激光修補技術(shù)在修復(fù)薄膜圖形缺陷上的應(yīng)用——薄膜圖形缺陷激光修補機

萬承華，宋體涵

(深圳清溢光電股份有限公司，廣東 深圳518000)

薄膜圖形缺陷激光修（ZAP）/ 補（CVD）技術(shù)廣泛應(yīng)用于平板顯示（FPD）和半導(dǎo)體（IC）行業(yè)，尤其是在其前端的掩模版和面板的生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品會產(chǎn)生細(xì)微線路短路或者斷路的情況，我們將短路的情況稱“黑缺陷”（暗點缺陷），斷路的情況稱“白缺陷”（亮點缺陷），而這兩種缺陷都是制約產(chǎn)品良品率的關(guān)鍵。為提高良品率，降低生產(chǎn)成本，就必須對黑缺陷進(jìn)行去除，對白缺陷進(jìn)行補缺。薄膜圖形缺陷激光修補機正是為修補掩模版或面板基板上的薄膜圖形缺陷而專門研制的高精密度設(shè)備。

激光修（ZAP）的技術(shù)是應(yīng)用激光能量將掩模版或面板薄膜圖形中的黑缺陷去除；激光補（CVD）的技術(shù)是應(yīng)用激光能量將羰基金屬材料的羰基鍵打斷產(chǎn)生金屬離子態(tài)，并將其沉積在掩模版或面板基板上薄膜圖形有白缺陷的地方。而在白缺陷修補過程中最關(guān)鍵的是沉積在掩模版或面板上的薄膜要達(dá)到一定的厚度、寬度、黏附性、導(dǎo)電率等技術(shù)參數(shù)。

該設(shè)備在掩模版制造和平板顯示產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的總體發(fā)展趨勢，將是朝著高精密度、在線式、多功能、大尺寸方向發(fā)展。

1 激光去除與激光化學(xué)氣相沉積的原理與方法

1.1 激光去除原理與方法

激光去除（ZAP）是用激光束切斷薄膜中短路或多余的圖形線路，即利用激光束將掩模版或面板薄膜圖形上的黑缺陷去除。亦是基板上的薄膜圖形材料在激光作用下氣化分解（通常情況下激光波長越短，脈沖寬度越窄，峰值功率越高，去除效果越好）。這種方法叫Zap Repair 或Laser Repair。

激光去除基本原理示意圖見圖1 所示。

1.2 激光化學(xué)氣相沉積原理與方法

激光化學(xué)氣相沉積修補是將固態(tài)羰基金屬材料氣化后，在激光的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得金屬物質(zhì)沉積在基片表面的斷路線路上。即是將通過Slit 整形的激光聚焦成一定形狀的微光束定域加熱基片，啟動并維持CVD 過程，在沉積過程中通過移動基片或激光束，將固體結(jié)構(gòu)的金屬物質(zhì)以高分辨率沉積。這種方法叫Deposition Repair 或Laser CVD Repair。

圖1 激光去除基本原理示意圖

激光氣相化學(xué)沉積基本原理圖，見圖2 所示。

圖2 激光氣相化學(xué)沉積基本原理圖

激光氣相化學(xué)反應(yīng)方程式以鉻為例：

羰基鉻分子結(jié)構(gòu)示意圖見圖3 所示。

圖3 羰基鉻分子結(jié)構(gòu)示意圖

2 影響薄膜圖形缺陷修補質(zhì)量與效率的關(guān)鍵技術(shù)

影響薄膜圖形缺陷修補質(zhì)量與效率的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括激光修補光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用技術(shù)、反應(yīng)腔的氣流均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、氣路系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)。

2.1 激光修補光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用

（1）在修（ZAP）的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)中，主要是運用激光分層去除技術(shù)，通過控制激光能量有效清除基板表面薄膜圖形中多余的材料，并且對玻璃基板及其表面上的薄膜圖形均無損傷。

圖4 是一組通過在玻璃基板上對鉻膜圖形進(jìn)行修（ZAP）的工藝測試對比圖，影響薄膜圖形缺陷修（ZAP）的質(zhì)量與效率的關(guān)鍵因素是通過激光能量的調(diào)整，使圖形修（ZAP）的結(jié)果既無殘余鉻，又不損傷玻璃。

（2）在補（CVD）的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)中，關(guān)鍵是通過控制激光參數(shù)，并將通過Slit 整形的激光聚焦成一定形狀的微光束定域加熱基片，同時完成激光氣相化學(xué)反應(yīng)——打斷羰基鍵，使固體結(jié)構(gòu)的金屬物質(zhì)以高分辨率沉積，并不傷害玻璃基板及其表面上的薄膜圖形。

圖5 是一組通過在玻璃基板上對鉻膜圖形進(jìn)行補（CVD）鉻的工藝測試對比圖，以反映影響薄膜圖形缺陷補（CVD）的質(zhì)量與效率的關(guān)鍵因素。

（1）沉積均勻性的影響因素。在玻璃基板上進(jìn)行補（CVD）鉻的沉積均勻性，主要取決于激光的均勻性和反應(yīng)腔內(nèi)氣流與氣相羰基鉻分布的均勻性。激光的均勻性可以通過調(diào)整激光光斑相對均勻的部分來解決，反應(yīng)腔內(nèi)氣流與氣態(tài)羰基鉻分布的均勻性則是通過反應(yīng)腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)節(jié)氣流及其溫度的穩(wěn)定性保證。

（2）沉積厚度的影響因素。在玻璃基板上補（CVD）鉻的沉積厚度，主要取決于激光強度及氣態(tài)羰基鉻濃度。激光強度可通過激光器泵浦電流或衰減器進(jìn)行調(diào)整，氣態(tài)羰基鉻濃度主要是通過對混合器的加熱溫度及氣體的壓力/ 流量/ 溫度進(jìn)行調(diào)整。沉積厚度如果過薄會導(dǎo)致圖形透光，過厚會導(dǎo)致沉積膜在玻璃基板上的粘附力差、且易開裂與脫落，見圖6 所示。

圖4 對鉻膜圖形修（ZAP）的工藝測試對比

圖5 對鉻膜圖形補鉻的工藝測試對比

因此，影響薄膜圖形缺陷補（CVD）的質(zhì)量與效率的關(guān)鍵因素，除了激光強度，還需結(jié)合反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)與氣流、溫度的均衡控制。

圖6 沉積厚度的影響對比

2.2 反應(yīng)腔氣流均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計

該采取了一種超薄型帶有窗口片保護(hù)氣路的反應(yīng)腔，包括基座和透明窗口片，基座設(shè)有反應(yīng)孔、窗口片、噴嘴部件及反應(yīng)氣體分配環(huán)。噴嘴部件設(shè)有反應(yīng)氣噴口，反應(yīng)氣體分配環(huán)設(shè)有環(huán)形氣道。由于反應(yīng)氣體通過各凹槽的分配，氣流得到穩(wěn)定均衡噴覆。窗口片及其保護(hù)氣路，能有效避免反應(yīng)腔的窗口易受CVD 反應(yīng)過程中產(chǎn)生的沉積物污染的問題。

2.3 氣路系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

在氣路系統(tǒng)中主要包含反應(yīng)氣體和保護(hù)用惰性氣體的穩(wěn)定輸送，以及反應(yīng)腔、混合器及氣路輸送系統(tǒng)的溫度控制技術(shù)。

總之，化學(xué)氣相沉積在激光的作用下，通過對反應(yīng)腔與混合器及各氣路的控制，具體地說就是通過控制氣路輸送系統(tǒng)與反應(yīng)腔內(nèi)工作氣體（氣態(tài)羰基鉻+氬氣）的壓力、流量、溫度、濃度與穩(wěn)定性，才能有效保持成膜區(qū)內(nèi)膜厚的均勻性與膜層的均一性，減少成膜‘拖尾’現(xiàn)象，保證成膜質(zhì)量與效率。

下面幾組圖片是反應(yīng)腔內(nèi)混合氣體流動狀態(tài)及熱交換模擬分析、反應(yīng)腔局部截面工作氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度模擬分析、補5 μm 寬斜斷線的實際成膜顯微照片。

（1）圖7 是反應(yīng)腔局部截面工作氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度模擬分析圖。

（2）圖8 是補（LCVD）5 μm 寬斜向斷線的實際成膜顯微照片。

（3）行動要實。適合自己的行動是最好的。在工作策劃變成實際行動上，我們采取了“立足市情抓持色，注重實效搞創(chuàng)新”的工作措施，實實在在地打造出“讓市委放心、老干部滿意”的工作風(fēng)景。

圖7 反應(yīng)腔局部截面工作氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度模擬分析圖

圖8 補5 μm 寬斜向斷線的實際成膜顯微照片

3 系統(tǒng)構(gòu)成及其技術(shù)與性能指標(biāo)

薄膜圖形缺陷激光修補機主要由大尺寸高精度x、y 平臺及其傳遞系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、氣路與氣相化學(xué)反應(yīng)控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等部分組成，見圖9 所示。

圖9 設(shè)備總體示意圖

3.1 大尺寸高精度x、y 平臺及其傳動系統(tǒng)

（1）采用花崗巖材質(zhì)的平臺與導(dǎo)軌，配以空氣軸承替代傳統(tǒng)的接觸式軸承，是實現(xiàn)大尺寸平臺快速平穩(wěn)運動與高精度定位的基礎(chǔ)。

（2）平臺采用摩擦桿傳動系統(tǒng)，即x、y 驅(qū)動方式采用伺服電機和摩擦驅(qū)動（UHING）組合，即具剛性強、導(dǎo)程穩(wěn)、又具過載保護(hù)等特性，可有效提高運動精度及安全性。

3.2 光學(xué)系統(tǒng)

3.2.1 激光修補光學(xué)系統(tǒng)

激光修補光學(xué)系統(tǒng)，使用兩臺激光器分別用于修（ZAP）與補（CVD）的激光光源。兩臺激光器激光出口后都依次設(shè)置了Shutter、激光反射鏡、擴束鏡、激光衰減器。經(jīng)衰減和擴束后的激光束分別依次由若干反射鏡傳輸?shù)脚cX 軸導(dǎo)軌平行方向，與x 向?qū)к壠叫胁糠帧?/p>

修（ZAP）支路由若干反射鏡轉(zhuǎn)折入射到反射鏡，反射轉(zhuǎn)折90°穿過SLIT 機構(gòu)的開口，再經(jīng)過NUV 顯微鏡和NUV 物鏡聚焦到基版表面待修薄膜圖形缺陷上。

補（CVD）支路由若干反射鏡轉(zhuǎn)折，并入射反射鏡轉(zhuǎn)折90°穿過SLIT 機構(gòu)的開口，再經(jīng)過NUV 顯微鏡和NUV 物鏡聚焦到基版表面待補薄膜圖形缺陷上。反射鏡可通過控制其平移，切換光路位置。

3.2.2 SLIT 照明系統(tǒng)

3.2.3 圖像系統(tǒng)

圖像系統(tǒng)使用顯微鏡筒與黑白CCD 攝像機。NUV 顯微鏡是用于定位缺陷和聚焦修補激光。

另外，用于修補光路的兩激光器都設(shè)置離線式激光脈沖能量探測器。CVD 光路由反射鏡平移到顯微鏡與Slit 組之間，轉(zhuǎn)折Slit 組出射激光90°后引入能量探頭。ZAP 光路中，由另一個可通過控制移動的能量探頭移入移出光路進(jìn)行測量。

3.3 氣路與氣相化學(xué)反應(yīng)控制系統(tǒng)

氣路與氣相化學(xué)反應(yīng)控制系統(tǒng)，主要是由惰性氣體輸送控制系統(tǒng)、羰基金屬化合物與惰性氣體混合器、溫度控制系統(tǒng)、激光氣相化學(xué)反應(yīng)腔、廢氣回收系統(tǒng)等組成。

3.4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)，主要由供電控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、數(shù)模轉(zhuǎn)化和I/O 控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、激光器與光源控制系統(tǒng)等部分組成。

（1）供電控制系統(tǒng)中工控機是整個設(shè)備的控制核心，所有的控制、用戶操作、文件管理與顯示均由工控機來完成。

（2）運動控制系統(tǒng)采用具有國際先進(jìn)水平的運動控制卡與光柵尺，實現(xiàn)對XY 軸全閉環(huán)控制，亦使得運動控制系統(tǒng)具有高精密度、高穩(wěn)定性，以及較強的抗干擾能力，有效保證了平臺定位精度和重復(fù)定位精度。

（3）圖像采集系統(tǒng)，采用基于PCI 總線的高性能視頻采集卡，可進(jìn)行高質(zhì)量彩色/ 黑白圖像的實時采集。

（4）轉(zhuǎn)化和I/O 控制系統(tǒng)，除了有效利用運動控制卡本身自帶的I/O 外，還采用獨立的抗干擾能力強的遠(yuǎn)程I/O 模塊。

（5）溫度控制系統(tǒng)，是由獨立的多路溫控器、固態(tài)繼電器和熱電偶組成，具有8 路通道的溫度設(shè)定、報警設(shè)定、自動PID 調(diào)節(jié)功能，同時可支持通信功能和斷線報警功能等。各路均可實現(xiàn)單獨溫度控制，互不干擾。

（6）激光器和光源控制系統(tǒng)，是由兩臺激光器和反射光源、透射光源、slit 照明組成，均采用UPS電源供電有效保證了激光器的穩(wěn)定性。

3.5 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)完全架構(gòu)在基于開源的Redhat Linux6 ES 操作系統(tǒng)平臺下，具有源代碼公開，系統(tǒng)升級、軟件移植方便、性能穩(wěn)定可靠等特性；其跨平臺設(shè)計可以使軟件在短時間內(nèi)修改成其它Unix 類操作系統(tǒng)平臺，甚至是Windows平臺下。

在設(shè)備的軟件控制與圖像處理設(shè)計上進(jìn)行了多方面的創(chuàng)新與應(yīng)用，如模塊化的運動驅(qū)動接口，可以靈活調(diào)用眾多不同的硬件子系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)還增加了一系列的功能：平臺屏幕指揮點動控制運動功能、Sliter 屏幕標(biāo)記控制運動功能、運動位置記錄和重定位功能、新的Log 記錄/ 跟蹤和管理功能、流程宏編輯定義和播放功能。修補處方數(shù)據(jù)存儲和管理、新的系統(tǒng)化和板卡指令初始化流程、自動拍照系統(tǒng)（在激光觸發(fā)和CVD 過程前、中、后自動拍照和標(biāo)記）等功能。

設(shè)備的自主創(chuàng)新體現(xiàn)在關(guān)鍵元器件的原創(chuàng)性，清溢公司所研制的薄膜圖形缺陷激光修補機，在設(shè)備功能與結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了大膽的技術(shù)創(chuàng)新，以期在核心技術(shù)上超越國外競爭對手，并在幾個相關(guān)領(lǐng)域上另辟蹊徑，繞過競爭對手的專利壁壘，建立自己的專利城堡。

通過核心技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，該設(shè)備目前在應(yīng)用激光修（ZAP）/ 補（CVD）技術(shù)修補薄膜圖形缺陷的水平已達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：

適用基板尺寸：

Max：1300 mm×1500 mm×15 mm

Min：127 mm×127 mm×3 mm

激光點尺寸：

補（Repair）為3～50 μm

修（Ablation）為2～50 μm

修補精度：

補（Repair）為0.45 μm

修（Ablation）為0.2 μm

修補效率（□20 μm）：

補（Repair）為30 s/point

修（Ablation）為16 s/point

激光修補厚度（Coating）：

補（Repair）為≤1 μm

4 結(jié)束語

薄膜圖形缺陷激光修補機是平板顯示產(chǎn)業(yè)不可或缺的核心配套設(shè)備，對于FPD 產(chǎn)業(yè)具有關(guān)鍵的支撐作用，是目前國內(nèi)平板顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。作為平板顯示器件生產(chǎn)專用設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)，薄膜圖形缺陷激光修補機的國產(chǎn)化，不僅有利于完善我國平板顯示器件生產(chǎn)專用設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈，填補國內(nèi)空白，打破海外壟斷，還有利于國內(nèi)面板廠商降低產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本，提高運營速度和效益，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)進(jìn)步，提升國家在平板顯示的基礎(chǔ)研究、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)資源整合等各方面的能力。同時，能夠培養(yǎng)高精密設(shè)備產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、開發(fā)及管理人才，并將帶動外部配套工業(yè)的發(fā)展，有利于推進(jìn)平板顯示產(chǎn)業(yè)和專用精密設(shè)備產(chǎn)業(yè)上、下游的緊密聯(lián)系，更利于完善我國平板顯示產(chǎn)業(yè)和專用設(shè)備產(chǎn)業(yè)。

[1] 清溢公司. 一種顯微鏡透射照明系統(tǒng)[P]. 中國專利：200810068160.4.

[2] 清溢公司. 一種光斑指示系統(tǒng)[P]. 中國專利：200820212003.1.

[3] 清溢公司. 一種激光共聚焦顯微系統(tǒng)[P]. 中國專利：200810068031.5.

[4] 清溢公司. 一種超薄反應(yīng)腔[P]. 中國專利：201510013868.X.