200mm×200mm OLED步进投影曝光机

周 畅，李喜峰

(1.上海微电子装备有限公司，上海 201203；2.上海大学新型显示技术及应用集成教育部重点实验室，上海 201900)

AMOLED(Active matrix organic light-emitting diode)具有自发光、更薄更轻、无视角问题、高清晰、高亮度、响应快速、能耗低、使用温度范围广、抗震能力强、成本低的优点，有可能成为取代TFT-LCD的下一代显示技术。目前日本、韩国、中国台湾已有小尺寸面板的小批量生产，手机是其最大应用领域。在世界范围内大尺寸面板处于研发阶段，但这是显示技术和产品将来发展的主要方向。目前在国家和地方支持下，现已有不少单位投入研发，力争在AMOLED产品这个新领域中缩小与国际先进水平的差距。AMOLED技术尚处于产业化启动阶段，产品的市场竞争环境尚未形成。从出货量来看PMOLED(Passive matrix OLED)一直是市场上的主角，但销售收入从2008年开始，PMOLED就不再占主导地位。由于AMOLED在手机、PDA和便携式媒体播放器中应用的强劲势头，2011年AMOLED出货量已超过PMOLED。未来AMOLED将是带动OLED显示屏快速成长的主要力量，这说明未来OLED的市场在AMOLED，加紧AMOLED的相关研发，形成整体配套技术非常关键。

目前200mm×200mm玻璃基板尺寸的OLED研发线能够较经济地进行OLED器件相关技术开发验证，并能够与产线技术兼容。AMOLED工艺的TFT技术与传统LCD工艺的TFT技术区别很大，它需要更复杂的驱动电路、更高的曝光分辨率及套刻精度。此外，显示PPI越来越高，这进一步要求光刻分辨率的提高。目前市场上还没有能满足200mm×200mm玻璃基板尺寸高分辨率曝光设备供应，只能暂时用接近接触式Aligner曝光机（即没有真正光学成像系统，分辨率较低，套刻精度较差）替代应急。高分辨率曝光设备需要采用光学投影成像曝光，通过分步曝光方式实现良好的套刻精度控制，即针对200mm×200mm玻璃基板的步进投影曝光机是OLED器件技术验证的关键设备之一。

SS B200/10A曝光机是上海微电子有限公司研制的具有2μm分辨率的OLED步进投影曝光机，基于已成熟的IC后道光刻机SS B500系列产品平台开发，针对玻璃基板进行了一系列技术升级和优化，能够实现AMOLED所需的非拼接曝光和拼接曝光，满足200mm×200mm AMOLED研发线对光刻的要求。

1 OLED步进投影曝光机

SS B200/10A曝光机（如图1）采用整体主动减振结构，隔振部分包括照明系统、投影物镜、掩模台、工件台、对准系统、调焦调平系统。设备采用密封腔体设计，腔体循环温度控制系统通过整体送风方式控制曝光环境温度、湿度、洁净度，设备内部温控精度达到±0.1度，洁净度为CLASS 10级。

图1 SS B200/10A曝光机

曝光系统采用宽波带ghi线照明光源，双远心成像光路，投影物镜通过全对称结构设计具有视场大，分辨率高，畸变小等高成像质量等，同时曝光能量可根据用户光刻胶曝光剂量要求设置不同的级别，以满足每片基板的快速处理时间要求。掩模台包含大行程驱动装置和精确定位微动台，进行4自由度的精确定位运动；大行程驱动装置使掩模版上可平行布置两个曝光图形（最大支持尺寸为44mm×44mm）。基板台采用气浮导轨，平衡驱动，激光干涉仪测量系统，6自由度高精度伺服控制，以满足高可靠性及拼接曝光的高套刻精度要求。对准系统包括掩模（MASK）对准单元和基板（PLATE）对准单元，掩模对准采用同轴TTL结构，基板对准采用离轴OA结构；OA结构使得基板对准单元位于基板台正上方，结合专门设计的栅格对准标记，更有利于提高玻璃基板对准精度及工艺适应性。调焦调平系统专为透明玻璃基板材料设计，测量基板曝光区域上表面与投影物镜下表面的相对高度，能够自动将基板带到最佳成像焦面，并可通过对每个曝光场的进行调焦调平来有效消除基板上表面形起伏导致的离焦误差。

SS B200/10A曝光机采用自动准150mm(6英寸)掩模传输系统，并配备6块掩模版的存储单元；采用自动单片式基板传输系统，可处理0.3～1.2mm厚度范围的200mm×200mm方形玻璃基板，并配备预对准单元，可根据基板边缘进行准确定心及定向。同时为测试方便，基板传输系统也支持200mm硅片的传送。设备软件采用UNIX系统，支持离线JOB编辑，支持同一曝光层多种曝光图形切换，支持拼接曝光实现更大尺寸的OLED显示屏幕。

SS B200/10A曝光机是一个涉及光、机、电等诸多学科的复杂系统和精密设备，设备的关键性能指标CD、Overlay均通过专业的仿真及工程试验验证，配合设备强大的软件校淮系统，能够实现2μm线宽的10%均匀性控制，优于0.5μm的套刻精度控制，可满足高分辨率显示器件的曝光工艺要求。

2 曝光机设备性能及显示器件开发

2.1 性能测试

SS B200/10A曝光机关键性能测试使用硅片进行，以避免使用较低精度显微镜，用的主要工艺测量设备包括Hitachi的CD-SEM机S-8820和KLA的Overlay机Archer 10；用的光刻胶为AZ MiR 703，光刻工艺参数如表1所示。

表1 AZ MIR 703光刻胶曝光工艺参数

SS B200/10A曝光机的CD测试包括CDU及DOF测试，即将测试掩模图形分别在最佳焦面处、正负最大离焦处曝光到涂有光刻胶的硅片上的9个场，然后利用显影液对曝光后的基板进行显影。利用CD-SEM机测量显影后硅片上指定位置处图形的特征尺寸。在曝光场内不同点处分别测量水平和垂直线条的关键尺寸，并选择所有曝光场进行测量以平均测量噪音。求取所有测量值的3σ值。实测数据如表2所示，说明设备在10%CDU控制下具有2μm线条，焦深8μm。

SS B200/10A曝光机的套刻测试采用Box in Box套刻标记，首先在硅片上曝对准标记及第一层套刻标记，然后下片，间隔一段时间后（通常为1天）再根据已有的对准标记曝第二层套刻标记。第一层和第二层曝光采用相同的套刻掩模和对准设置。显影后利用Overlay机读取多个视场的套刻标记位置偏差，并利用两层标记的位置偏差计算套刻精度。套刻测试过程中，每片9个场，6个对准标记，EGA全局对准，实测数据如图2所示，说明设备套刻精度|Mean|+3小于0.4μm。

表2 CDU及DOF测试

图2 Overlay测试

为进一步验证设备能力，采用200mm×200mm玻璃基板进行TFT实际图形曝光，并最终蒸镀OLED材料，通过OLED器件开发及点亮进行光刻验证。

2.2 显示器件开发

开发了1.5英寸，分辨率为128×128OLED显示器件进行光刻验证，TFT驱动背板采用传统的2T1C像素驱动电路，如图3所示。通过G、D、I、C、P、O等6层套刻曝光实现，各层曝光图形变换游标通过显微镜观察测量。6层套刻对准重合规则如图4所示。

G层曝光显影后的pattern如图5所示，能够清晰观察到x和y两个方向的2μm线宽，说明分辨率优于2μm。后续各层的套刻精度均以x和y两个方向的游标标记读取。

图3 TFT驱动原理图

图4 套刻对准重合规则

D层与G层的x、y方向的套刻测量游标读数如图6所示，I层、P层、C层与D层x、y方向的套刻测量游标读数分别如图7、图8、图9所示，各层套刻精度均优于1μm，考虑游标标记和显微镜的测量误差，设备实际套刻精度不超过0.5μm。

TFT驱动背板曝光过程及数据表明，200mm×200mm的玻璃基板能够在SS B200/10A曝光机中完成自动化传送流程、预对准及对准流程、调焦调平流程、单层及多层曝光流程，CD及Overlay精度满足AMOLED工艺要求。应用SS B200/10A曝光机成功开发了OLED显示器件，其点亮效果如图10所示。说明开发的SS B200/10A曝光机能够满足AMOLED显示技术对光刻技术的要求，为开发下一代AMOLED显示技术用曝光机奠定技术基础。

图5 G层曝光测量图形（CD 2μm）

图6 D-G套刻精度测量x/y

图7 I-D套刻精度测量x/y

图8 C-D套刻精度测量x/y

图9 P-D套刻精度测量x/y

图10 OLED器件显示图

3 结 论

根据SS B200/10A曝光机的实测数据，整机关键性能指标符合设计预期，具备优良的200mm×200mm玻璃基板传送、测量及曝光能力，单片自动化功能及灵活友好的软件系统能够满足OLED研发线光刻需求，这也是专门支持200mm×200mm玻璃基板、并且分辨率优于2μm的高精度OLED投影曝光机。同时，该曝光机相关技术能够转移到更高的1um分辨率或2.5代、4.5代等更高代玻璃基板的曝光机，以适应未来AMOLED显示技术发展的需求。

致谢

感谢上海市科学技术委员会高新处的支持，感谢上海微电子装备有限公司的帮助、上海广电电子有限公司平板中心全体的帮助及上海大学新型显示技术及应用继承教育部重点实验室的帮助。

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[1]周畅，贺荣明.投影光刻机在先进封装中的应用[J].电子工业专用设备，2010（3）：47-50.

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