现代平板显示器依赖于在超大尺寸玻璃基板上制造的高度复杂多层结构。随着显示技术世代不断发展，光刻必须将大面积加工能力与日益严苛的分辨率、均匀性和对准要求相结合。
一种有助于简化这一工艺的技术是半色调光掩模（HTM）。通过在同一掩模上结合不透光区域和部分透光区域，半色调光刻能够在一次曝光中形成不同厚度的光刻胶，从而在简化的掩模工艺流程中实现多个加工步骤。
为什么显示器制造需要新的光刻方法
半色调光掩模如何工作？
传统二元光掩模通常由透明石英基板和定义图案的不透光铬区域组成。半色调光掩模则增加了一层部分透光层，例如氧化铬化合物，其光学特性可以进行精确设计。
部分透光层具有两项重要功能。
首先，可以对其厚度进行设计，使其相对于周围的石英产生相位偏移。这会在图案边界处产生相消干涉，有助于形成清晰、高对比度的光刻胶图形，同时增加焦深并拓宽工艺窗口。
其次，可以调整其材料成分来控制光学透射率。对于显示用光掩模，透射率通常可调节在约20–50%的范围内。
其结果带来了一个关键优势：一次曝光即可形成多个不同厚度的光刻胶层级。
通过一次曝光形成多个光刻胶层级
通过半色调光掩模曝光并显影后，正性光刻胶可以形成三个不同的区域：
- 光掩模不透光区域对应的完整光刻胶厚度
- 半色调区域部分透光处对应的减薄光刻胶厚度
- 光掩模完全透光区域对应的零光刻胶厚度
这种阶梯式光刻胶轮廓使得后续可以使用单个光刻步骤执行不同的加工操作。
在显示器制造中，半色调光掩模通常用于四道掩模TFT工艺流程。其中一个重要应用是同时定义有源半导体沟道以及源极/漏极金属接触区。
曝光后，通过依次进行刻蚀和光刻胶减薄步骤，可以选择性地去除相应的材料层。由于关键结构源自同一次掩模曝光，因此形成的图形天然具有自对准特性，从而消除了大尺寸玻璃基板上沟道与接触区之间的对准误差。
工艺简化与自对准相结合，是半色调光刻在大面积显示器制造中的主要优势之一。
挑战：光掩模本身的制造
半色调光刻的优势也对光掩模制造商提出了严苛的要求。
制造过程从一块大尺寸玻璃基板开始，在其上沉积部分透光的半色调薄膜和不透光的铬层。在如此大的尺寸下，传统的旋涂工艺已不再适用，因此会采用狭缝涂布等技术。随后通过激光光刻对基板进行图形化，并进行显影以及对不同层进行高度受控的刻蚀。
所需的性能指标非常高：对于先进显示用光掩模，需要在大尺寸基板上实现低于±50 nm的关键尺寸均匀性，同时在米级面积范围内保持通常优于500 nm的套刻精度。缺陷控制同样至关重要，因为即使是微小的掩模缺陷，也可能影响最终的显示器制造工艺。
这些要求使掩模写入系统的精度和稳定性至关重要。
VPG⁺ 1400 FPD / VPG⁺ 1850 FPD：满足显示尺寸需求的高精度
为应对多层半色调光掩模制造过程中面临的套刻和均匀性挑战，Heidelberg Instruments开发了VPG⁺ 1400 FPD / VPG⁺ 1850 FPD，用于下一代显示技术应用。
这些系统将大尺寸写入区域与稳定的机械和热环境相结合。其写入区域最大可达1400 × 1800 mm²，并配备花岗岩卡盘和温控环境腔体，以降低大尺寸基板上的热漂移。工具匹配功能可补偿不同掩模写入设备之间坐标系的差异，包括偏移、旋转、缩放和畸变。
曝光系统的核心是一种高速光栅光阀（GLV），结合355 nm DPSS激光器和定制的双层镀膜写入镜头。该光学引擎提供8 nm的寻址网格和800 nm的最小写入图形尺寸，吞吐量达到2750 mm²/min。对于用于G8显示面板的1200 × 1400 mm光掩模，这相当于约10小时的曝光时间。
然而，对于半色调光掩模制造而言，仅有高吞吐量还不够。第二曝光层必须相对于其下方的不透光铬图案进行精确定位。
VPG⁺平台通过透镜对准相机解决了这一问题，该相机直接通过曝光光学系统测量基板位置。这使计量与曝光之间建立了固定的关系。此外，该架构还可结合图像识别和1 nm干涉式位置控制系统。这样，在1000 × 1000 mm²的区域内，第二层对准精度可达到平均值加3σ为400 nm。
为什么半色调光掩模对未来显示技术至关重要
随着显示器制造向更大尺寸基板和更复杂器件发展，每增加一道光刻工艺步骤，都会带来额外的成本和时间，并增加产生对准误差的可能性。
半色调光掩模能够在一次曝光中形成多个光刻胶层级，同时实现关键TFT结构的自对准加工。反过来，这也对光掩模制造商在关键尺寸（CD）均匀性、套刻精度、缺陷控制以及大面积热稳定性方面提出了极高要求。
因此，开发合适的掩模写入技术，是实现下一代大面积显示技术的重要环节。
想进一步深入了解这一主题吗？
阅读完整文章《半色调光掩模：助力平板显示制造》，详见《The Lithographer：从实验室到量产》第4期。
