211116254_超高像素密度面板光刻对焦工艺研究-USB迷|专注于互联网分享

2024年4月17日发(作者：阴冰安)

科技创新导报

2022 NO.29

Science and Technology Innovation Herald

技术创新

DOI：10.16660/.1674-098X.2205-5640-0719

超高像素密度面板光刻对焦工艺研究

薛瑞

（应用材料（西安）有限公司陕西西安 710000）

摘　要：随着虚拟现实（AR）、超高清分辨技术的逐步推广，市场对显示屏的像素密度要求越来越高。本文基

于传统光学对焦系统架构和原理，开展了对超高像素密度图形在光刻工艺中对焦精度和实时控制的研究，根

据系统结构，分析出主要干扰源，并根据干扰贡献值进行了评估。结果表明，由于底层图像密度过大，原有的

对焦控制系统在测量光刻胶表面高度时受到底层图像干扰，当像素密度大于1200PPI时，为了在后续曝光层

达到±10

μm

之间精度99.5%的对焦控制，需要在原有信号处理技术上过滤掉干扰信号。

关键词：虚拟现实光刻工艺对焦控制超高像素密度卡尔曼滤波

中图分类号： TN305.7文献标识码： A文章编号：1 674-098X(2022)10(b)-0068-04

Research on Lithography Focusing Process

for Ultra-High Pixel Density Panel

XUE Rui

( Applied Materials (Xi'an) Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi Province, 710000 China )

Abstract: With the gradual promotion of augmented reality (AR) and ultra-high-definition resolution technology, the

market has higher and higher requirements for the pixel density of the display screen. Based on the traditional optical

focusing system architecture and principle, this paper studies the focusing accuracy and real-time control of ultra-high

pixel density graphics in photolithography. According to the system structure, the main interference sources are

analyzed and evaluated according to the interference contribution value. The results show that the original focusing

control system is interfered by the bottom image when measuring the height of the photoresist surface due to the

excessive density of the bottom image. When the pixel density is greater than 1200 PPI, in order to achieve the

focusing control with an accuracy of 99.5% between ±10 microns in the subsequent exposure layer, it is necessary

to filter out the interference signal on the original signal processing technology.

Key Words: Augmented reality; Lithography process; Focus control; Ultra-high pixel density; Kalman filtering

近年来，随着显示屏幕分辨率越来越高，在设计

中，像素密度也在成倍增加，研究发现，目前传统对焦

工艺受到前层像素密度影响很大。本文在对传统对焦

系统进行分析的基础上，提出在曝光对焦过程中进行

滤波控制的方法。

显示器的显示原理都是基于通过三基色组合成像

素点（pixel）的光学原理。像素点，简单来说，可以理解

成一个方块，它是图像的最小单元，不能再分割，但它

并没有固定的大小。

屏幕分辨率指的是由像素组成的点阵，例如，一个

手机的屏幕分辨率为2408×1080，就是说这个手机屏

［2］

幕在纵向有2408个像素，横向有1080个像素。

1 传统分辨率和像素密度的关系

光刻机作为显示面板制造中的核心设备，它的成

像质量决定着显示器的最终显示水平。对焦控制又是

光刻机的底层关键技术之一，一旦对焦出现问题，整个

光刻结果就会受到大幅度影响，进而压缩工艺窗口，降

［1］

低产品良率。

为屏幕像素密度，因为像素并没有固定的大小，所以，

PPI越高，像素大小越小，也就越清晰。对于AR、手机

等近距离观看设备，像素密度必须满足一定要求。像

PPI（Pixels Per Inch）就是每英寸像素，也可以理解

作者简介：薛瑞（1984—），男，本科，研究方向为光刻机技术应用与开发、光刻机设备性能研发。

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自动对焦

环状暗场对焦

3组激光

压电陶瓷

曝光平台

图1　自动对焦系统工作原理示意图

素具体的计算公式如下：

PPI=

+hp

线性传感器上漂移：ΔL

为屏幕对角线的分辨率；

为屏幕横向其中：

为屏幕纵向分辨率；

为屏幕对角线的长分辨率；

度，单位为in（1in=2.54cm）。

以iPhone 13 Pro为例，配备的超视网膜XDR显示

屏，分辨率为2532×1170，像素密度为460PPI。

玻璃基板

图2　自动对焦系统算法示意图

2 面板行业光刻机对焦控制系统架构

以全球某龙头面板制造企业中的光刻机为例，对

焦控制系统（Autofocus）拥有3组独立成120°角的激光

发射器和对应的3个接收器（见图1）。激光器发射直

径5μm的光点打在光刻胶表面并反射回接收器，3个

光斑即可计算出光刻机曝光镜头和光刻胶表面的距离

（Z方向的高度）及焦平面与光刻胶表面的倾斜度。处

理器实时计算Z方向高度并控制超高频压电陶瓷（Au⁃

［3］

位置。

tofocus Piezo）的伸缩，来使曝光过程始终处于焦点

可以看出，该架构存在一个量测系统和一个控制

单元。量测系统主要负责测量光的发射和接受，发射

的激光在光刻胶表面反射，进入接收器，当Z方向上高

度不同时，接收器得到的光强就随之变化。控制单元

通过处理输入的光电信号来调节压电陶瓷伸缩，它有

专门的处理器和算法来计算光电输入信号，其主要性

能取决于软件控制和压电陶瓷谐振频率。

图3　自动对焦系统信号处理示意图

3.1 超高像素密度面板控制中的问题

显示器的显示原理都是基于通过三基色组合成像

素点的光学原理。液晶显示器面板是由很多层的结构

组成（见图4），它的发光原理是通过在显示面板最下

方的一层背光面板发射白光，光线透过显示面板的多

层结构，照亮整个显示面板来实现发光。每一个物理

像素点由红绿蓝（RGB）三元色的子像素组成，每一个

子像素都是一个可以被单独控制的透光单元，子像素

本身是不带颜色的，而是透过背光板发出来的白光，通

过最外层RGB3种颜色的涂层，被白光照亮而显示出

3 传统对焦工艺中的不足和分析

为了简化问题分析，以一路激光器信号为例来看。

来颜色。在这个过程中，通过3个基色的子像素，分别

当曝光的光刻胶平面高度发生（ΔZ）变化后，反射回来

控制进光量，实现三基色不同亮度的组合，加上距离足

光斑就和初始位置有一个偏移（Shift on linear sensor：

够远的话，人眼是无法分辨出3个不同颜色的子像素，

［4］

ΔL）（见图2），不会落在接收器最中央位置，接收到的光

就能组合出特定颜色的像素点。正常情况下，因为

强就会减弱（Auto Focus Signal Intensity Change）（见图

3）。因此，在光强100%的位置，系统就会判断为镜头

和光刻胶之间曝光的最优高度。在现实中，总是会存在

误差，控制精度不可能完全是100%，因此，Z方向高度

在±10μm之间，光强大于99.5%，即可认为是正焦位置。

像素点非常微小，并且非常密集，人眼是看不到像素点

的，但是，在VR等应用场景中，因为视距变小，所以就

要求像素点尺寸进一步减小。

在实验一种超高像素密度的产品过程中，当曝光

进行到第四层（ILD）时，在玻璃表面出现了肉眼可见的

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图4　显示器面板ARRAY层级结构示意图

不同频率的干扰，导致控制系统无法准确处理反射光

信号。计算Z方向实际高度，可以看到，三路测量光进

入面板左端无图形区域时，信号走势一致。进入像素

区第一路，信号始终落在下层无图形的位置，所以走势

基本反映了光刻胶表层的高度变化。第二路和第三路

信号覆盖像素图形区域，其反射光被下层图像干扰，导

致出现周期性跳动，跳动周期和面板上的条状MURA

变化周期一致，由此可以断定，测量信号的扰动是对焦

图5　显示屏幕表面异常照片

不准的直接原因。

明显的不均匀条纹（MURA），并且条纹排布具有一定

规律性，这也是第一次观察到这种现象，如图5所示。

在正常光刻工艺中，光刻胶被涂抹在前层刻蚀过

的结构上，光照或辐射通过掩膜板照射到衬底后，光刻

胶在显影溶液中的溶解度便发生变化，经溶液溶解可

4 信号处理的优化改进结果

由于测量光被底层高密度像素反射导致出现异常

高频率干扰信号，必须对异常高频干扰信号源进行滤

波。处理手段上应用了卡尔曼滤波（Kalman Filter）。

2d KF模型算法公式（2d Kalman Filter algorithm）

输入-3路测量光信号光强最大值（3 channel peak

溶部分后，光刻胶层形成与掩膜版上完全相同的图形，

②③

再通过刻蚀在衬底上完成图形转移。为了进一步分析

问题，对问题面板在扫描电子显微镜下进行了研究。

pixel position）

输出-Piezo下一时刻位置（Next piezo position）

通过放大后的细节可以看出，第四层在曝光过程中出

现了明显的对焦不准，导致成像光斑大小发生变形，曝

光能量达不到设定值，很多孔位光刻胶没有接收到足

够的能量，导致在显影溶液中反应不完全，因此，刻蚀

完成后的图像出现缺陷，表现出条状的MURA。

3.2 对焦异常问题分析和研究

研究发现，改型光刻机对焦控制系统中使用的测

量光为635nm波长激光，光斑大小为5μm，可以穿过

1.5μm厚度的通用光刻胶，在光刻胶上表面和下表面

•2d–piezo and velocity （Piezo 位置和速度）

•Prediction（期望公式）

piezo(t)=piezot-1+vt-1×∆t

∆t

为时

)

为Piezo当前时刻位置，

(

t-1

)

为当前速度，

式中，

piezo(t)

为Piezo下一时刻预测位置，

piezo

(

()()

间差。

同时形成反射，上表面反射光强远大于下表面反射。

正常产品中，由于像素密度低，像素尺寸大于对焦光

斑，因此，下层反射光信号被信号处理算法正确过滤，

［5］

不会干扰对焦精度。当产品像素密度大于1200PPI

•State Update（更新公式）

•

piezo

(

)

piezo(t)+gain×(z-piezo(t))

•System modeling（系统模型公式）

•

xt=F

system

t-1

式中，（增益）为模型预测的置信水平，等于模

gain

型的高斯协方差。

时，前层由于像素密度过高，像素之间尺寸已经接近测

量系统光斑大小，底层图像结构已经能对反射光形成

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piezo ~ Ν(p，σ

velocity ~ N(v，

)

；

)

()

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图6　增加KF滤波和原算法Z方向高度测量对比图

（ a）光学显微镜下原始算法曝光图（b）光学显微镜下新算法曝光图

图7　新旧算法实际曝光照片对比图

•System uncertainty of

piezo ~ Ν

，σ

系统不确

定模型

•

is used in Matrix form for

•

is used in Matrix from for

(

)

5 结语

在大于1200PPI超高像素密度光刻过程中，由于前

层图像密度过高，和该型光刻机对焦控制系统衍生出新

型高频干扰信号，使得产品出现条状MURA，必须采用

卡尔曼滤波消除干扰信号，才能得到预期的控制结果。

和

每个状态都是高斯分布。式中，

是分布的

方差，与估计的置信水平相反。

(piezo，

有

相互关联，

助于提高估计的置信度。

图6上图为增加KF之后得到的Piezo图像，下图为

原始算法下的Piezo图像。可以看出，应用了最新的

KF之后，Z方向高度图颜色趋于均匀，原有的高频干扰

际情况，而不是简单地对信号的假处理，必须用实际曝

光来检验。

图7是采用控制变量法，改变对焦算法，其他条件

保持一致后实际曝光结果。（a）图为旧的算法下曝光结

果，（b）图为添加KF之后曝光结果。光学显微镜照片

证实，在新的算法下，对焦控制得到优化，图像边缘清

［6］

晰，新算法对焦精度达到99.5%以上。

参考文献

信号已经被消除。为了验证新的算法是否真的符合实

[1]张萍萍,杨高岭,康果果,等.量子点光刻技术及其

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