一種大面積tft光刻裝置及其光刻方法

專利名稱：一種大面積tft光刻裝置及其光刻方法
技術領域：
本發明屬于激光微加工應用的光刻技術領域，涉及一種大面積TFT光刻裝置及其光刻方法。
背景技術：
在微電子器件的制造設備中，作用最關鍵的是光刻設備。目前用于平板顯示器件的光刻設備類型大致分為接觸接近式光刻和投影式光刻。就整個平板顯示行業發展來看， 大面積，高分辨率和高產率是發展的趨勢。接觸接近式光刻設備，雖然價格便宜，但由于建立在普通光源之上，對TFT的光刻技術水平很低，且產品的報廢率很大；投影式光刻又包括采用普通光源和激光光源的設備， 前者通常采用普通光源——萊(Hg)燈，無論技術如何改進，但被開發的潛能已盡，光刻精度和廢品率是最大的問題。而后者通常采用激光直接成像(LDI)光刻的方法，通過形成的數字化圖形由數據工作站來控制激光束聚焦以光柵方式一次一個像素點曝光而成像，最明顯的好處是不需要掩模，但由于是一次一個像素點曝光成像，因而其工業生產應用中的產量較低，而且成本太高。目前平板顯示器的TFT光刻的特征尺寸通常是幾個微米，國際上水平以3-5微米居多，顯然使用普通光源的光刻設備，獲得高質量的光刻精度是最難的問題，而納米光刻水平的高端光刻機的使用成本很高和生產量有限。本發明針對介于上述兩種光刻水平之間的激光光刻，發明了一種大面積TFT光刻方法及其裝置，既容易獲得TFT的光刻精度，又能實現大面積，高精度，而且高產量的TFT光刻目的。

發明內容
本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種容易獲得TFT的光刻精度，又能實現大面積，高精度，而且高產量的大面積TFT光刻裝置。本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種簡單方便的大面積TFT光刻方法。本發明的技術方案是本發明的大面積TFT光刻裝置，包括準分子激光光源、照明光學系統、投影光學系統、光刻對位系統和掃描工作臺，其中準分子激光光源包括有準分子激光器，照明光學系統包括有第一柱面鏡和第二柱面鏡，第一柱面鏡和第二柱面鏡相互組合，把長方形的準分子激光光斑整形成正方形的光斑，再由兩片微透鏡陣列鏡對準分子激光均束，微透鏡陣列片橫向和縱向可以微調；光學投影系統包括有第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第一棱鏡及第二棱鏡，上述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡均為球面透鏡，第一透鏡與第六透鏡的結構完全相同，第二透鏡與第五透鏡的結構完全相同，第三透鏡與第四透鏡的結構完全相同，第一棱鏡為直角棱鏡，第二棱鏡為屋脊棱鏡，所設六片球面透鏡和兩片棱鏡組合成大視場、高分辨率的投影物鏡，該投影光學系統采用左右完全對稱且物像關系倒置的雙遠心的折疊式的光路結構，其結構完全對稱且物像關系也對稱；光刻對位系統包括有半導體激光器、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器、兩個半反半透鏡，掃描工作臺包括有固定及調節旋鈕、掩模固定平臺、基板固定平臺、X直線電控臺、Y直線電控臺、驅動Y直線電控臺運動的直線電機、驅動X 直線電控臺運動的步進電機，其中兩個半反半透鏡分別裝設在同軸對準的半導體激光器光路的位置上，掩模版和TFT基板通過固定及調節旋鈕分別固定在掩模固定平臺和基板固定平臺的支架上，X直線電控臺在Y直線電控臺上沿χ方向作勻速往返運動，Y直線電控臺沿 y方向作步進運動，激光分別照明置于掩模固定平臺及基板固定平臺上的掩模板及TFT基板，所得到的視頻圖樣再分別被第一圖像傳感器及第二圖像傳感器獲取。上述微透鏡陣列鏡均束后的激光由聚光鏡準直，再由分色分光鏡向上反射，透過掩模板而至投影光學系統。上述照明光學系統用的兩片微透鏡陣列鏡的微透鏡陣列片橫向和縱向能微調，微調范圍為士 1mm。上述照明光學系統的出瞳和投影光學系統的入瞳相匹配，都在無窮遠處。上述投影光學系統中六片球面透鏡和兩片棱鏡組合成大視場、高分辨率的投影物鏡，其結構完全對稱且物像關系也對稱，放大倍率為-1。上述激光器為532nm波長的半導體激光器。本發明的大面積TFT光刻裝置的光刻方法，包括如下過程
1)第一圖像傳感器及第二圖像傳感器兩個圖像傳感器從置于掩模固定平臺及基板固定平臺上的掩模板及TFT基板獲取的視頻圖，通過圖樣邊沿檢測、輪廓提取、區域定位與二值化得到二值化位圖后，由計算機不斷地進行純相位匹配濾波相關運算，直至獲得滿足判斷條件的相關峰值，從而完成精密對位。2)掩模版和TFT基板實行同步掃描，掃描的光斑呈正六邊形，掃描路徑是沿X方向從一端直線掃描到另一端時，再沿Y方向步進一定距離，以六邊形的三角區對稱重疊為準， 然后沿X反方向直線掃描，以此類推重復至整塊板掃描完成為止。本發明與現有技術相比，具有以下優點
1)與普通光源的曝光機相比，由于紫外波段的準分子激光光源比高壓或超高壓汞燈的帶寬窄、波長短和光功率大，克服了普通光源光刻帶來的分辨率有限和產品廢品率較高的缺點，本發明采用激光光源和投影成像的方法，使大面積TFT的光刻分辨率提高。2)與現有的激光光源的光刻機相比，不是針對亞微米以下的光刻，而是數微米的光刻水平，因而光學系統結構較簡單和工藝難度較小，造價便宜得多。3)本發明采用激光大面積投影掃描光刻方式，即激光投影成像(LPI)方法，避免了現有的激光光刻機的一次一個像素點直接成像(即激光直接成像，LDI)所帶來的生產效率低的問題，能滿足TFT高產量和高產率的需求。4)本發明通過雙遠心設計的折疊式物鏡投影，使掩模板和基板保持空間位置光學共軛關系而成像，能使遠距離的圖像轉移的像差極小，并且滿足光刻精度的需要，因而光學系統的設計簡易而精確。5)本發明采用了計算機數字圖像處理中的模式識別方法實現掩模和基板的對準標記相對位置的計算，以取代傳統光度型方法中采用的求和投影算法的相對位置計算方式，可有效提高對位精度。6)通過二次異維掃描曝光，在不影響生產效率的前提下增加了整個基板曝光的均勻性。并且利用正六邊形光斑的有序和定位掃描，避免了接縫誤差。本發明在用于大面積TFT光刻方面，既能滿足高質量的光刻分辨率要求，又能實現大面積，高精度且高產效的快速光刻生產。


圖1是本發明大面積TFT光刻系統的結構示意圖。圖2是本發明掃描工作臺的俯視圖。下面參照附圖，結合實施例對本發明做進一步的描述。
具體實施例方式實施例1
本發明的大面積TFT光刻裝置的結構示意圖如圖1所示，本發明的大面積TFT光刻裝置，包括準分子激光光源、照明光學系統、投影光學系統、光刻對位系統和掃描工作臺，其中準分子激光光源包括有準分子激光器1，照明光學系統包括有第一柱面鏡2和第二柱面鏡 3，第一柱面鏡2和第二柱面鏡3相互組合，把長方形的準分子激光光斑整形成正方形的光斑，再由兩片微透鏡陣列鏡4對準分子激光均束，微透鏡陣列片橫向和縱向可以微調；光學投影系統包括有第一透鏡7、第二透鏡9、第三透鏡10、第四透鏡11、第五透鏡12、第六透鏡 14、第一棱鏡8及第二棱鏡13，上述第一透鏡7、第二透鏡9、第三透鏡10、第四透鏡11、第五透鏡12、第六透鏡14均為球面透鏡，第一透鏡7與第六透鏡14的結構完全相同，第二透鏡 9與第五透鏡12的結構完全相同，第三透鏡10與第四透鏡11的結構完全相同，第一棱鏡 8為直角棱鏡，第二棱鏡13為屋脊棱鏡，所設六片球面透鏡和兩片棱鏡組合成大視場、高分辨率的投影物鏡，該投影光學系統采用左右完全對稱且物像關系倒置的雙遠心的折疊式的光路結構，其結構完全對稱且物像關系也對稱；光刻對位系統包括有半導體激光器15、第一圖像傳感器16、第二圖像傳感器17、兩個半反半透鏡18，掃描工作臺包括有固定及調節旋鈕19、掩模固定平臺20、基板固定平臺21、X直線電控臺22、Y直線電控臺23、驅動Y直線電控臺23運動的直線電機M、驅動X直線電控臺22運動的步進電機25，其中兩個半反半透鏡18分別裝設在同軸對準的半導體激光器15光路的位置上，掩模版和TFT基板通過固定及調節旋鈕19分別固定在掩模固定平臺20和基板固定平臺21的支架上，X直線電控臺22在Y直線電控臺23上沿χ方向作勻速往返運動，Y直線電控臺23沿y方向作步進運動，激光分別照明置于掩模固定平臺20及基板固定平臺21上的掩模板及TFT基板，所得到的視頻圖樣再分別被第一圖像傳感器16及第二圖像傳感器17獲取。上述微透鏡陣列鏡4均束后的激光由聚光鏡5準直，再由分色分光鏡6向上反射， 透過掩模板而至投影光學系統。本實施例中，上述準分子激光器1為35 Inm波長的XeF準分子激光器。由于35 Inm 波長的激光，能適合于市場上大量使用的光刻膠，與i線普通光刻膠光化學反應的光譜響應接近，不需要采用生產工藝不成熟而針對某種波長專用的特殊抗蝕劑，因而降低了制作 TFT的成本。上述照明光學系統用的兩片微透鏡陣列鏡4對準分子激光光束進行均勻化處理 (簡稱均束)，微透鏡陣列片橫向和縱向可以微調，微調范圍士 1mm，通過該處理后的準分子激光光束均勻性達95%。垂軸像差很小，畸變忽略不計，采用雙遠心的光路設計，不會因掩模板和基板的移動而導致放大率發生改變。上述均束后的激光由聚光鏡5準直，再由分色分光鏡6向上反射，透過掩模而至投影光學系統。分色分光鏡的反射面鍍有對351nm波長的光具有高反射的膜，反射率99%以上。上述照明系統光斑大小為50mmX50mm，工作波長為351nm，，照明數值孔徑NA為
0.02。各光學器件玻璃材料全部采用熔石英。上述照明光學系統的出瞳和投影光學系統的入瞳相匹配，都在無窮遠處。本發明大面積TFT光刻裝置的光刻方法，包括如下過程
1)兩個圖像傳感器17獲取的視頻圖，通過圖樣邊沿檢測、輪廓提取、區域定位與二值化后，由計算機不斷地進行純相位匹配濾波相關運算，直至獲得滿足判斷條件的相關峰值， 從而完成精密對位。2)掩膜和TFT基板實行同步掃描，掃描的光斑沈呈正六邊形，掃描路徑是沿X方向從一端直線掃描到另一端時，再沿Y方向步進一定距離，以六邊形的三角區對稱重疊為準，然后沿X反方向直線掃描，以此類推重復至整塊板掃描完成為止。上述掩模固定平臺20作為投影光學系統的物面，基板固定平臺21作為投影光學系統的像面物面，二者的位置成物像共軛關系。上述投影系統的工作波長為351nm，數值孔徑0. 03，各光學器件玻璃材料全部采
用熔石英。本實施例中，上述兩個圖像傳感器獲取的視頻圖，通過圖樣邊沿檢測、輪廓提取、 區域定位與二值化后，由計算機不斷地進行純相位匹配濾波相關運算，直至獲得滿足判斷條件的相關峰值，從而完成精密對位。上述掩膜和TFT基板實行同步掃描，掃描的光斑沈見圖2，呈正六邊形，六邊形的邊長為25mm。上述掃描路徑是沿X方向從一端直線掃描到另一端時，再沿Y方向步進一定距離， 以六邊形的三角區對稱重疊為準，步進掃描距離為37. 5mm，然后沿X反方向直線掃描，以此類推重復至整塊板掃描完成為止。上述系統的光刻面積可以因需要而設計，掃描速度可根據曝光劑量、激光器能量以及電機等不同來調整。實施例2
本發明的大面積TFT光刻裝置的結構與實施例1相同，不同之處在于，本實施例中，上述的準分子激光器1作為光刻系統光源。采用MSnm波長的KeF準分子激光器。本實施例中，數值孔徑0. 03，各光學器件玻璃材料全部采用熔石英。上述對位光學系統的激光器15為532nm波長的半導體激光器。上述照明系統光斑大小為50mmX 50mm，工作波長為248nm，照明NA為0. 02。各光學器件玻璃材料全部采用熔石英。本實施例中，上述六片球面透鏡和兩片棱鏡組合成大視場、高分辨率的投影物鏡， 其結構完全對稱且物像關系也對稱，即放大倍率為-1，垂軸像差很小，畸變忽略不計，采用雙遠心的光路設計，不會因掩模板和基板的移動而導致放大率發生改變。
上述兩個圖像傳感器獲取的視頻圖，通過圖樣邊沿檢測、輪廓提取、區域定位與二值化后，由計算機不斷地進行純相位匹配濾波相關運算，直至獲得滿足判斷條件的相關峰值，從而完成精密對位。上述掩膜和TFT基板實行同步掃描，掃描的光斑(26)見圖2，呈正六邊形，六邊形的邊長為25mm。上述掃描路徑是沿X方向從一端直線掃描到另一端時，再沿Y方向步進一定距離 (以六邊形的三角區對稱重疊為準)，步進掃描距離為37. 5mm，然后沿X反方向直線掃描，以此類推重復至整塊板掃描完成為止。上述系統的光刻面積可以因需要而設計，掃描速度可根據曝光劑量、激光器能量以及電機等不同來調整。實施例3
本發明的大面積TFT光刻裝置的結構與實施例1相同，不同之處在于，本實施例中，上述的準分子激光器1作為系統光源，采用193nm波長的ArF準分子激光器。上述均束后的激光由聚光鏡5準直，再由分色分光鏡6向上反射，透過掩模而至投影光學系統。分色分光鏡的反射面鍍有對193nm波長的光具有高反射的膜，反射率99%以上。上述照明系統光斑大小為50mmX 50mm，工作波長為193歷，照明NA為0. 02。各光
學器件玻璃材料全部采用熔石英。上述投影系統的工作波長為193nm，數值孔徑0. 03，各光學器件玻璃材料全部采
用熔石英。上述兩個圖像傳感器獲取的視頻圖，通過圖樣邊沿檢測、輪廓提取、區域定位與二值化后，由計算機不斷地進行純相位匹配濾波相關運算，直至獲得滿足判斷條件的相關峰值，從而完成精密對位。上述掩膜和TFT基板實行同步掃描，掃描的光斑(26)見圖2，呈正六邊形，六邊形的邊長為25mm。上述掃描路徑是沿X方向從一端直線掃描到另一端時，再沿Y方向步進一定距離，以六邊形的三角區對稱重疊為準，步進掃描距離為37. 5mm，然后沿X反方向直線掃描，以此類推重復至整塊板掃描完成為止。上述系統的光刻面積可以因需要而設計，掃描速度可根據曝光劑量、激光器能量以及電機等不同來調整。
權利要求
1.一種大面積TFT光刻裝置，包括準分子激光光源、照明光學系統、投影光學系統、光刻對位系統和掃描工作臺，其中準分子激光光源包括有準分子激光器(1)，照明光學系統包括有第一柱面鏡(2)和第二柱面鏡(3)，第一柱面鏡(2)和第二柱面鏡(3)相互組合，把長方形的準分子激光光斑整形成正方形的光斑，再由兩片微透鏡陣列鏡(4)對準分子激光均束，微透鏡陣列片橫向和縱向可以微調；光學投影系統包括有第一透鏡(7)、第二透鏡(9)、 第三透鏡(10)、第四透鏡(11)、第五透鏡(12)、第六透鏡(14)、第一棱鏡(8)及第二棱鏡 (13)，上述第一透鏡(7)、第二透鏡(9)、第三透鏡(10)、第四透鏡(11)、第五透鏡(12)、第六透鏡(14)均為球面透鏡，第一透鏡(7)與第六透鏡(14)的結構完全相同，第二透鏡(9)與第五透鏡(12)的結構完全相同，第三透鏡(10)與第四透鏡(11)的結構完全相同，第一棱鏡 (8)為直角棱鏡，第二棱鏡(13)為屋脊棱鏡，所設六片球面透鏡和兩片棱鏡組合成大視場、 高分辨率的投影物鏡，該投影光學系統采用左右完全對稱且物像關系倒置的雙遠心的折疊式的光路結構，其結構完全對稱且物像關系也對稱；光刻對位系統包括有半導體激光器(15)、第一圖像傳感器(16)、第二圖像傳感器(17)、兩個半反半透鏡(18)，掃描工作臺包括有固定及調節旋鈕(19)、掩模固定平臺(20)、基板固定平臺(21)、X直線電控臺(22)、Y直線電控臺(23)、驅動Y直線電控臺(23)運動的直線電機(M)、驅動X直線電控臺(22)運動的步進電機(25)，其中兩個半反半透鏡(18)分別裝設在同軸對準的半導體激光器(15)光路的位置上，掩模版和TFT基板通過固定及調節旋鈕(19)分別固定在掩模固定平臺(20)和基板固定平臺(21)的支架上，X直線電控臺(22)在Y直線電控臺(23)上沿χ方向作勻速往返運動，Y直線電控臺(23)沿y方向作步進運動，激光分別照明置于掩模固定平臺(20) 及基板固定平臺(21)上的掩模板及TFT基板，所得到的視頻圖樣再分別被第一圖像傳感器(16)及第二圖像傳感器(17)獲取。
2.根據權利要求1所述的大面積TFT光刻裝置，其特征在于上述微透鏡陣列鏡(4)均束后的激光由聚光鏡(5)準直，再由分色分光鏡(6)向上反射，透過掩模板而至投影光學系統。
3.根據權利要求1所述的大面積TFT光刻裝置，其特征在于上述照明光學系統用的兩片微透鏡陣列鏡⑷的微透鏡陣列片橫向和縱向能微調，微調范圍為士 1mm。
4.根據權利要求1所述的大面積TFT光刻裝置，其特征在于上述照明光學系統的出瞳和投影光學系統的入瞳相匹配，都在無窮遠處。
5.根據權利要求1所述的大面積TFT光刻裝置，其特征在于上述投影光學系統中六片球面透鏡和兩片棱鏡組合成大視場、高分辨率的投影物鏡，其結構完全對稱且物像關系也對稱，放大倍率為-1。
6.根據權利要求1所述的大面積TFT光刻裝置，其特征在于上述激光器(15)為532nm 波長的半導體激光器。
7.根據權利要求1所述的大面積TFT光刻裝置的光刻方法，其特征在于包括如下過程1)第一圖像傳感器(16)及第二圖像傳感器(17)兩個圖像傳感器從置于掩模固定平臺 (20)及基板固定平臺(21)上的掩模板及TFT基板獲取的視頻圖，通過圖樣邊沿檢測、輪廓提取、區域定位與二值化得到二值化位圖后，由計算機不斷地進行純相位匹配濾波相關運算，直至獲得滿足判斷條件的相關峰值，從而完成精密對位；2)掩模版和TFT基板實行同步掃描，掃描的光斑(26)呈正六邊形，掃描路徑是沿X方向從一端直線掃描到另一端時，再沿Y方向步進一定距離，以六邊形的三角區對稱重疊為準，然后沿X反方向直線掃描，以此類推重復至整塊板掃描完成為止。
全文摘要
本發明屬于激光微加工應用的光刻技術領域，涉及一種大面積TFT光刻裝置及其光刻方法，本發明大面積TFT光刻裝置包括準分子激光光源，照明光學系統，投影光學系統、光刻對位系統和掃描工作臺。準分子激光光源能應用于市場上主流的光刻膠的曝光；照明光學系統將激光擴束、準直并且均勻化；投影光學系統將掩膜的圖形通過掃描方式轉移成像到基板上；光刻對位系統對TFT套刻圖形進行對準以保證曝光時的正確相對位置；掃描工作臺被控二維順序移動使掩膜圖形由固定的光學系統以單位掃描的方式同步轉移到基板上。本發明可實現大面積、高均勻度和高分辨率的TFT的光刻，能滿足工業生產高效率的需要，本激光光刻裝置結構簡單和造價低，具有方便實用和經濟實惠的特點。
文檔編號G02B13/22GK102368138SQ201110318619
公開日2012年3月7日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者周金運, 林清華, 王新星, 裴文彥, 雷亮 申請人:廣東工業大學