Array制程光刻膠殘留不良改善方法研究

福州京東方光電科技有限公司 柴國慶 余舒嫻 翁 超 周維忠 劉 超 崔泰城

1 引言

隨著國內大力投資發展顯示面板行業，TFT-LCD面板越來越大，所能做出顯示器件也越來越大，同時也增大了各工藝的難度。其中，Array基板為TFTLCD屏重要組成部分，它主要是在玻璃基板上制造所需要的電路，根據掃描信號選擇像素和根據顯示信號控制液晶偏轉量[1]。Array基板的制造是由成膜(Sputter),涂布（Coater），曝光（Photo），顯影（Developer），刻蝕（Etch），剝離（Stripper）。目前主要應用在a-Si TFT-LCD和Oxide相關工藝方向的有4Mask和5mask工藝。較為前沿的研究也進行了3mask的探索[2]圖1所示是典型的0+4 Mask產品Array基板在顯微鏡下的畫面。

無論是選擇何種生產工藝，光刻膠（Photoresist，PR）均會應用在形成所需要的圖案的各制程中，又因為各膜層材質的不同，光刻膠涂覆工藝和粘附性也有較大差異，與之相對應的是在光刻膠剝離（Stripper）工序中的剝離（Lift-off）程度的難易。濕法剝離是重復次數最多的工序之一，其制程質量控制要點是：光刻膠的去除能力，Mura的控制，金屬線的腐蝕，Particle的控制[5]。

圖1 0+4Mask顯微鏡下畫面

光刻膠(PR膠)，在曝光區域發生光化學反應，造成曝光和非曝光區在堿液顯影液（Developer）中溶解性產生明顯的差異，經適當的溶劑處理后，溶去可溶性部分，得到所需圖像。根據其化學反應機理可分負性膠和正性膠兩類。Array基板制造過程中使用的是正性膠，主要成分和作用是：（1）線性酚醛樹脂為成膜樹脂，經涂布工藝在沉積有金屬膜層的玻璃基材表面形成樹脂涂層，利用光刻工藝，在涂層上“復制”電路。（2）感光劑（photo-active compound，簡稱PAC）采用鄰重氮萘醌（簡稱為DNQ）磺酸酯，利用PAC在感光和非感光部分反應的不同，得到所需的圖案。（3）溶劑和添加劑，溶劑作用是獲得均勻的稀釋液體，使其具有良好的流動性，有利于形成均一平整的圖層；添加劑含量很小，目地是增強附著性，增加光感度，改善表面成膜性等，正性膠有良好的分辨率，成本也相對較高[3]。濕法剝離（Wet Stripper）原理與過程如圖2所示。

圖2 Wet Stripper剝離光刻膠原理

由于該工序存在于TFT制造的每個制程的最后一道工序，其質量直接影響下一制程品質。在生產制造過程中，我們將各制程經過剝離工序后仍有PR膠存在于膜層之上的現象稱為光刻膠殘留（PR Remain），容易引起PR Remain的工序是各制程的曝光、顯影和剝離工藝過程。經過曝光顯影后，曝光區域的光刻膠殘余由曝光的Dose量，環境中的Particle以及顯影工藝條件所致，可導致金屬膜層的濕法刻蝕失敗，對應位置的金屬殘留，形成點、線的不良，如Short類不良，當面積較大時會導致整張基板報廢，在此我們不做過多討論。本文主要討論在刻蝕工藝后進行的濕法剝離工藝（Wet Stripper）過程中光刻膠殘留不良的改善。

在TFT-LCD的各制程濕法剝離工藝后，一般都會進入高溫設備或者真空設備，如ITO Stripper工序后會進入退火設備，而Gate Stripper工藝后會進入PECVD設備中。若剝離工序產生較多PR Remain會導致高溫設備或真空設備的揮發有機物的污染，嚴重時會形成大面積的Mura類不良。除此之外，Array工廠在各制程Wet Stripper工藝后發現嚴重PR Remain時，需要重新進行當前剝離工藝，造成產能損失。不管是Al工藝還是銅工藝產品，多次進行剝離工藝會導致嚴重的金屬線腐蝕，VIA工序重復進行PR剝離工序會導致VIA Hole異常至使得像素電極接觸不良，導致做NG處理。此外，Wet Stripper工序過程監控抽檢比例約為1/20～1/30，問題產生時將是大批量產品品質問題，嚴重影響產品良率和公司的經濟效益。因此，Array基板制造的過程中力求每一個制程的剝離工序無光刻膠殘留，至少保證無聚集，無線性，無嚴重的重復出新的點狀PR Remain發生，盡可能的減少對設備，產能，和品質的損害。

本文著重介紹B公司在Array基板生產制造過程中，經過不斷嘗試和長期的專案實驗驗證，在Array PR Remain改善方面取得可以汲取的經驗。發現出現PR Remain現象有：剝離不凈和光刻膠回粘[5]。剝離不凈與剝離區間的工藝能力有關，而光刻膠回粘與剝離液中PR含量和第一水洗區間洗凈能力有關。通過管控不同膜層剝離工序PR膠在剝離液中的含量，提升Hole Shower及水刀和液刀（Aqua Knife and Chemical Knife）流量以及生產過程中設備的內部結構改造和調整、清潔與保養，作業人員的手法優化等的聯合運用，有效改善PR Remain發生，降低PR Remain引起的產能和良率損失。

2 不良狀況介紹與不良因素分析

2.1 不良狀況

PR Remain不良是量產過程中，當其大面積殘留，導致后工序不良在Array Test(AT)時被檢出，但Repair修補作業失敗，或者在AT無產出至成盒（Cell）制程被檢出，導致產品Mura，品質下降，增加制造成本。如圖3，因PR Remain的顯微鏡圖與Map圖。若其PR Remain真空設備內蒸發黏附在設備腔體內，則必然導致其對應工序不良高發。無法估算其產品和良率的損失。如圖4所示，光刻膠殘留污染的Sputter腔體。

2.2 不良因素分析

根據光刻膠剝離的工藝原理，以及PR Remain位置在Glass上的分布位置（Map）和微觀缺陷的形貌分析，可以通過提供優良的Stripper工藝條件，控制設備內環境中的Particle，以及設備內關鍵部件的調整，對PR Remain進行有效去除。

如圖5所示，研究人員從人、機、料、法、環五方面，通過頭腦風暴法共同分析出在Wet Stripper工序導致PR Remain缺陷改善措施，一共匯整了以下可能的影響因。

圖3 PR Remain顯微鏡圖與Map

圖4 光刻膠污染Sputter腔體及鍍膜影響

3 不良改善

3.1 不良因子篩選

根據PR Remain不良發生分布形態和微觀結構分析，逐個通過產線生產驗證。優選魚骨圖中黃色圖標因素，尤其針對聚集性（線性，大面積邊緣殘留）進行改善驗證，如表1所示。設備端分為剝離單元和洗凈單元，剝離區間與水洗區間有一個過渡區間（NEU#2）

剝離設備：Array基板從過渡區間進入剝離工藝區間，剝離液從設備下Pipe Room中的Tank經泵進入設備管路，需要進行Filter（過濾器）過濾掉剝離液中可能存在的大顆粒物質（會導致光刻膠點狀殘留發生），實驗表明增加管路中的Filter的過濾能力，在一定范圍內能夠降低PR Remain發生幾率，然而當Filter過濾孔徑過小時會導致剝離設備無法正常噴淋出設定壓力和流量的剝離液反而會增大PR Remain風險，同時極大的縮短了Filter的使用壽命增加了消耗品成本；當減弱過濾能力，意料之中的PR Remain變得惡化。增大進出口C/K和剝離區間流量。進入水洗區間：分別更換水洗段New Filter、增大第二過渡區間Hole Shower流量，A/K流量和第一水洗區間流量，增大其他水洗段流量。其中第二及以后水洗段流量無益解決PR Remain。

表1 設備改善動作與效果確認

3.2 增加剝離時間

剝離時間是Array各工序制造過程中重要的工藝參數之一。經過曝光后的正性光刻膠可以被堿性藥液（Developer）清洗去除。而未被曝光區域在經過刻蝕工序后，需要通過濕法剝離的方法去除光刻膠。剝離時間即是指帶PR膠基板在剝離液中清洗的時間。工程采用增加剝離時間來驗證改善PR Remain。采用4組試驗與正常量產條件對比，確認AOI或PI檢查缺陷數。如表2顯示，增加剝離時間16～21s，PR殘留缺陷點明顯減少。但是過長的工藝時間會影響設備生產節拍，降低生產效率。所以，降低PR Remain的方法需要更多的從設備和工藝條件篩選方面進行改善。

圖5 魚骨圖分析影響因子

表2 實驗數據對比（3Chamber設備，Gate Stripper Test）

表3 PR含量管控制與PI確認結果匯總

3.3 PR膠在Stripper中含量管控

由于不同工藝膜層與光刻膠的粘附性不同，而且非金屬膜層上光刻膠的厚度較大，因此對于不同膜層的光刻膠進行剝離時，對剝離藥液的剝離能力要求也不同，剝離能力的下降與其藥液中含有的未溶解的光刻膠含量有關。PR膠的含量通常采用紫外-紅外光學檢測系統。如表3所示：我們通過對比不同膜層剝離設備中剝離液PR含量管控與探索。建立一個可供參考的調整方向。因為8.5代產線已經使用Cold Run藥液供給模式即：從后Tank根據判斷條件向前Tank供給藥液。如此，Tank1（進口）藥液PR濃度最高，Tank3(4,出口)藥液PR濃度最低。

會議指出，開展代表建議辦理工作專項評議是提高代表建議辦理質量、增強監督工作實效的一種有效手段，是對相關部門為民辦實事的一次集中檢驗。市政府及有關部門要注重解決實際問題，在鞏固已解決問題的基礎上，對一些重點建議中還沒有解決的問題，要結合制定2019年全市工作計劃盡量予以統籌考慮，抓緊時間辦理，爭取早日銷號。要抓好代表建議規范化辦理，按時召開建議交辦會議和調度督辦會議，掌握建議辦理進度，及時提出辦理要求，做到有部署、有檢查。要加強與代表的溝通交流，改善代表建議辦理方式，面對面征求代表意見，共同探討建議辦理的路徑和方法，著力提高辦理質量。

由表3可知，在進行不同膜層的剝離時，由于其粘附性差異，PR含量管控值也不同，高含量的未溶解PR會降低剝離液的玻璃能力，導致PR膠殘留或者重新沉積到膜層表面,因此在滿足工藝品質需求和成本最低條件下，需要選擇合適的PR含量控制條件。也證明非金屬層粘附性弱與金屬層。

3.4 設備清潔與保養改進

TFT-LCD生產設備的清潔與保養是確保Array生產中最基本的品質保證。涂布機/顯影機和剝離設備是最直接接觸光刻膠的設備，它們的清潔與保養顯得尤為重要。這里我們在這里主要檢討剝離設備的保養與改善措施對PR Remain改善的方法。剝離設備生產過程中需要進行PM，經調查此過程會因為作業人員的不同和作業手法的偏差，導致設備內部的潔凈度不同，進而影響到發生點狀PR Remain。

通過研究，此過程中制定和優化更加嚴格的作業手順，并且增加規范的培訓和稽核的力度，都是有助于減少點狀PR Remain發生。

我們發現剝離設備剝離藥液的噴淋管路中存在偏移，堵塞及液刀分叉的情況，自動清洗管路和液刀時，管路堵塞和分叉無法得到徹底處理；另外，Side Shower、Hole Shower（DI Water）和第一清洗區間回流與滴落易造成光刻膠的殘留（回粘）。經過驗證觀察，不同位置的偏差會導致不同形貌的聚集性PR Remain。Side Shower流量低或者角度偏差，會導致一側邊緣大面積殘留。Hole Shower流量低或者噴淋扇面小，通過第二過渡區間時，基板表面黏附剝離液干燥較快以至在水洗區間無法清洗干凈。另外，第一水洗區間水刀分叉或者流量過低也會導致水洗不凈導致殘留，在這個區間容易被忽略的是腔體內氣體，由于此區間水洗池內也含有相當含量的PR，在重復噴淋的過程中有重新黏附在基板表面導致大面積PR殘留的風險，為第一水洗區間A/K增加Cover可降低該風險。增大從剝離區間至第一清洗區間的傳送速度也有利該風險降低，但是會增加碎片風險，不建議采用。如圖7所示：易于導致PR Remain的重要機構。

圖6 導致PR Remain的重要部件

試驗表明，制定定期拆卸清潔產線各噴淋管路，Aqua Knife和Chemical Knife分叉進行刮拭，對堵塞噴嘴進行超聲波清洗和更換；長期監控噴淋，A/K，side Shower，C/K和Hole Shower流量；定期清洗第一水洗區間Tank和腔體，盡可能減少Tan3（4）通過剝離基板帶到該區間的剝離液(含PR膠)；定期確認Side Shower角度和噴嘴狀態。都有助于改善光刻膠殘留發生率，增強剝離能力和潔凈能力，減少回粘。

3.5 措施導入&改善效果

通過上述增加剝離時間，可以有效降低PR殘留，在發生PR Remain時將進行二次工藝，將其剝離干凈，將試驗成果導入到TFT量產中，將設備維護，日常檢查重點與保養方面的成功經驗全面展開到量產。如圖7，從監控量產品光刻膠殘留導致的二次工藝Lot的發生率推移圖可見，由調整前的最高1%，到調整后最低的0.08%，雖然我們產能在不斷的提升，但是進行二次剝離工藝的Lot發生率并沒有反彈跡象。同時，調整設備狀態和生產工藝參數后，PR Remain大面積出現的概率也越來越低。釋放了剝離工序更多的產能，為設備的產能利用最大化做出貢獻?？蓪冸x機種剝離工序改善光刻膠改善的成功經驗平行展開到顯影過程中光刻膠殘留改善中。

圖7 工廠產能與重剝率統計

4 結語

本文基于Array基板生產制造過程中重復次數最多的工序-Wet Stripper發生的光刻膠殘留缺陷的異常，闡述了光刻膠殘留發生的原理，分析了設備各重要組件和參數的作用和功能，試驗證明了增加剝離時間，高速通過剝離與水洗過渡區間，配合技術人員的PM手法和優化剝離設備重要部件的位置，流量參數監控等方法的聯合運用，可以有效降低剝離工序發生光刻膠大量殘留的發生。最后，將試驗成果最終導入量產，因光刻膠殘留而導致需要進行二次工藝的Lot比例從最初量產的1%降低到目前的0.08%，為產能的提升，設備產能利用的最大化以及產品品質的提升做出較大貢獻。目前已形成從現狀分析→高發原因確認→單動測試→驗證相關性的方法，形成系統化分析流程，應用范圍廣，反應速度快，這種處理此類不良的方式將為企業降低大量的LOSS。