高世代平板顯示光刻機(jī)照明系統(tǒng)中梯形視場(chǎng)的設(shè)計(jì)與仿真

曹昌智+劉悠嶸+鄭繼紅

摘要：針對(duì)大面積薄膜晶體管（TFT）液晶顯示生產(chǎn)中的高世代光刻機(jī)（6代以上）照明系統(tǒng)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新穎的梯形拼接照明視場(chǎng)方案。使用設(shè)置在微透鏡陣列入瞳處的視場(chǎng)光闌陣列實(shí)現(xiàn)了梯形拼接照明視場(chǎng)，同時(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。相較于以尼康平板液晶顯示器（FPD）光刻機(jī)為代表的現(xiàn)有梯形拼接視場(chǎng)方案，提出的設(shè)計(jì)方案能減少投影物鏡的熱負(fù)擔(dān)，同時(shí)在一定程度上提高照明系統(tǒng)的光能透過率。通過Lighttools建模分析，說明該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)梯形照明視場(chǎng)并且積分均勻性在1%以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞： 液晶顯示； 薄膜晶體管； 光刻機(jī)； 視場(chǎng)拼接； Lighttools模擬

中圖分類號(hào)： O 439 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.008

Design and simulation of illumination system for trapezoidal splice fields in high-generation flat pannel display lithography machine

CAO Changzhi， LIU Yourong， ZHENG Jihong

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to satisfy the production requirement of large-area thin film transistor（TFT） liquid crystal display，a novel high-generation（above the 6th generation） optical illumination system used in the trapezoidal field stitching is proposed in this paper.By using a trapezoidal field stop array at the entrance pupil of the micro-lens array，the illumination system can be simplified and realize uniform trapezoidal illumination field.Compared with current design of Nikon flat pannel display（FPD） lithography，the proposed illumination system can not only effectively reduce projection lenses heat effect，but also improve transmittance.In the simulation with Lighttools，the result shows that the integral illumination uniformity of our proposed optical system is less than 1% and the trapezoidal illumination field is realized，which satisfies the design requirement for the illumination system.

Keywords：

liquid crystal display； thin film transistor； lithography machine； field stitching； Lighttools simulation

引 言

光刻機(jī)是現(xiàn)代微電子技術(shù)中的重要設(shè)備，經(jīng)歷了從接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)、全硅片掃描投影式光刻機(jī)、分布重復(fù)投影式光刻機(jī)到目前普遍采用的步進(jìn)式掃描投影光刻機(jī)的發(fā)展歷程[1]。光刻機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體元件制造與液晶平板顯示器制造，對(duì)于薄膜晶體管（TFT）的制作尤為關(guān)鍵。隨著對(duì)大尺寸平板液晶顯示器（FPD）的需求越來越大，光刻機(jī)的曝光視場(chǎng)也越來越大，但是從第五代（G5）光刻機(jī)之后，單個(gè)成像物鏡的視場(chǎng)已無法滿足大型平板的曝光需求，從第六代起多物鏡拼接掃描曝光便成為主流。因此，與物鏡成像拼接相對(duì)應(yīng)的照明視場(chǎng)拼接亦成為FPD光刻機(jī)光學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。

目前，以尼康公司平板顯示光刻機(jī)為代表的視場(chǎng)拼接多采用多物鏡梯形視場(chǎng)拼接作為主流方案。該方案采用微透鏡陣列作為勻光元件，能很好地解決大尺寸TFT基板曝光的均勻性問題[2-6]。微透鏡陣列出射孔徑角較大，可以實(shí)現(xiàn)大面積照明，其勻光基于折射的原理，能避免高階衍射造成較大的能量損耗[7-8]，而且還能保持光的偏振特性，因此微透鏡陣列是光刻機(jī)照明系統(tǒng)中保證均勻照明的關(guān)鍵技術(shù)方案[9-14]。但是由于該方案是通過在投影物鏡中設(shè)置梯形視場(chǎng)光闌來實(shí)現(xiàn)梯形視場(chǎng)，所以在大劑量或者長(zhǎng)時(shí)間曝光中，視場(chǎng)光闌吸收的能量會(huì)導(dǎo)致物鏡的熱效應(yīng)加重，從而影響曝光效果[15]。

本文基于微透鏡陣列勻光系統(tǒng)提出改進(jìn)的梯形視場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方案，直接將梯形視場(chǎng)光闌陣列設(shè)置在系統(tǒng)微透鏡陣列入瞳處，簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在形成符合拼接要求的梯形子視場(chǎng)的同時(shí)，避免視場(chǎng)光闌發(fā)熱對(duì)物鏡造成額外的熱效應(yīng)。采用Lighttools軟件對(duì)提出的方案進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示，該方案能夠滿足勻光度和梯形的曝光視場(chǎng)要求。

1 平板顯示TFT光刻機(jī)曝光系統(tǒng)基本原理

由于大面積顯示的需求，光刻機(jī)需要掃描曝光的區(qū)域很大。但是單個(gè)物鏡視場(chǎng)是有限的，所以在曝光掃描過程中必須采用多個(gè)彎月型或者梯形子視場(chǎng)拼接的方式完成大視場(chǎng)掃描，以梯形拼接視場(chǎng)掃描的TFT光刻技術(shù)如圖1所示。在典型的采用梯形視場(chǎng)拼接的光刻機(jī)照明系統(tǒng)中，均勻照明的大視場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示，首先由2～3個(gè)大功率汞燈提供高能量紫外光源，由大口徑光纖束合成一組，再進(jìn)入多個(gè)小分支光纖，向7～11個(gè)照明系統(tǒng)陣列提供光源，再由各個(gè)照明系統(tǒng)向所對(duì)應(yīng)的物鏡提供均勻照明。

在照明系統(tǒng)中，光纖束輸入的光斑經(jīng)過準(zhǔn)直鏡組校正光斑大小和輸出角度后，進(jìn)入微透鏡陣列，由微透鏡陣列將入射光斑分解成多個(gè)次級(jí)光源，各自輸入后面的會(huì)聚鏡組交疊成像形成一個(gè)均勻的矩形光斑。在會(huì)聚鏡組的像面處設(shè)置梯形光闌形成初步的梯形視場(chǎng)，然后經(jīng)由后面的中繼鏡組將初步的梯形照明視場(chǎng)成像到物鏡的物面，接著經(jīng)過設(shè)置在物鏡中間像上的物鏡視場(chǎng)光闌形成最終的梯形視場(chǎng)。

顯然這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)照明系統(tǒng)的梯形視場(chǎng)，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜。光刻機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作，物鏡中的視場(chǎng)光闌吸收雜散光發(fā)熱，會(huì)造成物鏡額外的熱負(fù)擔(dān)。為了克服原有系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文提出新的梯形照明方案。實(shí)現(xiàn)的基本流程如圖3所示，由光纖輸入的光源經(jīng)過一組準(zhǔn)直鏡組校正輸出角度與光斑大小后進(jìn)入微透鏡陣列，由微透鏡陣列將入射光斑分解成多個(gè)次級(jí)光源，各個(gè)次級(jí)光源經(jīng)由微透鏡陣列前的梯形光闌陣列形成梯形光斑，各自輸入后面的會(huì)聚鏡組交疊成像形成最終的梯形均勻光斑。后續(xù)均勻梯形光斑再直接照射掩模版，通過物鏡成像到光刻工作面上。對(duì)比典型的圖2系統(tǒng)，該照明技術(shù)方案更為精簡(jiǎn)，直接在照明系統(tǒng)中形成最終的梯形光斑，有效減輕了物鏡的熱負(fù)擔(dān)，并且提高了照明系統(tǒng)的透過率。

2 光刻機(jī)勻光照明系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真

2.1 光刻機(jī)照明系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及主要參數(shù)

光刻機(jī)作為半導(dǎo)體工業(yè)的主要設(shè)備，主要技術(shù)參數(shù)由成像物鏡的分辨率、視場(chǎng)大小以及設(shè)備產(chǎn)率需求確定。光刻機(jī)物鏡的分辨率取決于照明系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)與物鏡的數(shù)值孔徑NA；物鏡的視場(chǎng)范圍決定了照明部分的均勻視場(chǎng)大??；設(shè)備的產(chǎn)率需求則決定了照明系統(tǒng)的照度。表1所示為尼康FX86S2型光刻機(jī)的主要性能參數(shù)，其中能達(dá)到的分辨率為3.0 μm，放大率為+1，工作波長(zhǎng)為365，405，436 nm，即g，h和i光。最大光刻基板尺寸是2 200 mm×2 500 mm，采用4次掃描曝光，每個(gè)曝光區(qū)域相當(dāng)于55 inch （1 inch=2.54 cm），也就是單次照相物鏡陣列的組合視場(chǎng)范圍要達(dá)到1 100 mm×1 250 mm。

式中：C為光刻機(jī)的最小分辨尺寸；K為工藝因子；NA為物鏡像方數(shù)值孔徑；λ為物鏡的工作波長(zhǎng)。若需要達(dá)到3 μm的分辨率，在365 nm單波長(zhǎng)曝光下，物鏡的數(shù)值孔徑NA=0.1即可滿足需求。

為了實(shí)現(xiàn)1 100 mm大型視場(chǎng)的物鏡組合，系統(tǒng)可采用11個(gè)物鏡拼接，相對(duì)應(yīng)地，也需要11個(gè)相同的照明系統(tǒng)。以單個(gè)照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為例，照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

整個(gè)光刻機(jī)系統(tǒng)的光源由2個(gè)高功率燈室經(jīng)過一個(gè)2進(jìn)11出的分束光纖（NA=0.22）引出能量，為單個(gè)物鏡提供照明能量。單個(gè)物鏡的光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括前組準(zhǔn)直鏡組，微透鏡陣列，梯形光闌和后組會(huì)聚鏡組，形成系統(tǒng)需要的梯形均勻光照進(jìn)入物鏡。

2.2 后會(huì)聚鏡組設(shè)計(jì)

由于光學(xué)系統(tǒng)的可逆性，從后組會(huì)聚鏡組開始到前準(zhǔn)直鏡組設(shè)計(jì)也是可行的。根據(jù)上文所述的1 100 mm×1 250 mm的曝光區(qū)域，假設(shè)工作視場(chǎng)采用11個(gè)物鏡組成的物鏡陣列，每個(gè)100 mm×125 mm，則單個(gè)物鏡視場(chǎng)為圖5所示的梯形視場(chǎng)（30 mm×130 mm），光刻機(jī)倍率為1，照明視場(chǎng)范圍也為30 mm×130 mm。

根據(jù)上文所述的物鏡像方數(shù)值孔徑NA為 0.1，會(huì)聚鏡組的入瞳直徑（D）設(shè)為100 mm，則根據(jù)

可得出會(huì)聚鏡組的焦距（L）為500 mm。將會(huì)聚鏡組像面矩形長(zhǎng)邊方向定義為x方向，短邊方向定義為y方向，有式中：α為入瞳角；H為像高。根據(jù)式（3）可以計(jì)算出x方向的最大視場(chǎng)入瞳角為7.407°；y方向的最大視場(chǎng)入瞳角為1.718°。

后會(huì)聚鏡組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示（如無特殊說明，本文提及所有鏡頭數(shù)據(jù)單位為mm），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

如圖7所示，后會(huì)聚鏡組各個(gè)視場(chǎng)的彌散斑直徑均方根（RMS）值小于0.65 mm，能夠保證照明視場(chǎng)的邊緣足夠銳利，并能將視場(chǎng)半影遮擋在掩模鉻邊區(qū)域內(nèi)。

2.3 微透鏡陣列及梯形光闌陣列設(shè)計(jì)

微透鏡陣列設(shè)計(jì)為像方遠(yuǎn)心光路，以減小后會(huì)聚物鏡組的光線誤差，像方最大的角度需要對(duì)應(yīng)后會(huì)聚鏡組的入瞳角，否則會(huì)造成最終的照明形狀變形并出現(xiàn)很大的彌散區(qū)域，同時(shí)也會(huì)造成能量損失。后會(huì)聚鏡組的入瞳的視場(chǎng)光闌陣列大小為100 mm×100 mm，則微透鏡陣列在x方向由10個(gè)單片微透鏡組成，微透鏡截面的x方向入瞳大小定為10 mm。由上所述x方向入瞳角為7.407°，由式（2）可得微透鏡的焦距為38.46 mm，同樣根據(jù)上文所述y方向入瞳角為1.718°以及微透鏡的焦距，根據(jù)式（3）計(jì)算出y方向的入瞳口徑為2.3 mm。

微透鏡陣列中的單個(gè)透鏡設(shè)計(jì)為鼓型透鏡，具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，梯形光闌位于微透鏡前。每一片透鏡單獨(dú)加工，最后貼合成一個(gè)完整的陣列，亦可整個(gè)微透鏡陣列進(jìn)行整體加工成型（光刻或激光切割）。

相對(duì)應(yīng)地，在本設(shè)計(jì)中為了最終形成梯形的照明視場(chǎng)，在每個(gè)微透鏡前方的入瞳位置設(shè)置一個(gè)梯形光闌，形成照明系統(tǒng)的梯形視場(chǎng)光闌陣列，則最終照明視場(chǎng)的形狀就由該光闌的形狀所決定。根據(jù)上文的計(jì)算，微透鏡x與y方向上的入瞳口徑（10 mm和2.3 mm）即為梯形視場(chǎng)光闌的底邊長(zhǎng)與高，根據(jù)圖8所示梯形視場(chǎng)的底角為45°，即可得到單個(gè)視場(chǎng)光闌的形狀如圖9所示。由于光闌陣列的形狀與位置決定了最終照明視場(chǎng)的形狀與位置，所以光闌陣列需要較高的加工精度，可以使用激光切割或者在石英基底上光刻的方式完成。

2.4 前準(zhǔn)直鏡組設(shè)計(jì)

同樣，光照系統(tǒng)的前準(zhǔn)直鏡組設(shè)計(jì)也為像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，以保證微透鏡陣列的入瞳角度。光纖出射端光束經(jīng)過前組準(zhǔn)直后，要保證照射到對(duì)應(yīng)微透鏡的數(shù)值孔徑范圍之內(nèi)并照亮后會(huì)聚鏡組的入瞳口徑。照射到微透鏡NA以外的光線會(huì)在傳遞過程中損耗，或者落到設(shè)計(jì)視場(chǎng)以外的區(qū)域，造成照明視場(chǎng)的變形與邊緣彌散區(qū)域的擴(kuò)大。微透鏡的截面是長(zhǎng)方形，因此經(jīng)過光纖傳輸整形后的入射光束也是與之相匹配的長(zhǎng)方形。微透鏡陣列的尺寸正是前準(zhǔn)直鏡組的像高，為50 mm。而光纖的NA為0.22（石英光纖典型數(shù)值孔徑），根據(jù)式（2）前準(zhǔn)直鏡組的焦距為221.704 mm。根據(jù)后會(huì)聚鏡組x方向入瞳角為7.407°，y方向入瞳角為1.718°，再根據(jù)式（3）則計(jì)算得出前準(zhǔn)直鏡組的物方尺寸（即光纖出射端尺寸）為57.643 mm×13.302 mm。所設(shè)計(jì)的具體光路圖和數(shù)據(jù)如圖10和表4所示。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能仿真

將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在Lighttools中建模仿真（圖11）?？傋粉E光線為10 000 000條，為有效消除隨機(jī)噪聲對(duì)追跡結(jié)果造成的干擾，對(duì)追跡結(jié)果進(jìn)行三階平滑處理。

考慮到梯形視場(chǎng)難以進(jìn)行積分均勻性的計(jì)算，而且視場(chǎng)光闌只會(huì)影響照明視場(chǎng)的形狀而不會(huì)對(duì)照明均勻性有影響，所以視場(chǎng)能量均勻性仿真是基于不設(shè)置光闌陣列條件進(jìn)行的。結(jié)果顯示，積分均勻性為0.884%。

由系統(tǒng)仿真圖12和圖13的結(jié)果可以看出，視場(chǎng)光闌陣列的確發(fā)揮了作用，系統(tǒng)形成了標(biāo)準(zhǔn)梯形照明視場(chǎng)。而視場(chǎng)周圍的彌散是由后會(huì)聚鏡組造成的，考慮到實(shí)際工作情況下，在掩模圖形區(qū)域的周圍存在鉻邊進(jìn)行遮擋，所以這種程度的彌散不會(huì)影響實(shí)際工作。

3 結(jié) 論

提出的視場(chǎng)形成方案較現(xiàn)有的方案在照明系統(tǒng)中省去了整個(gè)中繼鏡組結(jié)構(gòu)，很大程度上節(jié)省了系統(tǒng)的成本并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。同時(shí)將額外的熱負(fù)擔(dān)最大程度地留在照明系統(tǒng)的前半部分（梯形光闌陣列位置），從而緩解了物鏡的熱負(fù)擔(dān)，降低了物鏡熱效應(yīng)。從最終的系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出，使用視場(chǎng)光闌陣列配合微透鏡陣列勻光，在理論上完全可以實(shí)現(xiàn)梯形的均勻照明視場(chǎng)。

但是作者在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，雖然微透鏡陣列應(yīng)用于均勻照明領(lǐng)域的情況非常普遍，但是微透鏡本身的像差（主要是畸變）也會(huì)對(duì)最終的照明視場(chǎng)均勻性和視場(chǎng)形狀造成影響，尤其是在大焦距后會(huì)聚鏡組的情況下?？紤]如何消除或補(bǔ)償微透鏡本身的像差所導(dǎo)致的照明視場(chǎng)均勻性惡化，在工程應(yīng)用上有較大的意義。

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