Las pantallas planas modernas dependen de estructuras multicapa altamente complejas fabricadas sobre enormes sustratos de vidrio. A medida que las generaciones de pantallas continúan aumentando de tamaño, la litografía debe combinar el procesamiento de grandes superficies con requisitos cada vez más exigentes de resolución, uniformidad y alineación.
Una tecnología que ayuda a simplificar este proceso es la fotomáscara de semitonos (HTM). Al combinar regiones opacas y parcialmente transmisivas en una sola máscara, la litografía de semitonos puede crear diferentes espesores de fotorresina en una única exposición, lo que permite realizar múltiples pasos de procesamiento mediante un flujo de máscaras simplificado.
Por qué la fabricación de pantallas necesita nuevos enfoques de litografía
Una pantalla OLED de matriz activa (AMOLED) consta de múltiples capas funcionales. El backplane contiene un circuito de transistores de película delgada (TFT) que controla los subpíxeles individuales, mientras que el frontplane contiene los componentes emisores de luz. La fabricación de una pantalla completa puede requerir 20 o más fotomáscaras individuales a lo largo de todo el proceso de fabricación.
La escala de los sustratos hace que esto sea especialmente complejo. En la fabricación de pantallas Gen 8.5, por ejemplo, el vidrio madre puede medir aproximadamente 2200 × 2500 mm, con seis paneles de TV de 55 pulgadas en un solo sustrato. A estas dimensiones, las propias fotomáscaras se vuelven muy grandes y costosas, mientras que cada etapa de litografía debe mantener una precisión de registro y una uniformidad estrictas en toda el área.
Por tanto, reducir el número de pasos de litografía puede mejorar tanto la productividad como la economía de fabricación.
Aquí es donde entran en juego las fotomáscaras de semitonos.
¿Cómo funciona una fotomáscara de semitonos?
Una fotomáscara binaria convencional suele estar formada por cuarzo transparente con áreas de cromo opacas que definen el patrón. Una fotomáscara de semitonos añade una capa parcialmente transmisiva, como un compuesto de óxido de cromo, cuyas propiedades ópticas pueden diseñarse con precisión.
La capa parcialmente transmisiva cumple dos funciones importantes.
En primer lugar, su espesor puede diseñarse para producir un desplazamiento de fase con respecto al cuarzo circundante. Esto genera interferencia destructiva en los límites del patrón, lo que ayuda a producir estructuras de fotorresina nítidas y de alto contraste, al tiempo que aumenta la profundidad de foco y amplía la ventana de proceso.
En segundo lugar, su composición puede ajustarse para controlar la transmisión óptica. En las fotomáscaras para pantallas, la transmisión suele ajustarse dentro de un rango de aproximadamente 20–50 %.
El resultado es una ventaja clave: una sola exposición puede generar múltiples niveles de espesor de fotorresina.
Creación de múltiples niveles de fotorresina en una sola exposición
Tras la exposición a través de una fotomáscara de semitonos y el revelado, una fotorresina positiva puede contener tres regiones distintas:
- Espesor completo de fotorresina donde la máscara es opaca
- Espesor reducido de fotorresina donde la luz se transmite parcialmente a través de la región de semitonos
- Cero fotorresina donde la máscara es completamente transparente
Este perfil escalonado de fotorresina permite realizar diferentes operaciones de procesamiento posteriores utilizando un único paso de litografía.
En la fabricación de pantallas, las fotomáscaras de semitonos se utilizan habitualmente en un flujo de proceso TFT de cuatro máscaras. Una aplicación importante es la definición simultánea del canal semiconductor activo y de los contactos metálicos de fuente/drenaje.
Después de la exposición, los pasos secuenciales de grabado y adelgazamiento de la fotorresina eliminan selectivamente las capas de material correspondientes. Como las estructuras críticas se originan en la misma exposición de máscara, las características resultantes quedan intrínsecamente autoalineadas, eliminando los errores de alineación entre el canal y los contactos en todo el sustrato de vidrio de gran tamaño.
Esta combinación de simplificación del proceso y autoalineación es una de las principales ventajas de la litografía de semitonos para pantallas de gran superficie.
El reto: fabricar la propia fotomáscara
Las ventajas de la litografía de semitonos conllevan requisitos exigentes para el fabricante de fotomáscaras.
La fabricación comienza con un sustrato de vidrio de gran tamaño sobre el que se depositan la película de semitonos parcialmente transmisiva y la capa de cromo opaca. El recubrimiento por centrifugación convencional deja de ser práctico a estas dimensiones, por lo que se utilizan técnicas como el recubrimiento por ranura. A continuación, la litografía láser permite estructurar el sustrato, seguida del revelado y de un grabado altamente controlado de las diferentes capas.
Los requisitos de rendimiento son considerables: para las fotomáscaras avanzadas para pantallas, se necesita una uniformidad de dimensión crítica inferior a ±50 nm en sustratos de gran tamaño, junto con una precisión de superposición normalmente mejor que 500 nm en áreas de escala métrica. El control de defectos es igualmente importante, ya que incluso pequeños defectos en la máscara pueden afectar al proceso de fabricación de la pantalla resultante.
Estos requisitos hacen que la precisión y estabilidad del sistema de escritura de máscaras sean fundamentales.
VPG⁺ 1400 FPD / VPG⁺ 1850 FPD: precisión a escala de pantalla
Para abordar los retos de superposición y uniformidad asociados a la fabricación de fotomáscaras de semitonos multicapa, Heidelberg Instruments desarrolló VPG⁺ 1400 FPD / VPG⁺ 1850 FPD para aplicaciones de pantallas de próxima generación.
Los sistemas combinan una gran área de escritura con un entorno mecánico y térmico estable. Disponen de un área de escritura de hasta 1400 × 1800 mm², un chuck de granito y una cámara ambiental con control de temperatura diseñada para reducir el desplazamiento térmico en sustratos de gran tamaño. Las capacidades de adaptación entre herramientas compensan las diferencias entre los sistemas de coordenadas de las herramientas de escritura de máscaras, incluidos desplazamiento, rotación, escalado y distorsión.
En el núcleo del sistema de exposición se encuentra una Grating Light Valve (GLV) de alta velocidad combinada con un láser DPSS de 355 nm y una lente de escritura personalizada con doble recubrimiento. El motor óptico proporciona una rejilla de direccionamiento de 8 nm y un tamaño mínimo de característica escrita de 800 nm, con un rendimiento de 2750 mm²/min. Para una fotomáscara de 1200 × 1400 mm utilizada para paneles de pantalla G8, esto corresponde a un tiempo de exposición de aproximadamente 10 horas.
Sin embargo, para la fabricación de máscaras de semitonos, el rendimiento por sí solo no es suficiente. La segunda capa de exposición debe posicionarse con precisión respecto al patrón de cromo opaco situado debajo.
La plataforma VPG⁺ aborda este problema mediante una cámara de alineación a través de la lente, que mide directamente la posición del sustrato a través de la óptica de exposición. Esto crea una relación fija entre la metrología y la exposición. La arquitectura también puede complementarse con reconocimiento de imágenes y un sistema interferométrico de control de posición de 1 nm. Esto permite una alineación de la segunda capa con una media + 3σ de 400 nm en un área de 1000 × 1000 mm².
Por qué las fotomáscaras de semitonos son importantes para el futuro de las pantallas
A medida que la fabricación de pantallas avanza hacia sustratos más grandes y dispositivos cada vez más sofisticados, cada paso adicional de litografía añade costes y tiempo, además de oportunidades para que se produzcan errores de alineación.
Las fotomáscaras de semitonos ofrecen una forma de crear múltiples niveles de fotorresina en una sola exposición, al tiempo que permiten un procesamiento autoalineado de estructuras TFT críticas. Para los fabricantes de máscaras, esto impone a su vez exigencias excepcionales en cuanto a uniformidad de CD, superposición, control de defectos y estabilidad térmica en grandes superficies.
Por tanto, el desarrollo de una tecnología adecuada de escritura de máscaras es una parte importante para hacer posible la próxima generación de pantallas de gran superficie.
¿Quiere explorar el tema con más detalle?
Lea el artículo completo, “Halftone Photomasks: Enabling Flat Panel Display Manufacturing”, en el número 4 de The Lithographer: From Lab to Fab.
