Les écrans plats modernes reposent sur des structures multicouches très complexes fabriquées sur d’énormes substrats de verre. À mesure que les générations d’écrans évoluent et que leur taille augmente, la lithographie doit combiner le traitement de grandes surfaces avec des exigences toujours plus strictes en matière de résolution, d’uniformité et d’alignement.
Une technologie qui contribue à simplifier ce processus est le photomasque en demi-teintes (HTM). En combinant des zones opaques et des zones partiellement transmissives sur un même masque, la lithographie en demi-teintes permet de créer différentes épaisseurs de résine photosensible en une seule exposition, ce qui permet de réaliser plusieurs étapes de traitement dans un flux de masques simplifié.
Pourquoi la fabrication des écrans nécessite de nouvelles approches de lithographie
Un écran OLED à matrice active (AMOLED) se compose de plusieurs couches fonctionnelles. Le backplane contient un circuit à transistors en couches minces (TFT) qui commande les sous-pixels individuels, tandis que le frontplane contient les composants émetteurs de lumière. La fabrication d’un écran complet peut nécessiter 20 photomasques individuels ou plus sur l’ensemble du processus de fabrication.
La taille des substrats rend ce processus particulièrement complexe. Dans la fabrication des écrans Gen 8.5, par exemple, le verre mère peut mesurer environ 2200 × 2500 mm, avec six panneaux TV de 55 pouces pouvant être disposés sur un seul substrat. À ces dimensions, les photomasques eux-mêmes deviennent très grands et coûteux, tandis que chaque étape de lithographie doit maintenir une précision de superposition et une uniformité strictes sur l’ensemble de la surface.
Réduire le nombre d’étapes de lithographie peut donc améliorer à la fois la productivité et l’économie de fabrication.
C’est précisément là que les photomasques en demi-teintes entrent en jeu.
Comment fonctionne un photomasque en demi-teintes ?
Un photomasque binaire conventionnel se compose généralement de quartz transparent avec des zones opaques en chrome qui définissent le motif. Un photomasque en demi-teintes ajoute une couche partiellement transmissive, telle qu’un composé d’oxyde de chrome, dont les propriétés optiques peuvent être conçues avec précision.
La couche partiellement transmissive remplit deux fonctions importantes.
Premièrement, son épaisseur peut être conçue de manière à produire un déphasage par rapport au quartz environnant. Cela crée des interférences destructives aux limites du motif, ce qui contribue à produire des structures de résine photosensible nettes et à fort contraste, tout en augmentant la profondeur de champ et en élargissant la fenêtre de procédé.
Deuxièmement, sa composition peut être ajustée afin de contrôler la transmission optique. Pour les photomasques destinés aux écrans, la transmission est généralement ajustée dans une plage d’environ 20 à 50 %.
Le résultat constitue un avantage clé : une seule exposition peut générer plusieurs niveaux d’épaisseur de résine photosensible.
Créer plusieurs niveaux de résine photosensible en une seule exposition
Après exposition à travers un photomasque en demi-teintes et développement, une résine photosensible positive peut présenter trois régions distinctes :
- Épaisseur complète de résine photosensible là où le masque est opaque
- Épaisseur réduite de résine photosensible là où la lumière est partiellement transmise à travers la région en demi-teintes
- Absence de résine photosensible là où le masque est entièrement transparent
Ce profil de résine photosensible en gradins permet d’effectuer différentes opérations de traitement ultérieures en utilisant une seule étape de lithographie.
Dans la fabrication des écrans, les photomasques en demi-teintes sont couramment utilisés dans un flux de procédé TFT à quatre masques. Une application importante consiste à définir simultanément le canal du semi-conducteur actif et les contacts métalliques de source/drain.
Après l’exposition, des étapes successives de gravure et d’amincissement de la résine photosensible éliminent sélectivement les couches de matériau concernées. Comme les structures critiques sont issues de la même exposition du masque, les motifs obtenus sont intrinsèquement auto-alignés, ce qui élimine les erreurs d’alignement entre le canal et les contacts sur l’ensemble du substrat de verre de grande taille.
Cette combinaison de simplification du procédé et d’auto-alignement constitue l’un des principaux atouts de la lithographie en demi-teintes pour les écrans de grande surface.
Le défi : fabriquer le photomasque lui-même
Les avantages de la lithographie en demi-teintes s’accompagnent d’exigences élevées pour le fabricant de photomasques.
La fabrication commence par un substrat de verre de grande taille sur lequel sont déposées la couche de demi-teintes partiellement transmissive et la couche de chrome opaque. À ces dimensions, le dépôt par centrifugation conventionnel n’est plus adapté ; des techniques telles que le revêtement par fente sont donc utilisées. La lithographie laser permet ensuite de structurer le substrat, suivie du développement et d’une gravure hautement contrôlée des différentes couches.
Les performances requises sont considérables : pour les photomasques avancés destinés aux écrans, une uniformité de dimension critique inférieure à ±50 nm sur des substrats de grande taille est nécessaire, ainsi qu’une précision de superposition généralement meilleure que 500 nm sur des surfaces à l’échelle du mètre. Le contrôle des défauts est tout aussi important, car même de petits défauts du masque peuvent affecter le processus de fabrication de l’écran final.
Ces exigences rendent la précision et la stabilité du système d’écriture de masques essentielles.
VPG⁺ 1400 FPD / VPG⁺ 1850 FPD : la précision à l’échelle des écrans
Pour relever les défis liés à la superposition et à l’uniformité lors de la fabrication de photomasques en demi-teintes multicouches, Heidelberg Instruments a développé le VPG⁺ 1400 FPD / VPG⁺ 1850 FPD pour les applications d’écrans de nouvelle génération.
Ces systèmes combinent une grande zone d’écriture avec un environnement mécanique et thermique stable. Ils disposent d’une zone d’écriture allant jusqu’à 1400 × 1800 mm², d’un chuck en granit et d’une chambre environnementale à température contrôlée conçue pour réduire les dérives thermiques sur les substrats de grande taille. Les fonctionnalités d’appariement des outils compensent les différences entre les systèmes de coordonnées des différents outils d’écriture de masques, notamment les décalages, la rotation, la mise à l’échelle et les distorsions.
Au cœur du système d’exposition se trouve une Grating Light Valve (GLV) haute vitesse, associée à un laser DPSS de 355 nm et à une lentille d’écriture à double revêtement spécialement conçue. Le moteur optique offre une grille d’adressage de 8 nm et une taille minimale de motif écrit de 800 nm, avec un débit de 2750 mm²/min. Pour un photomasque de 1200 × 1400 mm utilisé pour les panneaux d’affichage G8, cela correspond à un temps d’exposition d’environ 10 heures.
Pour la fabrication de masques en demi-teintes, cependant, le débit à lui seul ne suffit pas. La deuxième couche d’exposition doit être positionnée avec précision par rapport au motif de chrome opaque situé en dessous.
La plateforme VPG⁺ relève ce défi grâce à une caméra d’alignement à travers la lentille, qui mesure directement la position du substrat à travers l’optique d’exposition. Cela crée une relation fixe entre la métrologie et l’exposition. Cette architecture peut en outre être associée à une reconnaissance d’image et à un système interférométrique de contrôle de position de 1 nm. Elle permet d’obtenir un alignement de la deuxième couche avec une moyenne + 3σ de 400 nm sur une surface de 1000 × 1000 mm².
Pourquoi les photomasques en demi-teintes sont importants pour l’avenir des écrans
À mesure que la fabrication des écrans évolue vers des substrats plus grands et des dispositifs toujours plus sophistiqués, chaque étape de lithographie supplémentaire augmente les coûts et le temps de fabrication, tout en multipliant les possibilités d’erreurs d’alignement.
Les photomasques en demi-teintes permettent de créer plusieurs niveaux de résine photosensible en une seule exposition tout en permettant un traitement auto-aligné des structures TFT critiques. Pour les fabricants de masques, cela impose en retour des exigences exceptionnelles en matière d’uniformité de CD, de superposition, de contrôle des défauts et de stabilité thermique sur de grandes surfaces.
Le développement d’une technologie adaptée d’écriture de masques constitue donc un élément important pour permettre la prochaine génération d’écrans de grande surface.
Vous souhaitez approfondir le sujet ?
Lisez l’article complet « Halftone Photomasks: Enabling Flat Panel Display Manufacturing » dans le numéro 4 de The Lithographer: From Lab to Fab.
