光电工程  2019, Vol. 46 Issue (5): 180444      DOI: 10.12086/oee.2019.180444     
TFT光刻平面补偿优化
张玉虎 , 徐海涛 , 李亚文 , 罗传文 , 曹少波 , 李力     
合肥京东方光电科技有限公司,安徽 合肥 230012
摘要:TFT线宽或线间距接近光刻机分辨率时,光刻图形容易产生光刻胶残留不良,为改善该问题,本文从光刻图形出发,以最佳光刻图形所在位置为基准,计算出光刻机光刻平面的优化补偿量,从而实现对光刻平面的补偿优化。首先,通过光刻机光刻平面的补偿量、基板载台平坦度及焦平面计算出光刻时光刻区域基板表面的高度值。然后,根据光刻区域内光刻图形状况找到最佳光刻区域位置,并以该位置为零点,计算出整个光刻区域相对于该位置的相对高度差值。其次,对光刻区域内的高度差值做平面拟合,计算出当拟合平面为垂直于Z轴的水平面时所需要的补偿量,该补偿量即为光刻区域内光刻平面的优化补偿量。最后,以该补偿量对光刻平面进行补偿,从而使得光刻区域内光刻平面均趋于同一最佳光刻面。结果表明:光刻平面优化补偿后,光刻区域内光刻图形均能形成清晰的图形,光刻胶残留不良得到改善,同时光刻DICD均值在目标值范围内减小了1.38%,DICD均一性提高了20%。
关键词TFT    光刻平面    优化补偿    平面拟合    
The improvement of TFT lithography plane compensation
Zhang Yuhu, Xu Haitao, Li Yawen, Luo Chuanwen, Cao Shaobo, Li Li     
Hefei BOE Optoelectronics Technology Co. Ltd, Hefei, Anhui 230012, China
Abstract: When the line width or line space of thin film transistor (TFT) is close to the resolution of the lithography machine, it is easy to appear the defect of photoresist remain in lithography pattern. In order to improve this problem, based on the position of the best lithography pattern, the optimal compensation amount of lithography plane of the lithography machine is calculated, so lithography plane is improved. Firstly, by the compensation of the lithography plane, the flatness of the plate stage and the focal plane, the value of the plate surface height is calculated in the lithography region. Then, according to the lithography pattern in the lithography region, the optimum position of the lithography region is found, and take this location as the zero point, the relative height difference between the total lithography region and the optimum position is calculated. Secondly, the fitting plane of the height difference in the lithography region is done, and the compensation is calculated when the fitting plane is the horizontal plane that is perpendicular to the Z axis, which is the optimal compensation of the lithography plane in the lithography region. Finally, the compensation is used to compensate the lithography plane, so that the lithography plane in the lithography region tends to the same optimal lithography plane. The results show that the lithography pattern can be clearly formed in the lithography region after the lithography plane is offset, the defect of the photoresist remain is improved, at the same time, the average value of the develop inspection critical dimension (DICD) is reduced by 1.38% in the target value range, and the uniformity of the DICD is increased by 20%.
Keywords: thin film transistor    lithography plane    optimal compensation    plane fitting    

1 引言

薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD)具有低功耗、宽视角、高分辨率等特点,已成为目前主流的信息显示终端[1-4],然而随着TFT-LCD的发展,人们对其分辨率、视角、响应速度、开口率等要求也越来越高,这就使得薄膜晶体管(thin film transistor, TFT)器件的线宽和线间距向着更细、更窄[5-6]的方向发展。TFT器件的线宽和线间距越来越小,这就需要光刻工艺后形成的光刻胶线宽或线间距宽度(develop inspection critical dimension,DICD)同样越来越小,光刻工艺窗口也越来越窄[7-8],这样必然会要求光刻机光刻区域的光刻平面尽可能地都处于同一最佳焦平面上,因此对光刻机的光刻平面补偿提出了更高的要求。

目前在TFT光刻生产过程中,提升光刻机分辨率的手段主要有:一是如相移掩膜、离轴照明、光学临近修正等波前工程技术;二是根据光刻机基板(plate)载台(stage)平坦度和光刻焦平面(focus)的参数,通过光刻平面调整系统进行自动补偿。前者由于使用成本较高、工艺复杂等因素,在实际生产中短期内难以完全导入,因此目前关于光刻机光刻平面补偿更多的是通过补偿基板载台平坦度和光刻焦平面,使其均在标准范围内,从而保证光刻机的光刻能力。然而虽然光刻机具有先进的光刻平面调整系统[9],但均是根据光刻机设备本身的基板载台平坦度和光刻焦平面参数进行的光刻平面补偿,而不是基于光刻产品本身。当某款产品的DICD达到光刻机本身极限分辨率时,产品光刻后就会出现部分区域光刻胶(photo resist,PR)残留(remain)的现象。这是因为补偿过程中,光刻机首先会测量由于基板载台平坦度的补偿而引起的基板上光刻胶面的倾斜量,光刻胶面的倾斜量是通过测量光刻胶面的高度而计算出来的一种线性近似补偿量,然后,光刻机会根据光刻焦平面进行线性近似计算出光刻焦平面的补偿量,最后将这两种线性近似补偿量进行加和,作为光刻机光刻平面的补偿量。由于补偿量本身就是一种线性近似补偿,实际补偿效果和理想情况存在差异,而两种线性近似补偿的加和将进一步加大这种差异,从而在光刻机极限分辨率时,实际光刻产品部分区域会出现光刻胶残留的情况,因此需对光刻机光刻平面进行补偿优化。本文从光刻产品图形出发,以最佳光刻图形所在位置为基准,计算出光刻产品图形最优时的光刻平面补偿量(即对上述近似线性补偿产生的补偿误差结果进行补正),并以该补偿量对光刻区域进行优化补偿,最终使得光刻平面内各区域均趋于同一最佳光平面,从而达到提升光刻机细线化光刻能力的目的。

2 光刻平面补偿优化原理 2.1 光刻机光刻平面补偿过程

以6G TFT光刻机(Canon E732光刻机,分辨率:3.0 μm,焦深:±20 μm)为例,进行光刻前,工程师会先进行光刻机的焦平面补偿(固定补偿量pitching1、rolling1,分别记为p1r1)、光刻区域基板载台平坦度(flatness)补偿(固定补偿量pitching2、rolling2,分别记为p2r2),通过基板载台对光刻区域进行补偿,pitching、rolling(分别记为pr)分别为相对于XY轴的倾斜角度,如图 1图 2)。

图 1X轴旋转 Fig. 1 The picture of pitching

图 2Y轴旋转 Fig. 2 The picture of rolling

基板进入光刻机后,光刻机首先会测量出当前状态下光刻机光刻系统的最佳焦平面(主要受成像系统内部温度影响)位置Z1,然后测量光刻区域基板表面经基板载台平坦度补偿(p2r2)后的平面倾斜量(pitching3、rolling3,分别记为p3r3),最后计算出加入光刻焦平面补偿(p1r1)后的基板表面倾斜量及高度Z2,最终光刻时plate补偿量为

$p = {p_1} + {p_3}, $ (1)
$r = {r_1} + {r_3}, $ (2)
$Z = {Z_{\rm{1}}} - {Z_{\rm{2}}}。$ (3)

即光刻机光刻平面补偿系统是一个逐步补偿过程的叠加(图 3流程图)。

图 3 光刻平面补偿流程 Fig. 3 The process of lithography offset
2.2 光刻机光刻平面补偿缺陷及优化必要性

由前文知,光刻机光刻平面是基于光刻机本身状态及基板表面倾斜度进行的相关叠加补偿,而不是从光刻产品状况出发进行针对性的补偿,这就使得当某款产品DICD达到光刻机本身极限分辨率时,产品光刻后会出现部分区域光刻胶残留不良。如某款型号A产品进行源、漏极光刻(source、drain, SD mask)时,由于像素周边区域(fanout区域)的DICD(2.2 μm)超出了刻机分辨率(3.0 μm),即使采用了相移掩膜版[10](PSM mask)进行光刻,但光刻区域内仍有部分区域的外围线间出现了光刻胶残留(图 4图 5),从而降低了良品率。

图 4 光刻胶残留图形 Fig. 4 The pattern picture of PR remain

图 5 光刻胶残留SEM照片 Fig. 5 The SEM picture of PR remain
2.3 光刻平面补偿优化原理

根据最优光刻平面下,光刻图形最清晰且无光刻胶残留的原则,从光刻产品图形出发,以最佳光刻图形位置为基准,计算出光刻机光刻平面的优化补偿量,并对光刻平面进行补偿优化,使得补偿后光刻平面内各区域趋于同一最佳焦平面(图 6图 7),从而达到改善光刻胶残留的目的,具体如图 8

图 6 光刻平面补偿优化前 Fig. 6 The picture of lithography plane before compensation

图 7 光刻平面补偿优化后 Fig. 7 The picture of lithography plane after compensation

图 8 改善流程示意图 Fig. 8 The diagram of improvement process

1) 根据光刻机最终光刻时总的倾斜(pitching)、旋转(rolling)补偿量,结合光刻机基板载台平坦度,计算出该补偿量补偿后光刻区域内基板表面的垂直高度Z

2) 采用Minitab工具对光刻机焦平面进行曲线拟合,并根据光刻焦平面的拟合曲线方程计算出光刻区域内基板表面各位置的焦点高度Zf,同时计算出光刻区域内Z+Zf值;

3) 光刻区域内,光刻图形最清晰、且无光刻胶残留的区域作为最优的光刻区域位置Z,并且要求该位置必须满足:在Z位置处,垂直方向上移动正负焦深(depth of focus,DOF)范围内的图形必须是清晰、且无光刻胶残留;

4) 以Z位置为基准,计算出光刻区域内各位置相对于Z位置的相对高度差Z+Zf-Z

5) 对光刻区内Z+Zf-Z进行线性回归,拟合出平面方程;

6) 假设该平面经过KxKy(分别为相对于XY轴的倾斜角度)倾斜补偿后为一垂直Z轴的水平面,计算出KxKy值,即可得到光刻机光刻平面的优化补偿量(pitching、rolling,分别记为pr)。

3 改善流程 3.1 光刻区域Z计算

表 1为A型号产品源、漏极层在一次光刻区域内的基板载台平坦度,光刻机光刻时基板表面总倾斜补偿量为p:-3.573″,r:10.942″(本文是在excel中进行计算,将pr转换为弧度分别为p:-0.0624/3600,r:0.1910/3600)。以弧度作为倾斜角度,则可计算出光刻区域内Z值(表 2)。

表 1 光刻区域基板载台平坦度 Table 1 The stage flatness of the lithography area
μm
机台y方向坐标/mm 机台x方向坐标/mm
-730 -720 -600 -480 -360 -240 -120 0
905 14.62 15.93 21.46 26.70 31.74 32.03 28.74 27.92
810 23.08 23.26 26.39 31.83 35.13 35.12 30.14 29.19
708.75 32.74 33.22 37.75 38.04 37.76 38.29 36.12 32.25
607.5 40.86 41.47 46.04 45.25 39.95 42.40 38.43 36.11
506.25 47.73 48.09 49.50 52.04 47.81 48.49 40.67 38.38
405 56.53 57.93 58.79 59.20 55.62 55.68 47.96 44.06
303.75 68.09 68.21 71.23 66.00 60.35 62.15 57.52 51.90

表 2 光刻区域内Z Table 2 The Z value of the lithography area
μm
机台y方向坐标/mm 机台x方向坐标/mm
-730 -720 -600 -480 -360 -240 -120 0
905 14.62 16.46 28.36 26.52 51.37 58.02 61.10 66.65
810 21.43 22.15 31.64 43.45 53.11 59.46 60.86 66.27
708.75 29.34 30.35 41.25 47.90 53.98 60.89 65.08 67.57
607.5 35.71 36.85 47.78 53.36 54.43 63.24 65.63 69.68
506.25 40.82 41.71 49.49 58.40 60.53 67.57 66.12 70.20
405 47.87 49.80 57.03 63.80 66.58 73.01 71.66 74.13
303.75 57.67 58.33 67.71 68.84 69.57 77.73 79.46 80.21

Z值通过式(4)进行计算:

$ {Z_{{\rm{补}}}}\left( i \right) = {Z_{{\rm{补}}}}\left( {{x_i}} \right) + {Z_{{\rm{补}}}}\left( {{y_i}} \right), $ (4)

其中:

$ {Z_{{\rm{补}}}}\left( {{x_i}} \right) = {\rm{tan(}}{T_y}{\rm{)}} \cdot ({x_i} - {x_{\rm{0}}}) \approx {T_y} \cdot ({x_i} - {x_0}), $ (5)
${Z_{{\rm{补}}}}\left( {{y_i}} \right) = \tan ({T_x}) \cdot ({y_i} - {y_{\rm{0}}}) \approx {T_x} \cdot ({y_i} - {y_{\rm{0}}}), $ (6)

$i{\rm{ = 0, 1, 2, }} \ldots $。式(5)、式(6)的Z(xi)和Z(yi)分别指表 1中各xy坐标下的Z补偿值,Tx(弧度)、Ty(弧度)分别指基板表面分别相对XY轴的倾斜弧度,xiyi分别指表 1中的xy坐标,x0=-730 mm,y0=905 mm。

3.2 光刻焦平面曲线方程拟合及Zf、Z+Zf计算

通过Minitab工具对光刻区内光刻焦平面值(表 3)进行曲线方程拟合(图 9),得到光刻焦平面曲线方程为

$z = - 2.901 - 0.04857x - 0.000075{x^2}。$ (7)
表 3 光刻区域内光刻焦平面值 Table 3 The focus value of the lithography area
机台x方向坐标/mm -748 -685.5 -591.95 -485.1 -374 -262.9 -156.05 -62.5 0
Z/μm -7.50 -5.10 -1.50 2.70 7.10 4.50 1.90 -0.60 -2.30

图 9 光刻焦平面曲线拟合方程 Fig. 9 The fitting equation of focus curve

由式(7)可计算出光刻区域内各x坐标下的Zf值(表 4)

表 4 光刻区域内Zf Table 4 The Zf value of the lithography area
μm
机台y方向坐标/mm 机台x方向坐标/mm
-730 -720 -600 -480 -360 -240 -120 0
905 -7.41 -6.81 -0.76 3.13 4.86 4.44 1.85 -2.90
810 -7.41 -6.81 -0.76 3.13 4.86 4.44 1.85 -2.90
708.75 -7.41 -6.81 -0.76 3.13 4.86 4.44 1.85 -2.90
607.5 -7.41 -6.81 -0.76 3.13 4.86 4.44 1.85 -2.90
506.25 -7.41 -6.81 -0.76 3.13 4.86 4.44 1.85 -2.90
405 -7.41 -6.81 -0.76 3.13 4.86 4.44 1.85 -2.90
303.75 -7.41 -6.81 -0.76 3.13 4.86 4.44 1.85 -2.90

表 2表 4可计算出光刻区内Z+Zf值(表 5)。

表 5 光刻区域内Zf+Z Table 5 The Zf+Z value of the lithography area
μm
机台y方向坐标/mm 机台x方向坐标/mm
-730 -720 -600 -480 -360 -240 -120 0
905 7.21 9.65 27.60 29.66 56.23 62.46 62.95 63.75
810 14.02 15.34 30.88 46.58 57.97 63.90 62.70 63.37
708.75 21.93 23.54 40.49 51.03 58.85 65.32 66.93 64.67
607.5 28.30 30.03 47.02 56.50 59.29 67.68 67.48 66.78
506.25 33.41 34.90 48.73 61.53 65.39 72.01 67.97 67.30
405 40.46 42.99 56.27 66.93 71.45 77.44 73.51 71.22
303.75 50.26 51.52 66.95 71.98 74.43 82.17 81.31 77.31
3.3 最优光刻区域位置Z确认及(Z+Zf(Z)计算

实际生产中,通过微观设备观察出现光刻胶残留的位置主要集中于x(-730 mm~-720 mm)、y(810 mm~905 mm)的区域,光刻图形清晰且无光刻胶残留的位置主要集中于x(-480 mm~0)、y(303.75 mm~810 mm)区域,要保证在Z位置处,垂直方向波动焦深(±20 μm)范围内的光刻图形仍然清晰且无光刻胶残留,可取Z=59.29 μm(x:-360 mm,y:607.5 mm),则可计算出Z+Zf-Z值(表 6)。

表 6 光刻区域内Z+Zf-Z Table 6 The Z+Zf-Z value of the lithography area
μm
机台y方向坐标/mm 机台x方向坐标/mm
-730 -720 -600 -480 -360 -240 -120 0
905 -52.08 -49.64 -31.69 -29.63 -3.06 3.16 3.66 4.46
810 -45.27 -43.95 -28.41 -12.71 -1.32 4.61 3.41 4.08
708.75 -37.37 -35.75 -18.80 -8.26 -0.44 6.03 7.64 5.38
607.5 -30.99 -29.26 -12.27 -2.80 0.00 8.39 8.19 7.49
506.25 -25.88 -24.39 -10.56 2.24 6.10 12.72 8.67 8.01
405 -18.84 -16.30 -3.02 7.64 12.16 18.15 14.22 11.93
303.75 -9.03 -7.78 7.66 12.68 15.14 22.88 22.02 18.02
3.4 光刻区域内(Z+Zf-Z)平面拟合及补偿量计算

通过Minitab工具对表 6中的xyZ+Zf-Z进行线性回归(图 10),可得到拟合平面方程为

$z = 46.6 - 0.0470y + 0.0586x。$ (8)
图 10 平面方程回归拟合 Fig. 10 The fitting plane equation of regression

分别对该平面进行相对于XY轴倾斜弧度为KxKy后得:

$z = 46.6 + (\tan {K_x} - 0.0470)y\\ \ \ \ \ + (\tan {K_y} + 0.0586)x - \tan {K_y} \cdot {x_0} - \tan {K_x} \cdot {y_0}, $ (9)

x0y0为光刻区域内光刻开始点坐标。

要使得式(9)为一垂直于Z轴的水平面,则有:

$\tan {K_x} - 0.0470 = 0, $ (10)
$\tan {K_y} + 0.0586 = 0。$ (11)

从而可得:Kx=0.0470,Ky=-0.0586,KxKy为弧度,转化为角度(由于xy方向单位为z方向单位的1000倍,故转换为角度秒时,乘以3.6即可)后,可得补偿量为:p=9.6877″,r=-12.0759″,即为光刻平面优化补偿值。

4 结果与分析 4.1 光刻平面优化补偿结果

光刻机光刻平面进行p=9.6877″,r=-12.0759″优化补偿后,较光刻平面优化补偿前,光刻胶残留高发区域(图 4图 5)已可形成清晰图形且无光刻胶残留(图 11图 12),同时通过微观设备确认其他光刻区域内亦无光刻胶残留,整个光刻区域内光刻图形清晰度趋于一致。

图 11 优化后,光刻胶残留高发区域样品图 Fig. 11 The pattern picture of PR remain in high incidence area after improvemen

图 12 优化后,光刻胶残留高发区域SEM照片 Fig. 12 The SEM picture of PR remain in high incidence area after improvement

图 13为光刻平面优化补偿前后的DICD(产品DICD spec:(3.7±1.0) μm)结果,可见,光刻平面优化补偿后,较补偿前DICD均值在目标值范围内减小了0.05 μm(减小1.38%),DICD均一性提升0.08(提升20%)。

图 13 补偿后DICD结果 Fig. 13 The DICD result of the offse
4.2 结果分析

从光刻产品图形出发,以最佳光刻图形所在位置为基准,计算出光刻产品图形最优时的光刻平面补偿量,以该补偿量对光刻平面进行优化补偿后,光刻平面内各区域均趋于同一最佳焦平面,各区域光刻能量趋于一致,因此光刻产品均能形成清晰的图形且无光刻胶残留,DICD均一性得到提升。同时,由于最佳焦平面处光刻能量最大,故DICD均值减小。

5 结论

通过光刻机的倾斜补偿量、基板载台平坦度及光刻焦平面计算出光刻区域内基板表面组合高度值Z+Zf,然后结合光刻图形状况,以最佳光刻区域位置Z为基准,计算出Z+Zf -Z值,并在光刻区域内对(XYZ+Zf-Z)进行平面拟合,之后计算出当该平面为一垂直于Z轴的水平面时的倾斜补偿量,以该补偿量对光刻机光刻平面进行一次优化补偿后,光刻区域内各位置的光刻平面均趋于同一最佳焦平面,光刻区域内各位置光刻能量趋于一致,从而使得光刻后产品图形均能形成清晰的图形且无光刻胶残留,DICD均一性提高20%。同时,由于最佳焦平面处光刻能量最大,DICD均值在目标范围内减小了1.38%,实际生产过程中,可通过调整光刻能量使DICD满足实际要求。

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