Array制程光刻胶残留不良改善方法研究

福州京东方光电科技有限公司 柴国庆 余舒娴 翁 超 周维忠 刘 超 崔泰城

1 引言

随着国内大力投资发展显示面板行业，TFT-LCD面板越来越大，所能做出显示器件也越来越大，同时也增大了各工艺的难度。其中，Array基板为TFTLCD屏重要组成部分，它主要是在玻璃基板上制造所需要的电路，根据扫描信号选择像素和根据显示信号控制液晶偏转量[1]。Array基板的制造是由成膜(Sputter),涂布（Coater），曝光（Photo），显影（Developer），刻蚀（Etch），剥离（Stripper）。目前主要应用在a-Si TFT-LCD和Oxide相关工艺方向的有4Mask和5mask工艺。较为前沿的研究也进行了3mask的探索[2]图1所示是典型的0+4 Mask产品Array基板在显微镜下的画面。

无论是选择何种生产工艺，光刻胶（Photoresist，PR）均会应用在形成所需要的图案的各制程中，又因为各膜层材质的不同，光刻胶涂覆工艺和粘附性也有较大差异，与之相对应的是在光刻胶剥离（Stripper）工序中的剥离（Lift-off）程度的难易。湿法剥离是重复次数最多的工序之一，其制程质量控制要点是：光刻胶的去除能力，Mura的控制，金属线的腐蚀，Particle的控制[5]。

图1 0+4Mask显微镜下画面

光刻胶(PR胶)，在曝光区域发生光化学反应，造成曝光和非曝光区在碱液显影液（Developer）中溶解性产生明显的差异，经适当的溶剂处理后，溶去可溶性部分，得到所需图像。根据其化学反应机理可分负性胶和正性胶两类。Array基板制造过程中使用的是正性胶，主要成分和作用是：（1）线性酚醛树脂为成膜树脂，经涂布工艺在沉积有金属膜层的玻璃基材表面形成树脂涂层，利用光刻工艺，在涂层上“复制”电路。（2）感光剂（photo-active compound，简称PAC）采用邻重氮萘醌（简称为DNQ）磺酸酯，利用PAC在感光和非感光部分反应的不同，得到所需的图案。（3）溶剂和添加剂，溶剂作用是获得均匀的稀释液体，使其具有良好的流动性，有利于形成均一平整的图层；添加剂含量很小，目地是增强附着性，增加光感度，改善表面成膜性等，正性胶有良好的分辨率，成本也相对较高[3]。湿法剥离（Wet Stripper）原理与过程如图2所示。

图2 Wet Stripper剥离光刻胶原理

由于该工序存在于TFT制造的每个制程的最后一道工序，其质量直接影响下一制程品质。在生产制造过程中，我们将各制程经过剥离工序后仍有PR胶存在于膜层之上的现象称为光刻胶残留（PR Remain），容易引起PR Remain的工序是各制程的曝光、显影和剥离工艺过程。经过曝光显影后，曝光区域的光刻胶残余由曝光的Dose量，环境中的Particle以及显影工艺条件所致，可导致金属膜层的湿法刻蚀失败，对应位置的金属残留，形成点、线的不良，如Short类不良，当面积较大时会导致整张基板报废，在此我们不做过多讨论。本文主要讨论在刻蚀工艺后进行的湿法剥离工艺（Wet Stripper）过程中光刻胶残留不良的改善。

在TFT-LCD的各制程湿法剥离工艺后，一般都会进入高温设备或者真空设备，如ITO Stripper工序后会进入退火设备，而Gate Stripper工艺后会进入PECVD设备中。若剥离工序产生较多PR Remain会导致高温设备或真空设备的挥发有机物的污染，严重时会形成大面积的Mura类不良。除此之外，Array工厂在各制程Wet Stripper工艺后发现严重PR Remain时，需要重新进行当前剥离工艺，造成产能损失。不管是Al工艺还是铜工艺产品，多次进行剥离工艺会导致严重的金属线腐蚀，VIA工序重复进行PR剥离工序会导致VIA Hole异常至使得像素电极接触不良，导致做NG处理。此外，Wet Stripper工序过程监控抽检比例约为1/20～1/30，问题产生时将是大批量产品品质问题，严重影响产品良率和公司的经济效益。因此，Array基板制造的过程中力求每一个制程的剥离工序无光刻胶残留，至少保证无聚集，无线性，无严重的重复出新的点状PR Remain发生，尽可能的减少对设备，产能，和品质的损害。

本文着重介绍B公司在Array基板生产制造过程中，经过不断尝试和长期的专案实验验证，在Array PR Remain改善方面取得可以汲取的经验。发现出现PR Remain现象有：剥离不净和光刻胶回粘[5]。剥离不净与剥离区间的工艺能力有关，而光刻胶回粘与剥离液中PR含量和第一水洗区间洗净能力有关。通过管控不同膜层剥离工序PR胶在剥离液中的含量，提升Hole Shower及水刀和液刀（Aqua Knife and Chemical Knife）流量以及生产过程中设备的内部结构改造和调整、清洁与保养，作业人员的手法优化等的联合运用，有效改善PR Remain发生，降低PR Remain引起的产能和良率损失。

2 不良状况介绍与不良因素分析

2.1 不良状况

PR Remain不良是量产过程中，当其大面积残留，导致后工序不良在Array Test(AT)时被检出，但Repair修补作业失败，或者在AT无产出至成盒（Cell）制程被检出，导致产品Mura，品质下降，增加制造成本。如图3，因PR Remain的显微镜图与Map图。若其PR Remain真空设备内蒸发黏附在设备腔体内，则必然导致其对应工序不良高发。无法估算其产品和良率的损失。如图4所示，光刻胶残留污染的Sputter腔体。

2.2 不良因素分析

根据光刻胶剥离的工艺原理，以及PR Remain位置在Glass上的分布位置（Map）和微观缺陷的形貌分析，可以通过提供优良的Stripper工艺条件，控制设备内环境中的Particle，以及设备内关键部件的调整，对PR Remain进行有效去除。

如图5所示，研究人员从人、机、料、法、环五方面，通过头脑风暴法共同分析出在Wet Stripper工序导致PR Remain缺陷改善措施，一共汇整了以下可能的影响因。

图3 PR Remain显微镜图与Map

图4 光刻胶污染Sputter腔体及镀膜影响

3 不良改善

3.1 不良因子筛选

根据PR Remain不良发生分布形态和微观结构分析，逐个通过产线生产验证。优选鱼骨图中黄色图标因素，尤其针对聚集性（线性，大面积边缘残留）进行改善验证，如表1所示。设备端分为剥离单元和洗净单元，剥离区间与水洗区间有一个过渡区间（NEU#2）

剥离设备：Array基板从过渡区间进入剥离工艺区间，剥离液从设备下Pipe Room中的Tank经泵进入设备管路，需要进行Filter（过滤器）过滤掉剥离液中可能存在的大颗粒物质（会导致光刻胶点状残留发生），实验表明增加管路中的Filter的过滤能力，在一定范围内能够降低PR Remain发生几率，然而当Filter过滤孔径过小时会导致剥离设备无法正常喷淋出设定压力和流量的剥离液反而会增大PR Remain风险，同时极大的缩短了Filter的使用寿命增加了消耗品成本；当减弱过滤能力，意料之中的PR Remain变得恶化。增大进出口C/K和剥离区间流量。进入水洗区间：分别更换水洗段New Filter、增大第二过渡区间Hole Shower流量，A/K流量和第一水洗区间流量，增大其他水洗段流量。其中第二及以后水洗段流量无益解决PR Remain。

表1 设备改善动作与效果确认

3.2 增加剥离时间

剥离时间是Array各工序制造过程中重要的工艺参数之一。经过曝光后的正性光刻胶可以被碱性药液（Developer）清洗去除。而未被曝光区域在经过刻蚀工序后，需要通过湿法剥离的方法去除光刻胶。剥离时间即是指带PR胶基板在剥离液中清洗的时间。工程采用增加剥离时间来验证改善PR Remain。采用4组试验与正常量产条件对比，确认AOI或PI检查缺陷数。如表2显示，增加剥离时间16～21s，PR残留缺陷点明显减少。但是过长的工艺时间会影响设备生产节拍，降低生产效率。所以，降低PR Remain的方法需要更多的从设备和工艺条件筛选方面进行改善。

图5 鱼骨图分析影响因子

表2 实验数据对比（3Chamber设备，Gate Stripper Test）

表3 PR含量管控制与PI确认结果汇总

3.3 PR胶在Stripper中含量管控

由于不同工艺膜层与光刻胶的粘附性不同，而且非金属膜层上光刻胶的厚度较大，因此对于不同膜层的光刻胶进行剥离时，对剥离药液的剥离能力要求也不同，剥离能力的下降与其药液中含有的未溶解的光刻胶含量有关。PR胶的含量通常采用紫外-红外光学检测系统。如表3所示：我们通过对比不同膜层剥离设备中剥离液PR含量管控与探索。建立一个可供参考的调整方向。因为8.5代产线已经使用Cold Run药液供给模式即：从后Tank根据判断条件向前Tank供给药液。如此，Tank1（进口）药液PR浓度最高，Tank3(4,出口)药液PR浓度最低。

会议指出，开展代表建议办理工作专项评议是提高代表建议办理质量、增强监督工作实效的一种有效手段，是对相关部门为民办实事的一次集中检验。市政府及有关部门要注重解决实际问题，在巩固已解决问题的基础上，对一些重点建议中还没有解决的问题，要结合制定2019年全市工作计划尽量予以统筹考虑，抓紧时间办理，争取早日销号。要抓好代表建议规范化办理，按时召开建议交办会议和调度督办会议，掌握建议办理进度，及时提出办理要求，做到有部署、有检查。要加强与代表的沟通交流，改善代表建议办理方式，面对面征求代表意见，共同探讨建议办理的路径和方法，着力提高办理质量。

由表3可知，在进行不同膜层的剥离时，由于其粘附性差异，PR含量管控值也不同，高含量的未溶解PR会降低剥离液的玻璃能力，导致PR胶残留或者重新沉积到膜层表面,因此在满足工艺品质需求和成本最低条件下，需要选择合适的PR含量控制条件。也证明非金属层粘附性弱与金属层。

3.4 设备清洁与保养改进

TFT-LCD生产设备的清洁与保养是确保Array生产中最基本的品质保证。涂布机/显影机和剥离设备是最直接接触光刻胶的设备，它们的清洁与保养显得尤为重要。这里我们在这里主要检讨剥离设备的保养与改善措施对PR Remain改善的方法。剥离设备生产过程中需要进行PM，经调查此过程会因为作业人员的不同和作业手法的偏差，导致设备内部的洁净度不同，进而影响到发生点状PR Remain。

通过研究，此过程中制定和优化更加严格的作业手顺，并且增加规范的培训和稽核的力度，都是有助于减少点状PR Remain发生。

我们发现剥离设备剥离药液的喷淋管路中存在偏移，堵塞及液刀分叉的情况，自动清洗管路和液刀时，管路堵塞和分叉无法得到彻底处理；另外，Side Shower、Hole Shower（DI Water）和第一清洗区间回流与滴落易造成光刻胶的残留（回粘）。经过验证观察，不同位置的偏差会导致不同形貌的聚集性PR Remain。Side Shower流量低或者角度偏差，会导致一侧边缘大面积残留。Hole Shower流量低或者喷淋扇面小，通过第二过渡区间时，基板表面黏附剥离液干燥较快以至在水洗区间无法清洗干净。另外，第一水洗区间水刀分叉或者流量过低也会导致水洗不净导致残留，在这个区间容易被忽略的是腔体内气体，由于此区间水洗池内也含有相当含量的PR，在重复喷淋的过程中有重新黏附在基板表面导致大面积PR残留的风险，为第一水洗区间A/K增加Cover可降低该风险。增大从剥离区间至第一清洗区间的传送速度也有利该风险降低，但是会增加碎片风险，不建议采用。如图7所示：易于导致PR Remain的重要机构。

图6 导致PR Remain的重要部件

试验表明，制定定期拆卸清洁产线各喷淋管路，Aqua Knife和Chemical Knife分叉进行刮拭，对堵塞喷嘴进行超声波清洗和更换；长期监控喷淋，A/K，side Shower，C/K和Hole Shower流量；定期清洗第一水洗区间Tank和腔体，尽可能减少Tan3（4）通过剥离基板带到该区间的剥离液(含PR胶)；定期确认Side Shower角度和喷嘴状态。都有助于改善光刻胶残留发生率，增强剥离能力和洁净能力，减少回粘。

3.5 措施导入&改善效果

通过上述增加剥离时间，可以有效降低PR残留，在发生PR Remain时将进行二次工艺，将其剥离干净，将试验成果导入到TFT量产中，将设备维护，日常检查重点与保养方面的成功经验全面展开到量产。如图7，从监控量产品光刻胶残留导致的二次工艺Lot的发生率推移图可见，由调整前的最高1%，到调整后最低的0.08%，虽然我们产能在不断的提升，但是进行二次剥离工艺的Lot发生率并没有反弹迹象。同时，调整设备状态和生产工艺参数后，PR Remain大面积出现的概率也越来越低。释放了剥离工序更多的产能，为设备的产能利用最大化做出贡献。可将剥离机种剥离工序改善光刻胶改善的成功经验平行展开到显影过程中光刻胶残留改善中。

图7 工厂产能与重剥率统计

4 结语

本文基于Array基板生产制造过程中重复次数最多的工序-Wet Stripper发生的光刻胶残留缺陷的异常，阐述了光刻胶残留发生的原理，分析了设备各重要组件和参数的作用和功能，试验证明了增加剥离时间，高速通过剥离与水洗过渡区间，配合技术人员的PM手法和优化剥离设备重要部件的位置，流量参数监控等方法的联合运用，可以有效降低剥离工序发生光刻胶大量残留的发生。最后，将试验成果最终导入量产，因光刻胶残留而导致需要进行二次工艺的Lot比例从最初量产的1%降低到目前的0.08%，为产能的提升，设备产能利用的最大化以及产品品质的提升做出较大贡献。目前已形成从现状分析→高发原因确认→单动测试→验证相关性的方法，形成系统化分析流程，应用范围广，反应速度快，这种处理此类不良的方式将为企业降低大量的LOSS。