专利名称：一种大面积tft光刻装置及其光刻方法
技术领域：
本发明属于激光微加工应用的光刻技术领域，涉及一种大面积TFT光刻装置及其光刻方法。
背景技术：
在微电子器件的制造设备中，作用最关键的是光刻设备。目前用于平板显示器件的光刻设备类型大致分为接触接近式光刻和投影式光刻。就整个平板显示行业发展来看， 大面积，高分辨率和高产率是发展的趋势。接触接近式光刻设备，虽然价格便宜，但由于建立在普通光源之上，对TFT的光刻技术水平很低，且产品的报废率很大；投影式光刻又包括采用普通光源和激光光源的设备， 前者通常采用普通光源——萊(Hg)灯，无论技术如何改进，但被开发的潜能已尽，光刻精度和废品率是最大的问题。而后者通常采用激光直接成像(LDI)光刻的方法，通过形成的数字化图形由数据工作站来控制激光束聚焦以光栅方式一次一个像素点曝光而成像，最明显的好处是不需要掩模，但由于是一次一个像素点曝光成像，因而其工业生产应用中的产量较低，而且成本太高。目前平板显示器的TFT光刻的特征尺寸通常是几个微米，国际上水平以3-5微米居多，显然使用普通光源的光刻设备，获得高质量的光刻精度是最难的问题，而纳米光刻水平的高端光刻机的使用成本很高和生产量有限。本发明针对介于上述两种光刻水平之间的激光光刻，发明了一种大面积TFT光刻方法及其装置，既容易获得TFT的光刻精度，又能实现大面积，高精度，而且高产量的TFT光刻目的。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种容易获得TFT的光刻精度，又能实现大面积，高精度，而且高产量的大面积TFT光刻装置。本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种简单方便的大面积TFT光刻方法。本发明的技术方案是本发明的大面积TFT光刻装置，包括准分子激光光源、照明光学系统、投影光学系统、光刻对位系统和扫描工作台，其中准分子激光光源包括有准分子激光器，照明光学系统包括有第一柱面镜和第二柱面镜，第一柱面镜和第二柱面镜相互组合，把长方形的准分子激光光斑整形成正方形的光斑，再由两片微透镜阵列镜对准分子激光均束，微透镜阵列片横向和纵向可以微调；光学投影系统包括有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第一棱镜及第二棱镜，上述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜均为球面透镜，第一透镜与第六透镜的结构完全相同，第二透镜与第五透镜的结构完全相同，第三透镜与第四透镜的结构完全相同，第一棱镜为直角棱镜，第二棱镜为屋脊棱镜，所设六片球面透镜和两片棱镜组合成大视场、高分辨率的投影物镜，该投影光学系统采用左右完全对称且物像关系倒置的双远心的折叠式的光路结构，其结构完全对称且物像关系也对称；光刻对位系统包括有半导体激光器、第一图像传感器、第二图像传感器、两个半反半透镜，扫描工作台包括有固定及调节旋钮、掩模固定平台、基板固定平台、X直线电控台、Y直线电控台、驱动Y直线电控台运动的直线电机、驱动X 直线电控台运动的步进电机，其中两个半反半透镜分别装设在同轴对准的半导体激光器光路的位置上，掩模版和TFT基板通过固定及调节旋钮分别固定在掩模固定平台和基板固定平台的支架上，X直线电控台在Y直线电控台上沿χ方向作勻速往返运动，Y直线电控台沿 y方向作步进运动，激光分别照明置于掩模固定平台及基板固定平台上的掩模板及TFT基板，所得到的视频图样再分别被第一图像传感器及第二图像传感器获取。上述微透镜阵列镜均束后的激光由聚光镜准直，再由分色分光镜向上反射，透过掩模板而至投影光学系统。上述照明光学系统用的两片微透镜阵列镜的微透镜阵列片横向和纵向能微调，微调范围为士 1mm。上述照明光学系统的出瞳和投影光学系统的入瞳相匹配，都在无穷远处。上述投影光学系统中六片球面透镜和两片棱镜组合成大视场、高分辨率的投影物镜，其结构完全对称且物像关系也对称，放大倍率为-1。上述激光器为532nm波长的半导体激光器。本发明的大面积TFT光刻装置的光刻方法，包括如下过程
1)第一图像传感器及第二图像传感器两个图像传感器从置于掩模固定平台及基板固定平台上的掩模板及TFT基板获取的视频图，通过图样边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化得到二值化位图后，由计算机不断地进行纯相位匹配滤波相关运算，直至获得满足判断条件的相关峰值，从而完成精密对位。2)掩模版和TFT基板实行同步扫描，扫描的光斑呈正六边形，扫描路径是沿X方向从一端直线扫描到另一端时，再沿Y方向步进一定距离，以六边形的三角区对称重叠为准， 然后沿X反方向直线扫描，以此类推重复至整块板扫描完成为止。本发明与现有技术相比，具有以下优点
1)与普通光源的曝光机相比，由于紫外波段的准分子激光光源比高压或超高压汞灯的带宽窄、波长短和光功率大，克服了普通光源光刻带来的分辨率有限和产品废品率较高的缺点，本发明采用激光光源和投影成像的方法，使大面积TFT的光刻分辨率提高。2)与现有的激光光源的光刻机相比，不是针对亚微米以下的光刻，而是数微米的光刻水平，因而光学系统结构较简单和工艺难度较小，造价便宜得多。3)本发明采用激光大面积投影扫描光刻方式，即激光投影成像(LPI)方法，避免了现有的激光光刻机的一次一个像素点直接成像(即激光直接成像，LDI)所带来的生产效率低的问题，能满足TFT高产量和高产率的需求。4)本发明通过双远心设计的折叠式物镜投影，使掩模板和基板保持空间位置光学共轭关系而成像，能使远距离的图像转移的像差极小，并且满足光刻精度的需要，因而光学系统的设计简易而精确。5)本发明采用了计算机数字图像处理中的模式识别方法实现掩模和基板的对准标记相对位置的计算，以取代传统光度型方法中采用的求和投影算法的相对位置计算方式，可有效提高对位精度。6)通过二次异维扫描曝光，在不影响生产效率的前提下增加了整个基板曝光的均勻性。并且利用正六边形光斑的有序和定位扫描，避免了接缝误差。本发明在用于大面积TFT光刻方面，既能满足高质量的光刻分辨率要求，又能实现大面积，高精度且高产效的快速光刻生产。
图1是本发明大面积TFT光刻系统的结构示意图。图2是本发明扫描工作台的俯视图。下面参照附图，结合实施例对本发明做进一步的描述。
具体实施例方式实施例1
本发明的大面积TFT光刻装置的结构示意图如图1所示，本发明的大面积TFT光刻装置，包括准分子激光光源、照明光学系统、投影光学系统、光刻对位系统和扫描工作台，其中准分子激光光源包括有准分子激光器1，照明光学系统包括有第一柱面镜2和第二柱面镜 3，第一柱面镜2和第二柱面镜3相互组合，把长方形的准分子激光光斑整形成正方形的光斑，再由两片微透镜阵列镜4对准分子激光均束，微透镜阵列片横向和纵向可以微调；光学投影系统包括有第一透镜7、第二透镜9、第三透镜10、第四透镜11、第五透镜12、第六透镜 14、第一棱镜8及第二棱镜13，上述第一透镜7、第二透镜9、第三透镜10、第四透镜11、第五透镜12、第六透镜14均为球面透镜，第一透镜7与第六透镜14的结构完全相同，第二透镜 9与第五透镜12的结构完全相同，第三透镜10与第四透镜11的结构完全相同，第一棱镜 8为直角棱镜，第二棱镜13为屋脊棱镜，所设六片球面透镜和两片棱镜组合成大视场、高分辨率的投影物镜，该投影光学系统采用左右完全对称且物像关系倒置的双远心的折叠式的光路结构，其结构完全对称且物像关系也对称；光刻对位系统包括有半导体激光器15、第一图像传感器16、第二图像传感器17、两个半反半透镜18，扫描工作台包括有固定及调节旋钮19、掩模固定平台20、基板固定平台21、X直线电控台22、Y直线电控台23、驱动Y直线电控台23运动的直线电机M、驱动X直线电控台22运动的步进电机25，其中两个半反半透镜18分别装设在同轴对准的半导体激光器15光路的位置上，掩模版和TFT基板通过固定及调节旋钮19分别固定在掩模固定平台20和基板固定平台21的支架上，X直线电控台22在Y直线电控台23上沿χ方向作勻速往返运动，Y直线电控台23沿y方向作步进运动，激光分别照明置于掩模固定平台20及基板固定平台21上的掩模板及TFT基板，所得到的视频图样再分别被第一图像传感器16及第二图像传感器17获取。上述微透镜阵列镜4均束后的激光由聚光镜5准直，再由分色分光镜6向上反射， 透过掩模板而至投影光学系统。本实施例中，上述准分子激光器1为35 Inm波长的XeF准分子激光器。由于35 Inm 波长的激光，能适合于市场上大量使用的光刻胶，与i线普通光刻胶光化学反应的光谱响应接近，不需要采用生产工艺不成熟而针对某种波长专用的特殊抗蚀剂，因而降低了制作 TFT的成本。上述照明光学系统用的两片微透镜阵列镜4对准分子激光光束进行均勻化处理 (简称均束)，微透镜阵列片横向和纵向可以微调，微调范围士 1mm，通过该处理后的准分子激光光束均勻性达95%。垂轴像差很小，畸变忽略不计，采用双远心的光路设计，不会因掩模板和基板的移动而导致放大率发生改变。上述均束后的激光由聚光镜5准直，再由分色分光镜6向上反射，透过掩模而至投影光学系统。分色分光镜的反射面镀有对351nm波长的光具有高反射的膜，反射率99%以上。上述照明系统光斑大小为50mmX50mm，工作波长为351nm，，照明数值孔径NA为
0.02。各光学器件玻璃材料全部采用熔石英。上述照明光学系统的出瞳和投影光学系统的入瞳相匹配，都在无穷远处。本发明大面积TFT光刻装置的光刻方法，包括如下过程
1)两个图像传感器17获取的视频图，通过图样边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后，由计算机不断地进行纯相位匹配滤波相关运算，直至获得满足判断条件的相关峰值， 从而完成精密对位。2)掩膜和TFT基板实行同步扫描，扫描的光斑沈呈正六边形，扫描路径是沿X方向从一端直线扫描到另一端时，再沿Y方向步进一定距离，以六边形的三角区对称重叠为准，然后沿X反方向直线扫描，以此类推重复至整块板扫描完成为止。上述掩模固定平台20作为投影光学系统的物面，基板固定平台21作为投影光学系统的像面物面，二者的位置成物像共轭关系。上述投影系统的工作波长为351nm，数值孔径0. 03，各光学器件玻璃材料全部采
用熔石英。本实施例中，上述两个图像传感器获取的视频图，通过图样边沿检测、轮廓提取、 区域定位与二值化后，由计算机不断地进行纯相位匹配滤波相关运算，直至获得满足判断条件的相关峰值，从而完成精密对位。上述掩膜和TFT基板实行同步扫描，扫描的光斑沈见图2，呈正六边形，六边形的边长为25mm。上述扫描路径是沿X方向从一端直线扫描到另一端时，再沿Y方向步进一定距离， 以六边形的三角区对称重叠为准，步进扫描距离为37. 5mm，然后沿X反方向直线扫描，以此类推重复至整块板扫描完成为止。上述系统的光刻面积可以因需要而设计，扫描速度可根据曝光剂量、激光器能量以及电机等不同来调整。实施例2
本发明的大面积TFT光刻装置的结构与实施例1相同，不同之处在于，本实施例中，上述的准分子激光器1作为光刻系统光源。采用MSnm波长的KeF准分子激光器。本实施例中，数值孔径0. 03，各光学器件玻璃材料全部采用熔石英。上述对位光学系统的激光器15为532nm波长的半导体激光器。上述照明系统光斑大小为50mmX 50mm，工作波长为248nm，照明NA为0. 02。各光学器件玻璃材料全部采用熔石英。本实施例中，上述六片球面透镜和两片棱镜组合成大视场、高分辨率的投影物镜， 其结构完全对称且物像关系也对称，即放大倍率为-1，垂轴像差很小，畸变忽略不计，采用双远心的光路设计，不会因掩模板和基板的移动而导致放大率发生改变。
上述两个图像传感器获取的视频图，通过图样边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后，由计算机不断地进行纯相位匹配滤波相关运算，直至获得满足判断条件的相关峰值，从而完成精密对位。上述掩膜和TFT基板实行同步扫描，扫描的光斑(26)见图2，呈正六边形，六边形的边长为25mm。上述扫描路径是沿X方向从一端直线扫描到另一端时，再沿Y方向步进一定距离 (以六边形的三角区对称重叠为准)，步进扫描距离为37. 5mm，然后沿X反方向直线扫描，以此类推重复至整块板扫描完成为止。上述系统的光刻面积可以因需要而设计，扫描速度可根据曝光剂量、激光器能量以及电机等不同来调整。实施例3
本发明的大面积TFT光刻装置的结构与实施例1相同，不同之处在于，本实施例中，上述的准分子激光器1作为系统光源，采用193nm波长的ArF准分子激光器。上述均束后的激光由聚光镜5准直，再由分色分光镜6向上反射，透过掩模而至投影光学系统。分色分光镜的反射面镀有对193nm波长的光具有高反射的膜，反射率99%以上。上述照明系统光斑大小为50mmX 50mm，工作波长为193歷，照明NA为0. 02。各光
学器件玻璃材料全部采用熔石英。上述投影系统的工作波长为193nm，数值孔径0. 03，各光学器件玻璃材料全部采
用熔石英。上述两个图像传感器获取的视频图，通过图样边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后，由计算机不断地进行纯相位匹配滤波相关运算，直至获得满足判断条件的相关峰值，从而完成精密对位。上述掩膜和TFT基板实行同步扫描，扫描的光斑(26)见图2，呈正六边形，六边形的边长为25mm。上述扫描路径是沿X方向从一端直线扫描到另一端时，再沿Y方向步进一定距离，以六边形的三角区对称重叠为准，步进扫描距离为37. 5mm，然后沿X反方向直线扫描，以此类推重复至整块板扫描完成为止。上述系统的光刻面积可以因需要而设计，扫描速度可根据曝光剂量、激光器能量以及电机等不同来调整。
权利要求
1.一种大面积TFT光刻装置，包括准分子激光光源、照明光学系统、投影光学系统、光刻对位系统和扫描工作台，其中准分子激光光源包括有准分子激光器(1)，照明光学系统包括有第一柱面镜(2)和第二柱面镜(3)，第一柱面镜(2)和第二柱面镜(3)相互组合，把长方形的准分子激光光斑整形成正方形的光斑，再由两片微透镜阵列镜(4)对准分子激光均束，微透镜阵列片横向和纵向可以微调；光学投影系统包括有第一透镜(7)、第二透镜(9)、 第三透镜(10)、第四透镜(11)、第五透镜(12)、第六透镜(14)、第一棱镜(8)及第二棱镜 (13)，上述第一透镜(7)、第二透镜(9)、第三透镜(10)、第四透镜(11)、第五透镜(12)、第六透镜(14)均为球面透镜，第一透镜(7)与第六透镜(14)的结构完全相同，第二透镜(9)与第五透镜(12)的结构完全相同，第三透镜(10)与第四透镜(11)的结构完全相同，第一棱镜 (8)为直角棱镜，第二棱镜(13)为屋脊棱镜，所设六片球面透镜和两片棱镜组合成大视场、 高分辨率的投影物镜，该投影光学系统采用左右完全对称且物像关系倒置的双远心的折叠式的光路结构，其结构完全对称且物像关系也对称；光刻对位系统包括有半导体激光器(15)、第一图像传感器(16)、第二图像传感器(17)、两个半反半透镜(18)，扫描工作台包括有固定及调节旋钮(19)、掩模固定平台(20)、基板固定平台(21)、X直线电控台(22)、Y直线电控台(23)、驱动Y直线电控台(23)运动的直线电机(M)、驱动X直线电控台(22)运动的步进电机(25)，其中两个半反半透镜(18)分别装设在同轴对准的半导体激光器(15)光路的位置上，掩模版和TFT基板通过固定及调节旋钮(19)分别固定在掩模固定平台(20)和基板固定平台(21)的支架上，X直线电控台(22)在Y直线电控台(23)上沿χ方向作勻速往返运动，Y直线电控台(23)沿y方向作步进运动，激光分别照明置于掩模固定平台(20) 及基板固定平台(21)上的掩模板及TFT基板，所得到的视频图样再分别被第一图像传感器(16)及第二图像传感器(17)获取。
2.根据权利要求1所述的大面积TFT光刻装置，其特征在于上述微透镜阵列镜(4)均束后的激光由聚光镜(5)准直，再由分色分光镜(6)向上反射，透过掩模板而至投影光学系统。
3.根据权利要求1所述的大面积TFT光刻装置，其特征在于上述照明光学系统用的两片微透镜阵列镜⑷的微透镜阵列片横向和纵向能微调，微调范围为士 1mm。
4.根据权利要求1所述的大面积TFT光刻装置，其特征在于上述照明光学系统的出瞳和投影光学系统的入瞳相匹配，都在无穷远处。
5.根据权利要求1所述的大面积TFT光刻装置，其特征在于上述投影光学系统中六片球面透镜和两片棱镜组合成大视场、高分辨率的投影物镜，其结构完全对称且物像关系也对称，放大倍率为-1。
6.根据权利要求1所述的大面积TFT光刻装置，其特征在于上述激光器(15)为532nm 波长的半导体激光器。
7.根据权利要求1所述的大面积TFT光刻装置的光刻方法，其特征在于包括如下过程1)第一图像传感器(16)及第二图像传感器(17)两个图像传感器从置于掩模固定平台 (20)及基板固定平台(21)上的掩模板及TFT基板获取的视频图，通过图样边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化得到二值化位图后，由计算机不断地进行纯相位匹配滤波相关运算，直至获得满足判断条件的相关峰值，从而完成精密对位；2)掩模版和TFT基板实行同步扫描，扫描的光斑(26)呈正六边形，扫描路径是沿X方向从一端直线扫描到另一端时，再沿Y方向步进一定距离，以六边形的三角区对称重叠为准，然后沿X反方向直线扫描，以此类推重复至整块板扫描完成为止。
全文摘要
本发明属于激光微加工应用的光刻技术领域，涉及一种大面积TFT光刻装置及其光刻方法，本发明大面积TFT光刻装置包括准分子激光光源，照明光学系统，投影光学系统、光刻对位系统和扫描工作台。准分子激光光源能应用于市场上主流的光刻胶的曝光；照明光学系统将激光扩束、准直并且均匀化；投影光学系统将掩膜的图形通过扫描方式转移成像到基板上；光刻对位系统对TFT套刻图形进行对准以保证曝光时的正确相对位置；扫描工作台被控二维顺序移动使掩膜图形由固定的光学系统以单位扫描的方式同步转移到基板上。本发明可实现大面积、高均匀度和高分辨率的TFT的光刻，能满足工业生产高效率的需要，本激光光刻装置结构简单和造价低，具有方便实用和经济实惠的特点。
文档编号G02B13/22GK102368138SQ201110318619
公开日2012年3月7日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者周金运, 林清华, 王新星, 裴文彦, 雷亮 申请人:广东工业大学