激光修补技术在修复薄膜图形缺陷上的应用——薄膜图形缺陷激光修补机

万承华，宋体涵

(深圳清溢光电股份有限公司，广东 深圳518000)

薄膜图形缺陷激光修（ZAP）/ 补（CVD）技术广泛应用于平板显示（FPD）和半导体（IC）行业，尤其是在其前端的掩模版和面板的生产过程中，产品会产生细微线路短路或者断路的情况，我们将短路的情况称“黑缺陷”（暗点缺陷），断路的情况称“白缺陷”（亮点缺陷），而这两种缺陷都是制约产品良品率的关键。为提高良品率，降低生产成本，就必须对黑缺陷进行去除，对白缺陷进行补缺。薄膜图形缺陷激光修补机正是为修补掩模版或面板基板上的薄膜图形缺陷而专门研制的高精密度设备。

激光修（ZAP）的技术是应用激光能量将掩模版或面板薄膜图形中的黑缺陷去除；激光补（CVD）的技术是应用激光能量将羰基金属材料的羰基键打断产生金属离子态，并将其沉积在掩模版或面板基板上薄膜图形有白缺陷的地方。而在白缺陷修补过程中最关键的是沉积在掩模版或面板上的薄膜要达到一定的厚度、宽度、黏附性、导电率等技术参数。

该设备在掩模版制造和平板显示产业应用的总体发展趋势，将是朝着高精密度、在线式、多功能、大尺寸方向发展。

1 激光去除与激光化学气相沉积的原理与方法

1.1 激光去除原理与方法

激光去除（ZAP）是用激光束切断薄膜中短路或多余的图形线路，即利用激光束将掩模版或面板薄膜图形上的黑缺陷去除。亦是基板上的薄膜图形材料在激光作用下气化分解（通常情况下激光波长越短，脉冲宽度越窄，峰值功率越高，去除效果越好）。这种方法叫Zap Repair 或Laser Repair。

激光去除基本原理示意图见图1 所示。

1.2 激光化学气相沉积原理与方法

激光化学气相沉积修补是将固态羰基金属材料气化后，在激光的作用下发生化学反应，使得金属物质沉积在基片表面的断路线路上。即是将通过Slit 整形的激光聚焦成一定形状的微光束定域加热基片，启动并维持CVD 过程，在沉积过程中通过移动基片或激光束，将固体结构的金属物质以高分辨率沉积。这种方法叫Deposition Repair 或Laser CVD Repair。

图1 激光去除基本原理示意图

激光气相化学沉积基本原理图，见图2 所示。

图2 激光气相化学沉积基本原理图

激光气相化学反应方程式以铬为例：

羰基铬分子结构示意图见图3 所示。

图3 羰基铬分子结构示意图

2 影响薄膜图形缺陷修补质量与效率的关键技术

影响薄膜图形缺陷修补质量与效率的关键技术，主要包括激光修补光学系统设计及其应用技术、反应腔的气流均衡结构设计技术、气路系统与温度控制系统应用技术。

2.1 激光修补光学系统设计及其应用

（1）在修（ZAP）的光学系统应用技术中，主要是运用激光分层去除技术，通过控制激光能量有效清除基板表面薄膜图形中多余的材料，并且对玻璃基板及其表面上的薄膜图形均无损伤。

图4 是一组通过在玻璃基板上对铬膜图形进行修（ZAP）的工艺测试对比图，影响薄膜图形缺陷修（ZAP）的质量与效率的关键因素是通过激光能量的调整，使图形修（ZAP）的结果既无残余铬，又不损伤玻璃。

（2）在补（CVD）的光学系统应用技术中，关键是通过控制激光参数，并将通过Slit 整形的激光聚焦成一定形状的微光束定域加热基片，同时完成激光气相化学反应——打断羰基键，使固体结构的金属物质以高分辨率沉积，并不伤害玻璃基板及其表面上的薄膜图形。

图5 是一组通过在玻璃基板上对铬膜图形进行补（CVD）铬的工艺测试对比图，以反映影响薄膜图形缺陷补（CVD）的质量与效率的关键因素。

（1）沉积均匀性的影响因素。在玻璃基板上进行补（CVD）铬的沉积均匀性，主要取决于激光的均匀性和反应腔内气流与气相羰基铬分布的均匀性。激光的均匀性可以通过调整激光光斑相对均匀的部分来解决，反应腔内气流与气态羰基铬分布的均匀性则是通过反应腔内的结构设计与调节气流及其温度的稳定性保证。

（2）沉积厚度的影响因素。在玻璃基板上补（CVD）铬的沉积厚度，主要取决于激光强度及气态羰基铬浓度。激光强度可通过激光器泵浦电流或衰减器进行调整，气态羰基铬浓度主要是通过对混合器的加热温度及气体的压力/ 流量/ 温度进行调整。沉积厚度如果过薄会导致图形透光，过厚会导致沉积膜在玻璃基板上的粘附力差、且易开裂与脱落，见图6 所示。

图4 对铬膜图形修（ZAP）的工艺测试对比

图5 对铬膜图形补铬的工艺测试对比

因此，影响薄膜图形缺陷补（CVD）的质量与效率的关键因素，除了激光强度，还需结合反应腔的结构与气流、温度的均衡控制。

图6 沉积厚度的影响对比

2.2 反应腔气流均衡结构设计

该采取了一种超薄型带有窗口片保护气路的反应腔，包括基座和透明窗口片，基座设有反应孔、窗口片、喷嘴部件及反应气体分配环。喷嘴部件设有反应气喷口，反应气体分配环设有环形气道。由于反应气体通过各凹槽的分配，气流得到稳定均衡喷覆。窗口片及其保护气路，能有效避免反应腔的窗口易受CVD 反应过程中产生的沉积物污染的问题。

2.3 气路系统与温度控制系统应用技术

在气路系统中主要包含反应气体和保护用惰性气体的稳定输送，以及反应腔、混合器及气路输送系统的温度控制技术。

总之，化学气相沉积在激光的作用下，通过对反应腔与混合器及各气路的控制，具体地说就是通过控制气路输送系统与反应腔内工作气体（气态羰基铬+氩气）的压力、流量、温度、浓度与稳定性，才能有效保持成膜区内膜厚的均匀性与膜层的均一性，减少成膜‘拖尾’现象，保证成膜质量与效率。

下面几组图片是反应腔内混合气体流动状态及热交换模拟分析、反应腔局部截面工作气体质量分数与温度模拟分析、补5 μm 宽斜断线的实际成膜显微照片。

（1）图7 是反应腔局部截面工作气体质量分数与温度模拟分析图。

（2）图8 是补（LCVD）5 μm 宽斜向断线的实际成膜显微照片。

（3）行动要实。适合自己的行动是最好的。在工作策划变成实际行动上，我们采取了“立足市情抓持色，注重实效搞创新”的工作措施，实实在在地打造出“让市委放心、老干部满意”的工作风景。

图7 反应腔局部截面工作气体质量分数与温度模拟分析图

图8 补5 μm 宽斜向断线的实际成膜显微照片

3 系统构成及其技术与性能指标

薄膜图形缺陷激光修补机主要由大尺寸高精度x、y 平台及其传递系统、光学系统、气路与气相化学反应控制系统、电气控制系统、软件系统等部分组成，见图9 所示。

图9 设备总体示意图

3.1 大尺寸高精度x、y 平台及其传动系统

（1）采用花岗岩材质的平台与导轨，配以空气轴承替代传统的接触式轴承，是实现大尺寸平台快速平稳运动与高精度定位的基础。

（2）平台采用摩擦杆传动系统，即x、y 驱动方式采用伺服电机和摩擦驱动（UHING）组合，即具刚性强、导程稳、又具过载保护等特性，可有效提高运动精度及安全性。

3.2 光学系统

3.2.1 激光修补光学系统

激光修补光学系统，使用两台激光器分别用于修（ZAP）与补（CVD）的激光光源。两台激光器激光出口后都依次设置了Shutter、激光反射镜、扩束镜、激光衰减器。经衰减和扩束后的激光束分别依次由若干反射镜传输到与X 轴导轨平行方向，与x 向导轨平行部分。

修（ZAP）支路由若干反射镜转折入射到反射镜，反射转折90°穿过SLIT 机构的开口，再经过NUV 显微镜和NUV 物镜聚焦到基版表面待修薄膜图形缺陷上。

补（CVD）支路由若干反射镜转折，并入射反射镜转折90°穿过SLIT 机构的开口，再经过NUV 显微镜和NUV 物镜聚焦到基版表面待补薄膜图形缺陷上。反射镜可通过控制其平移，切换光路位置。

3.2.2 SLIT 照明系统

3.2.3 图像系统

图像系统使用显微镜筒与黑白CCD 摄像机。NUV 显微镜是用于定位缺陷和聚焦修补激光。

另外，用于修补光路的两激光器都设置离线式激光脉冲能量探测器。CVD 光路由反射镜平移到显微镜与Slit 组之间，转折Slit 组出射激光90°后引入能量探头。ZAP 光路中，由另一个可通过控制移动的能量探头移入移出光路进行测量。

3.3 气路与气相化学反应控制系统

气路与气相化学反应控制系统，主要是由惰性气体输送控制系统、羰基金属化合物与惰性气体混合器、温度控制系统、激光气相化学反应腔、废气回收系统等组成。

3.4 电气控制系统

电气控制系统，主要由供电控制系统、运动控制系统、图像采集系统、数模转化和I/O 控制系统、温度控制系统、激光器与光源控制系统等部分组成。

（1）供电控制系统中工控机是整个设备的控制核心，所有的控制、用户操作、文件管理与显示均由工控机来完成。

（2）运动控制系统采用具有国际先进水平的运动控制卡与光栅尺，实现对XY 轴全闭环控制，亦使得运动控制系统具有高精密度、高稳定性，以及较强的抗干扰能力，有效保证了平台定位精度和重复定位精度。

（3）图像采集系统，采用基于PCI 总线的高性能视频采集卡，可进行高质量彩色/ 黑白图像的实时采集。

（4）转化和I/O 控制系统，除了有效利用运动控制卡本身自带的I/O 外，还采用独立的抗干扰能力强的远程I/O 模块。

（5）温度控制系统，是由独立的多路温控器、固态继电器和热电偶组成，具有8 路通道的温度设定、报警设定、自动PID 调节功能，同时可支持通信功能和断线报警功能等。各路均可实现单独温度控制，互不干扰。

（6）激光器和光源控制系统，是由两台激光器和反射光源、透射光源、slit 照明组成，均采用UPS电源供电有效保证了激光器的稳定性。

3.5 软件系统

软件系统完全架构在基于开源的Redhat Linux6 ES 操作系统平台下，具有源代码公开，系统升级、软件移植方便、性能稳定可靠等特性；其跨平台设计可以使软件在短时间内修改成其它Unix 类操作系统平台，甚至是Windows平台下。

在设备的软件控制与图像处理设计上进行了多方面的创新与应用，如模块化的运动驱动接口，可以灵活调用众多不同的硬件子系统。软件系统还增加了一系列的功能：平台屏幕指挥点动控制运动功能、Sliter 屏幕标记控制运动功能、运动位置记录和重定位功能、新的Log 记录/ 跟踪和管理功能、流程宏编辑定义和播放功能。修补处方数据存储和管理、新的系统化和板卡指令初始化流程、自动拍照系统（在激光触发和CVD 过程前、中、后自动拍照和标记）等功能。

设备的自主创新体现在关键元器件的原创性，清溢公司所研制的薄膜图形缺陷激光修补机，在设备功能与结构上进行了大胆的技术创新，以期在核心技术上超越国外竞争对手，并在几个相关领域上另辟蹊径，绕过竞争对手的专利壁垒，建立自己的专利城堡。

通过核心技术的创新与应用，该设备目前在应用激光修（ZAP）/ 补（CVD）技术修补薄膜图形缺陷的水平已达到如下技术指标：

适用基板尺寸：

Max：1300 mm×1500 mm×15 mm

Min：127 mm×127 mm×3 mm

激光点尺寸：

补（Repair）为3～50 μm

修（Ablation）为2～50 μm

修补精度：

补（Repair）为0.45 μm

修（Ablation）为0.2 μm

修补效率（□20 μm）：

补（Repair）为30 s/point

修（Ablation）为16 s/point

激光修补厚度（Coating）：

补（Repair）为≤1 μm

4 结束语

薄膜图形缺陷激光修补机是平板显示产业不可或缺的核心配套设备，对于FPD 产业具有关键的支撑作用，是目前国内平板显示产业发展的瓶颈之一。作为平板显示器件生产专用设备产业链中的重要环节，薄膜图形缺陷激光修补机的国产化，不仅有利于完善我国平板显示器件生产专用设备产业链，填补国内空白，打破海外垄断，还有利于国内面板厂商降低产业生产成本，提高运营速度和效益，促进产业升级和技术进步，提升国家在平板显示的基础研究、行业标准、行业资源整合等各方面的能力。同时，能够培养高精密设备产业的生产、开发及管理人才，并将带动外部配套工业的发展，有利于推进平板显示产业和专用精密设备产业上、下游的紧密联系，更利于完善我国平板显示产业和专用设备产业。

[1] 清溢公司. 一种显微镜透射照明系统[P]. 中国专利：200810068160.4.

[2] 清溢公司. 一种光斑指示系统[P]. 中国专利：200820212003.1.

[3] 清溢公司. 一种激光共聚焦显微系统[P]. 中国专利：200810068031.5.

[4] 清溢公司. 一种超薄反应腔[P]. 中国专利：201510013868.X.