是把K1因子做小。
我们看一下实测的数据,照明端形成均匀的照明区域,均匀性小于1%,这个镜头每个点相差绝对位置小于300纳米,实现分辨率还有另外一个因素就是focusing,玻璃片表面起伏不平怎么克服使得它始终在曝光区域,始终在最佳胶面上,首先用了6DOF,对于plate stage表面会起伏不平也是一个关键的技术,这是有一个动画我放一下可能会更加明显。
当玻璃片表面起伏不平的时候,这个FLS在曝光区域会布置5个点,会测量表面的起伏到底多少,包括G、R、S、Y,让stage自动调整,我们微观看这个过程始终保持玻璃片表面和最佳胶面是吻合的。
谈完CD线宽两微米,再看一台曝光机,除了两微米,高精度不能只有这一条保证,还需要做TP和overlay,配合CT才可以。怎么保证TP?TP可能是稍微宽松一点,但是还是非常有用的控制因素要配合好TP首先是Stage的Chuck,控制是非常严格的,我们采用了黑陶瓷材料控制热膨胀系统,这台设备经过国内外很多专家看这个Mura,玻璃片是没有的。
激光干涉仪系统会影响曝光的位置,目前在半导体领域所有的设备全是配套自主研制的,完全可以保证走出来的三个和述标性(音)在一个非常严格的控制之下。
还有温度控制,温度控制对于TFT的设备来说也是非常重要的设备整个温度控制做到0.05℃以下,plate是0.1℃以下。还有设备维护,一种是通过TPM来做,会定期去做。还有一种通过TPM标定一块标准的Plate,有一个马克(音)只用标定过后的一张标准的plate进行非常简单的PM操作。
再看overly,采用光电的测量,直接看玻璃板边,如果有偏差,这台设备会自动校过来,做完预对准会做专用的标记做alignment,微观看是纯对称的光栅结构,有助于提高到纳米量级,同时采用亚像(音)法进行量策。
这台设备有两个立轴(音)系统,一次可以对两个标记。这台有一个GA模式,在整张玻璃片上,下面可以选择4-8对标记,直接对4-8对标记位置进行测量,从而计算一张玻璃片的坐标系的分布,进行后面的曝光动作,这个叫做GA。
我们的曝光市场最大做到4.2英寸,有的曝光机分成4次曝光完成,我们提供了HA的模式,这里分成四个区域,假如每个区域都在纸质曝光之前另外一台曝光机一次曝光完成,每个区域我们叫做场内区域和区域之间叫做场间数学模型不一样,我们只对区域进行对准,区域内选择2-4对标记,完成区域的坐标系建立,建立四个坐标系,每个坐标系用四个坐标场完成,是我们提供HA对准模式的。
对于overly还有平移旋转分不对称的还有倍率的,又分场内和场间,我们可以在overly调整,保证精度要求。再来看一下实测数据,这是场间6个量,这些数据基本在百纳弧度和纳米级,精度非常高。
最后看一下这台设备实测数据,毕竟最后行不行还是最后数据说了算,这台设备所有的实测数据都是在用户方面进行测量的。CD我们测量了52个点,我们是用CDU衡量的,所有用的KR就是曝光用的光刻胶厚度1.5微米,极限分辨率2-2.
5微米是非常常用的光刻胶,两微米线条非常清楚,1.5微米的线条基本出来了,线条之间有一点粘黏,跟光刻胶的分布有关。线条上面包含水平方向和垂直方面两个方向的线条,52个点对于每个点在两个方向是104个数据,我们计算这些数据当中的CDU。
这是CDU的实际测量情况,我们一共测了十多片,对于2.5μm的CD都在10%的范围内,连续超过15天,对于2μm的CD都在15%之内。
因为刚才看到1.5μm线条已经出来了,如果有更高分辨率的光刻胶,情况会更好。我们换了一种胶,因为这种胶我们便于实验,便于测试,在为佛(音)上做,曝光场的尺寸和玻璃片上一模一样的大小,我们为了测得更精细做了45个点,我们看其中1.
8微米的线条回忆一下刚才讲的K1因子,当选到0.5对应的CD就是1.8微米,我们做了最佳胶面和正负离胶,胶身10微米都可以实现CDU10%,我们对这张过进行了剖面处理,用扫描电镜看微光结构,这台设备的曝光系统可以实现1.8微米。
看一下TP测量,第一种线段的测量,一张玻璃片上我们会测量一个shot内四分之一的斜线和横向段,一共测量了30条线段,指标1.5微米,我们看一下30条线段实际测一下最大值,最小值,均值在0附近,其他的都在1.5微米之内。
另外我们看单点位置误差,基于最开始的基准标记,叫做CSmarks,我们测了46个点,每个点分成X和Y,测一下我们不是单片有十多片的数据,看看TP的X和Y在15片连续数据指标都是小于1.5微米的。再看一下单机套刻,OL测量我们第一层会做这样的口子型的,第二层测一个小方块,是一个行业标准测量方法,第一层做完做第二层,把小方口放到口中间成为这样的标记,量测这两个边的距离,4个方向算X和Y,用这样的方式我们一共测了40个点,当然正常我们量产可能不会测这么多,为了实测各点测了40个点,每个点算X和Y。
每个点的误差都在600纳米之内,单机性能也是在0.6微米之内。
最后看一下匹配,我们公司的产品进入产线必然要面临的问题,我们用的HA的对准模式,每个区域选的三对标记测量数据,所有的大于15片的,每个点的位置误差都在1微米之内,可以做4个场的曝光设备进行良好的匹配完成量化生产。
最后总结一下,我们可以看到现在对于高分辨率的PPI和LTPS或者OXIDE Panel小于2μm是趋势,我们公司研发了将近6年时间研发这台设备,所有的投入以设备的性能来讲,这台设备完全可以实现2μm以及更优的分辨率,采用更好的胶分辨率可以进一步往上提。包括1.5μm线条都可能出来。
4.5代的技术可以过滤到5代的技术上去,玻璃板面积会大,Tact time会有损失。如果在5.5代上做,面积是4.5代面积两倍多,曝光市场尺寸也要扩大两倍?其实没有,这个16个,这个只要30个,单场在Y方向稍微大一点,因为可以做到260,所以只要30个就可以完成曝光,因为曝光场数量增加了,TACT TIME在90秒以内,对于我们研发技术和设备的同时,不仅面向两微米和1.
8微米,我在设计更高精度的曝光机系统,在4.
5到5代TACTTIME有损失,对于大于5.5的曝光机板,希望保证分辨率和精度的时候没有TACTTIME的损失。因为我们公司就在上海,欢迎大家来我们公司指导、参观,我们有一个展台在N3,3651欢迎大家访问,同时非常希望我们公司在光电方面的这些核心技术,用在曝光机开发的核心技术能够与面板厂或者整机厂有更多的合作,为大家提供高性价比的设备以及优质的设备技术方面的支持与服务。谢谢
