ADS產(chǎn)品磁控濺射法制備SD層的膜層黑點(diǎn)

合肥京東方光電科技有限公司 王效坤 房偉華 劉 飛 郭如旺 樸祥秀 劉祖宏

ADS產(chǎn)品SD制程時產(chǎn)生的膜層黑點(diǎn)不良，影響產(chǎn)品良率。本文研究了膜層黑點(diǎn)不良的形成機(jī)理和影響因素，結(jié)果表明：膜層黑點(diǎn)不良是膜層沉積時，底部膜層水氣釋放導(dǎo)致的膜層鼓包；SD層前制程工藝Strip0（1stITO Strip）工序?qū)е碌母稍锊涣迹悄雍邳c(diǎn)產(chǎn)生的根本原因；SD設(shè)備水氣去除能力的差異，導(dǎo)致了成膜機(jī)臺黑點(diǎn)不良發(fā)生率的不同。降低Strip0工序設(shè)備的傳送速度，增加SD成膜前的烘烤溫度，對設(shè)備冷阱保養(yǎng)以加強(qiáng)設(shè)備H2O抽除能力等，可降低膜層黑點(diǎn)不良的發(fā)生，對于發(fā)生率較高的SD#03不良的發(fā)生次數(shù)降低了約90%。對于產(chǎn)生黑點(diǎn)不良的產(chǎn)品，可以通過濕法除膜，重新沉積的方式進(jìn)行改善，以降低損失。

TFT-LCD顯示技術(shù)，按顯示原理可分為TN模式、IPS模式和VA模式，IPS技術(shù)又逐漸衍生出高級超維場轉(zhuǎn)換技術(shù)（Advanced Super Dimension Switch，簡稱ADS技術(shù)）。ADS模式TFT-LCD結(jié)構(gòu)中，common電極和顯示電極不在同一層，處于開態(tài)時同時存在水平電場和垂直電場，驅(qū)動液晶分子在盒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其抵抗外力“按壓”能力強(qiáng)（按壓時液晶分子排列基本不會發(fā)生變化），兼具高透過率，高分辨率，廣視角和低功耗等優(yōu)勢，所占市場份額逐漸增大

在ADS模式TFT側(cè)基板制程中，為了形成common電極和顯示電極，需要分兩次進(jìn)行ITO膜層沉積工序，為便于區(qū)分分別稱為1stITO和2ndITO，如比較常見的為6Mask工藝：Gate (柵極)→ACT→1stITO→SD→PVX→2ndITO。每道Mask工藝需要經(jīng)歷清洗、膜層沉積、Mask（經(jīng)PR涂覆、曝光和顯影等工序形成圖案）、刻蝕（濕法和干法）及Strip（PR膠剝離）工序，依次循環(huán)，直至完成TFT基板制程。在這種模式的ADS產(chǎn)品制程工藝中，一般先進(jìn)行1stITO工序，緊接著進(jìn)行SD工序。一種膜層黑點(diǎn)不良在SD成膜后經(jīng)常發(fā)生，不良多存在于有1stITO膜層的區(qū)域，嚴(yán)重時會對非黑點(diǎn)不良位置的SD膜層產(chǎn)生影響，當(dāng)SD線形成后，1stITO膜層區(qū)域的膜層黑點(diǎn)不良會被刻蝕掉，但同時SD線上會產(chǎn)生Mousebite（SD線上存在類似鼠咬缺口）不良，影響產(chǎn)品良率。

然而，此種膜層黑點(diǎn)不良發(fā)生的偶然性很大，不同設(shè)備間發(fā)生率差異也很明顯。鑒于膜層黑點(diǎn)不良多發(fā)生于1stITO膜層區(qū)域，在SD膜層沉積后出現(xiàn)，將產(chǎn)生工序縮小至1stITO和SD相關(guān)制程工序。為弄清楚膜層黑點(diǎn)產(chǎn)生原因，分別研究1stITO工序和SD工序相關(guān)設(shè)備間匹配性，找出產(chǎn)生膜層黑點(diǎn)不良的影響工序；基于SMD-1800V型磁控濺射成膜設(shè)備長期生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過ULVAC公司的CGM-051型氣體壓力測試設(shè)備分析成膜設(shè)備腔室氣體氛圍，并通過FIB技術(shù)分析膜層黑點(diǎn)形貌，找出膜層黑點(diǎn)不良的產(chǎn)生機(jī)理；通過調(diào)整設(shè)備參數(shù)等方式驗(yàn)證了結(jié)論，并為不良的改善提供了方向，供TFT-LCD行業(yè)的應(yīng)用者參考。

1 黑點(diǎn)不良的現(xiàn)象與特點(diǎn)

1.1 黑點(diǎn)不良的現(xiàn)象

黑點(diǎn)不良最早出現(xiàn)在ADS產(chǎn)品磁控濺射法SD層沉積之后，SD成膜之前未曾發(fā)生。不良呈規(guī)則的圓形結(jié)構(gòu)，基本只分布于有1stITO膜層存在的區(qū)域，且多分布于1stITO Pattern的邊緣區(qū)域，如圖1所示。

圖1 SD Mask后黑點(diǎn)不良圖

在SD工序完成之后，SD線之外的1stITO Pattern上的SD膜層（黑點(diǎn)不良發(fā)生區(qū)域）被刻蝕掉，黑點(diǎn)不良消失。但當(dāng)黑點(diǎn)不良較重時，受其影響，黑點(diǎn)不良附近的SD線上膜層刻蝕后常出現(xiàn)Mousebite不良，線上形成缺口（背光下缺口透光），如圖2所示，會影響信號的加載，影響產(chǎn)品良率。

1.2 黑點(diǎn)不良的特點(diǎn)

（1）黑點(diǎn)不良在玻璃基板上的發(fā)生位置，多發(fā)生在基板短邊或角部位置；

圖2 鼠咬不良圖片

圖3 黑點(diǎn)不良的FIB圖

圖4 3月份10.1" SD#03和不同Strip0設(shè)備黑點(diǎn)發(fā)生統(tǒng)計(jì)圖

（2）黑點(diǎn)不良在SD成膜設(shè)備開腔維護(hù)后復(fù)機(jī)的初期較常見；

（3）不同磁控濺射成膜設(shè)備機(jī)臺之間，發(fā)生率差別明顯。

2 黑點(diǎn)不良的實(shí)質(zhì)

通過聚集離子束（FIB）技術(shù)對SD沉積后的黑點(diǎn)不良進(jìn)行表面形貌分析。圖3(a)為從黑點(diǎn)不良頂部位置取得的FIB電子圖片，可見黑點(diǎn)膜層不良實(shí)際為膜層出現(xiàn)了鼓包。

圖3(b)為黑點(diǎn)不良的FIB剖面圖。從剖面圖可知，黑點(diǎn)不良的實(shí)質(zhì)為SD層和1stITO層之間出現(xiàn)了空洞。對空洞上下層位置進(jìn)行EDS元素分析，除了膜層本身所含有的Al、In、Si等元素外，并沒有發(fā)現(xiàn)特異性元素。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測試在TFT-LCD Array工廠進(jìn)行。由于黑點(diǎn)不良發(fā)生有很大的偶然性，但最早在SD成膜之后發(fā)現(xiàn)，且發(fā)生的位置均在1stITO Pattern位置或其邊緣，推斷不良和SD成膜設(shè)備及1stITO層相關(guān)制程工序和設(shè)備有關(guān)。分別以SD成膜設(shè)備和1stITO層各制程工序機(jī)臺為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不同工序和機(jī)臺之間發(fā)生率間關(guān)系及差異性，找出不良產(chǎn)生的影響工序。如表1所示，為不同SD成膜設(shè)備和1stITO濕法剝離工序（即Strip0工序）各設(shè)備間黑點(diǎn)不良發(fā)生與否的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表1 SD成膜設(shè)備和Strip0設(shè)備間黑點(diǎn)不良發(fā)生情況驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合黑點(diǎn)不良的FIB形貌特征，鎖定產(chǎn)生黑點(diǎn)不良的工序和設(shè)備，并以產(chǎn)生黑點(diǎn)不良的成膜設(shè)備為對象，分析SD成膜過程中數(shù)據(jù)，確定黑點(diǎn)不良的形成原因。本實(shí)驗(yàn)所涉及的成膜設(shè)備為六代線SMD-1800V型磁控濺射成膜設(shè)備。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 影響黑點(diǎn)不良產(chǎn)生的工序分析

黑點(diǎn)不良發(fā)生有很大的偶然性,應(yīng)和生產(chǎn)時的設(shè)備狀態(tài)相關(guān)。比對SD成膜設(shè)備黑點(diǎn)不良發(fā)生率差異性，SD# 03發(fā)生率較高，而SD#01和SD#02則發(fā)生較少，但并非完全不發(fā)生。

圖4所示是3月中旬10.1"（"指英寸）某型號按圖示產(chǎn)品編號順序生產(chǎn)時，SD#03和不同Strip0工序設(shè)備搭配生產(chǎn)時產(chǎn)品黑點(diǎn)不良發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知，SD成膜設(shè)備SD#03和Strip0工序設(shè)備WS#11搭配時，黑點(diǎn)不良均有發(fā)生，黑點(diǎn)不良發(fā)生位置均發(fā)生在玻璃基板大斜角短邊中部固定位置；SD#03和其它Strip0工序設(shè)備搭配時，均無黑點(diǎn)不良發(fā)生。而其它各工序和設(shè)備組合搭配之間均無此明顯傾向，說明膜層黑點(diǎn)不良的產(chǎn)生和SD成膜設(shè)備以及Strip0工序設(shè)備有關(guān)。

圖5所示是1月中旬10.1"和8"某型號按圖示產(chǎn)品編號順序生產(chǎn)時，SD#03和不同Strip0工序設(shè)備搭配生產(chǎn)時產(chǎn)品黑點(diǎn)不良發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知，10.1"生產(chǎn)時，SD成膜設(shè)備SD#03和Strip0工序設(shè)備WS#10搭配時，黑點(diǎn)不良發(fā)生，和其它設(shè)備搭配時無發(fā)生，黑點(diǎn)不良發(fā)生位置位于玻璃基板大斜角位置；而8"型號生產(chǎn)時，SD#03和WS#02搭配時黑點(diǎn)發(fā)生，和其它設(shè)備搭配無黑點(diǎn)不良發(fā)生，不良發(fā)生位置位于玻璃基板的兩個短邊的固定位置。結(jié)合圖4和圖5可知，黑點(diǎn)不良的產(chǎn)生，和Strip0設(shè)備以及SD成膜設(shè)備有關(guān)，發(fā)生位置主要由Strip0設(shè)備決定。

圖5 1月份10.1"和8"型號SD#03和不同Strip0設(shè)備黑點(diǎn)發(fā)生位置變化圖

圖6 5月份5.99" SD#02和不同Strip0設(shè)備黑點(diǎn)發(fā)生發(fā)生匹配圖

圖7 黑點(diǎn)不良發(fā)生情況與腔室H2壓力變化圖

圖6所示是5月底5.99"某型號按圖示產(chǎn)品編號順序生產(chǎn)時，SD#02和不同Strip0工序設(shè)備搭配生產(chǎn)時產(chǎn)品黑點(diǎn)不良發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)圖，和圖4和圖5 SD#03搭配不同Strip0工序設(shè)備黑點(diǎn)不良的產(chǎn)生具有相同的規(guī)律；其它SD成膜設(shè)備（如SD#01）搭配不同Strip0設(shè)備也有同樣規(guī)律出現(xiàn)，但發(fā)生概率較SD#03小。結(jié)合圖4～圖6可以推斷，Strip0設(shè)備是導(dǎo)致黑點(diǎn)不良產(chǎn)生的根本，SD成膜設(shè)備狀態(tài)的差異導(dǎo)致了黑點(diǎn)不良發(fā)生率的不同。

4.2 黑點(diǎn)不良產(chǎn)生的原因分析

以SMD-1800V型磁控濺射成膜設(shè)備為研究對象，通過ULVAC公司的CGM-051型氣體壓力測試設(shè)備分析SD成膜過程中設(shè)備腔室氣體氛圍，分析膜層黑點(diǎn)的產(chǎn)生原因。SD膜層為Mo/Al/Mo結(jié)構(gòu)，厚度一般為15/200/80nm或15/300/80nm。考慮到Al膜厚度較Mo厚，放電時間較Mo膜長，成膜時腔室氛圍較Mo膜受基板載體等外在環(huán)境的干擾小，為方便尋找此細(xì)微差別，故本文選擇以Al膜成膜時腔室內(nèi)氣體氛圍為研究對象。

圖7所示是SD#03 3月中旬開始生產(chǎn)5.7"某型號時，黑點(diǎn)不良產(chǎn)品發(fā)生情況和Al成膜腔室H2分壓的變化趨勢圖，其中產(chǎn)品Strip0工序均來自于同一臺設(shè)備WS#04生產(chǎn)。圖7(a)趨勢圖的橫坐標(biāo)為產(chǎn)品的卡夾編號，圖7(b)為圖(a)初始階段數(shù)據(jù)的細(xì)化圖，其橫坐標(biāo)為基板編號（每個卡夾內(nèi)有基板30張，編號分別為A1～C0，分別代表第1～30張）。從H2壓力變化趨勢圖可知，開始生產(chǎn)初期，H2壓力較低，后逐漸上升；當(dāng)上升至一定程度之后趨于穩(wěn)定，并有輕微降低趨勢。而開始生產(chǎn)5.7"104時，H2壓力處于較低階段，產(chǎn)品并無黑點(diǎn)不良發(fā)生；而當(dāng)生產(chǎn)至5.7"099第3張（5.7"099A3）時，H2增長至約0.01Pa，產(chǎn)品開始出現(xiàn)黑點(diǎn)不良，如圖7(b)所示。

圖8 3月份10.1" SD#03黑點(diǎn)不良發(fā)生情況與H2O和H2壓力對應(yīng)圖

圖9 1月份15.0" SD#03黑點(diǎn)不良發(fā)生情況與H2O和H2壓力對應(yīng)圖

圖10 5月份5.99" SD#02黑點(diǎn)不良發(fā)生情況與H2O和H2壓力對應(yīng)圖

可見，成膜過程中腔室H2的含量有一個從低到高的積累過程，并最終趨于穩(wěn)定到一定數(shù)值。這主要是因?yàn)闅湓氐姆肿恿枯^低，設(shè)備生產(chǎn)時所使用的分子泵對其抽除能力較弱導(dǎo)致。然而，磁控濺射成膜設(shè)備及工藝過程中，并不使用H2及含有氫元素的工藝氣體，推測H2來源為基板本身帶入的H2O。H2O在真空條件成膜過程中會被離子化，電離后的分子接受過多的能量會進(jìn)一步碎裂成較小質(zhì)量的多種碎片離子和中性粒子，H2壓力上升某種程度上是腔室內(nèi)帶入H2O的體現(xiàn)。在生產(chǎn)初期，設(shè)備尚能消散基板帶入的H2O的影響，隨著H2O的增加，設(shè)備無法完全排出基板上的水氣，水氣釋放引起SD膜層的鼓包，產(chǎn)生了黑點(diǎn)不良。

因成膜腔室?guī)в袑2O分子有捕集作用的冷阱，且設(shè)備腔室以及基板傳送載體等本身帶入的H2O不同且不可忽視，單張基板成膜時H2O分壓并無明顯的變化趨勢和規(guī)律。為了消除基板載體等帶入水分差異的影響，采用對每一卡夾產(chǎn)品（30張基板）求平均值的方法，比較黑點(diǎn)不良產(chǎn)品和無黑點(diǎn)不良產(chǎn)品成膜時H2O和H2壓力的差異。

圖8所示是SD03# 3月中旬10.1"某型號產(chǎn)品生產(chǎn)時，產(chǎn)品黑點(diǎn)不良發(fā)生情況（上部X軸Y代表有黑點(diǎn)不良，N代表無黑點(diǎn)不良）與設(shè)備H2O及H2壓力對應(yīng)圖。從圖中可以看出，黑點(diǎn)不良產(chǎn)品生產(chǎn)時，腔室H2O壓力和H2壓力均較無黑點(diǎn)不良產(chǎn)品壓力高，且H2O壓力和H2壓力一定程度上有相同變化趨勢，驗(yàn)證了H2是由成膜過程中腔室H2O離化、碎裂等產(chǎn)生的猜想。

圖9、圖10所示分別為SD#03 1月中旬15.0"某型號以及SD#02 5月底5.99"某型號產(chǎn)品生產(chǎn)時，黑點(diǎn)不良發(fā)生情況與設(shè)備H2O及H2壓力對應(yīng)圖，黑點(diǎn)不良產(chǎn)品生產(chǎn)時H2O和H2壓力也均較無黑點(diǎn)不良產(chǎn)品壓力高。結(jié)合Strip0工序是黑點(diǎn)不良產(chǎn)生的根本的結(jié)論,可以推斷：Strip0工序生產(chǎn)時，基板干燥不充分（或殘留有親水性物質(zhì)，成膜前清洗時和H2O結(jié)合導(dǎo)致干燥不充分）；基板進(jìn)入SD成膜設(shè)備時，設(shè)備無法將基板表面的H2O全部去除，成膜時H2O釋放導(dǎo)致了膜層鼓包，形成了黑點(diǎn)不良。

需要說明的是，產(chǎn)品黑點(diǎn)不良發(fā)生情況與SD成膜時腔室H2O及H2壓力的高低，是相對的。因不同時期、不同設(shè)備及不同產(chǎn)品生產(chǎn)時，設(shè)備本底H2O壓力以及基板載體等本身的H2O含量不同且無法忽略，成膜時腔室H2O壓力達(dá)到多少會產(chǎn)生黑點(diǎn)不良并無定值。當(dāng)膜層黑點(diǎn)不良不是特別嚴(yán)重時，黑點(diǎn)不良產(chǎn)品和無黑點(diǎn)不良產(chǎn)品間H2O及H2壓力相對大小關(guān)系并不十分明顯。這也從另個側(cè)面說明了，基板本身帶入的少量因Strip0工序?qū)е碌奈赐耆稍锏腍2O，才是黑點(diǎn)不良產(chǎn)生的關(guān)鍵，基板載體等本身水氣對黑點(diǎn)不良影響較小。當(dāng)Strip0工序?qū)е碌臍埩鬑2O較多，黑點(diǎn)不良較嚴(yán)重時，基板表面的H2O釋放至真空腔室內(nèi)部，還會影響SD成膜的氛圍，影響黑點(diǎn)不良以外的膜層區(qū)域，導(dǎo)致SD線產(chǎn)生鼠咬不良，影響信號加載。

圖11 濕法除膜對黑點(diǎn)不良改善效果

4.3 發(fā)生黑點(diǎn)不良產(chǎn)品改善方法

當(dāng)發(fā)生膜層黑點(diǎn)不良時，如膜層黑點(diǎn)不良較輕微，1st ITO區(qū)域的黑點(diǎn)不良，SD刻蝕時會被刻蝕掉，并不會對SD線產(chǎn)生較大影響。

當(dāng)產(chǎn)品黑點(diǎn)不良較嚴(yán)重時，如工藝上允許（個別產(chǎn)品設(shè)計(jì)上Gate層和SD層連通，SD層濕法除膜會影響到Gate層），可以將SD膜層通過濕法除膜的方式刻蝕掉，并重新進(jìn)行膜層沉積的方式進(jìn)行改善。圖11所示為6.22"某型號黑點(diǎn)不良濕法除膜重新沉積驗(yàn)證效果，除膜重新沉積之后，黑點(diǎn)不良消失。這是因?yàn)镾D膜層沉積時，設(shè)備高溫環(huán)境以及膜層沉積時的能量，有利于基板表面水氣的釋放；當(dāng)SD膜除膜后重新沉積時，基板表面的水氣已經(jīng)釋放，不會再次產(chǎn)生黑點(diǎn)不良。

4.4 設(shè)備改善措施驗(yàn)證

從以上分析可知，黑點(diǎn)不良產(chǎn)生的根本原因?yàn)镾trip0設(shè)備導(dǎo)致的干燥不良，SD成膜設(shè)備對H2O的抽除能力導(dǎo)致了SD設(shè)備間發(fā)生率的差異性。因此，對于SD磁控濺射成膜設(shè)備，從有利于基板水氣去除等方面采取措施；對于Strip0設(shè)備從有利于改善基板干燥效果及提升異物去除能力的角度采取措施進(jìn)行改善效果驗(yàn)證。驗(yàn)證措施及有效性如表2所示。對于SD成膜設(shè)備，增加成膜前基板預(yù)烘烤溫度，對設(shè)備冷泵進(jìn)行保養(yǎng)等，均可降低黑點(diǎn)不良的發(fā)生頻率，而降低Strip0設(shè)備傳送速度，增加基板的干燥效果及剝離能力，對黑點(diǎn)不良的發(fā)生頻率改善更加明顯。對于黑點(diǎn)不良發(fā)生率較高的SD#03設(shè)備，所有措施導(dǎo)入前后對比，相同時期內(nèi)黑點(diǎn)不良的發(fā)生次數(shù)由9次降低為1次，降低了約90%。

表2 黑點(diǎn)不良改善措施效果驗(yàn)證試驗(yàn)

結(jié)論：本文分析探討了ADS產(chǎn)品SD膜層黑點(diǎn)不良的產(chǎn)生原因、特點(diǎn)和危害，其實(shí)質(zhì)為SD層前制程工藝Strip0工序?qū)е碌母稍锊涣?，在SD成膜時水氣釋放導(dǎo)致的膜層鼓包，嚴(yán)重時，會影響SD腔室成膜氛圍，導(dǎo)致SD線形成類似鼠咬的豁口，影響信號的加載；而SD設(shè)備水氣去除能力的不同導(dǎo)致了發(fā)生率的差異。產(chǎn)品上，黑點(diǎn)不良嚴(yán)重時可通過濕法除膜的方式將SD層去除再次沉積的方式進(jìn)行改善；設(shè)備端，對應(yīng)Strip0設(shè)備，增加其干燥效果及剝離能力是不良改善的關(guān)鍵；對于SD成膜設(shè)備，可以從有利于設(shè)備成膜時基板表面水氣去除的角度采取措施，如增加成膜前的烘烤溫度(80°→120°)和穩(wěn)壓時間(0sec→5sec)，定期對冷泵保養(yǎng)維護(hù)等，對黑點(diǎn)不良進(jìn)行改善。