一種實(shí)用的PECVD腔體檢漏工具設(shè)計(jì)方法

周 梁?,韓大偉,孫泉?dú)J,王丹名,李 華,陳 垚

(成都京東方光電科技有限公司設(shè)備技術(shù)部,四川成都611731)

一種實(shí)用的PECVD腔體檢漏工具設(shè)計(jì)方法

周 梁?,韓大偉,孫泉?dú)J,王丹名,李 華,陳 垚

(成都京東方光電科技有限公司設(shè)備技術(shù)部,四川成都611731)

在TFT-LCD行業(yè),PECVD設(shè)備主要用于Array TFT基板工藝中的氣相沉積;產(chǎn)生的非金屬膜層,為金屬電路提供保護(hù)、開關(guān)作用;在PECVD工藝制程中,腔體設(shè)計(jì)復(fù)雜,反應(yīng)條件苛刻,產(chǎn)生的制程物會(huì)造成產(chǎn)品不良,故需要定期進(jìn)行PM(pre maintenance預(yù)防性維護(hù))。本文以PECVD PM作業(yè)為背景,針對(duì)設(shè)備PM耗時(shí)長的問題,制定了改善方法,并著重介紹了腔體檢漏工具的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)國產(chǎn)化檢漏工具,成功運(yùn)用于量產(chǎn)。通過測(cè)試,檢漏工具3 min內(nèi)達(dá)到10 m T(1 m T＝0.133 Pa),漏率為0.45 m T/min,基本符合設(shè)備Spec.(標(biāo)準(zhǔn))要求。

TFT-LCD;PECVD;腔體檢漏工具;自主設(shè)計(jì)

1 引 言

近年來,隨著液晶面板產(chǎn)業(yè)的興起,TFTLCD產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛,伴隨著智能手機(jī)、PAD、電腦、電視產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,各世代產(chǎn)線的相繼投產(chǎn),業(yè)內(nèi)競爭逐步凸顯,各個(gè)工廠設(shè)備的生產(chǎn)能力、故障率、PM效率都面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)[1-3]。尤其LTPS技術(shù)日趨成熟,復(fù)雜的10～12 Mask工藝,對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性提出了更高的要求,其中PECVD PM最為明顯。目前,TFT-LCD行業(yè)內(nèi)PECVD的PM方式存在PM耗時(shí)長、產(chǎn)能低下、無法應(yīng)對(duì)設(shè)備突發(fā)Down機(jī)等問題,已逐步引起業(yè)內(nèi)重視,雖然國外已提出概念Dummy Cham-ber(檢漏工具),但國內(nèi)尚未進(jìn)行嘗試,更無法用于量產(chǎn),但這種將串行作業(yè)轉(zhuǎn)換為并行作業(yè)的PM方式已被行業(yè)認(rèn)可[4]。

TFT-LCD面板制程中,降低PECVD PM時(shí)間尤為重要,最理想的方式是將PM串行作業(yè)轉(zhuǎn)化成并行作業(yè),需要自主設(shè)計(jì)制作檢漏工具。設(shè)計(jì)過程中牽涉因素眾多,且互相關(guān)聯(lián)。首先,需要針對(duì)PECVD PM作業(yè)進(jìn)行分解(本文以G4.5 45k產(chǎn)能為例),單次PM耗時(shí)約7 d,其中人員參與作業(yè)為3 d,其余是設(shè)備升降溫時(shí)間;其次,根據(jù)設(shè)備參數(shù),選擇真空泵、閥門、真空計(jì)數(shù)系統(tǒng)、鋁材、表面處理方式等等。最終使設(shè)計(jì)的檢漏工具功能最大化。

2 傳統(tǒng)PECVD PM作業(yè)

傳統(tǒng)模式下,工程師結(jié)合設(shè)備保養(yǎng)手冊(cè)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),整理成PECVD PM作業(yè)指導(dǎo)書,根據(jù)設(shè)備使用情況,制定設(shè)備大小PM等級(jí)計(jì)劃,定期據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書按部就班進(jìn)行PM作業(yè)。(這里以的G4.5產(chǎn)能45k)為例,PECVD PM頻次21 次/年,單次耗時(shí)155 h,在Array(陣列)工段耗時(shí)最高。業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的PM方式(如圖1):設(shè)備停機(jī)后,拆解LID(腔體蓋子)和CVD腔體,清潔、更換Parts,組裝LID,最后進(jìn)行檢漏作業(yè),確保漏率在Spec.(規(guī)格)以內(nèi)。測(cè)試無異常后,才能啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。它的優(yōu)勢(shì)是時(shí)間充裕(工作等待多)、出錯(cuò)率低。然而,這種方式不具靈活性,也無法保證設(shè)備PM效率,更無法應(yīng)對(duì)PM作業(yè)中,其它設(shè)備出現(xiàn)的緊急Down機(jī)。

圖1 傳統(tǒng)PM作業(yè)原理圖Fig.1 Image of traditional PM operation

正常情況下,大型PM(排除設(shè)備升降溫時(shí)間)耗時(shí)96 h/次。如果PM過程中,出現(xiàn)備件不足或損壞、檢漏多次返檢、其它設(shè)備突發(fā)Down機(jī)等情況,則耽誤恢復(fù)生產(chǎn),造成產(chǎn)能損失,直接導(dǎo)致公司重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此優(yōu)化PECVD PM,提高設(shè)備稼動(dòng)率已迫在眉睫。

3 理想PECVD PM作業(yè)[5]

通過對(duì)PM作業(yè)分析,整理PM時(shí)序表,將PM細(xì)化到每個(gè)執(zhí)行動(dòng)作。我們發(fā)現(xiàn),如果采用精益生產(chǎn)的快速換模理念,將LID拆裝、Parts更換、組裝、檢漏等項(xiàng)目在設(shè)備停機(jī)前完成(即利用檢漏工具提前完成LID備件的組裝檢漏測(cè)試),設(shè)備停機(jī)后,快速切換,可實(shí)現(xiàn)將內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)化成外部作業(yè)(內(nèi)部作業(yè)指設(shè)備停機(jī)時(shí),PM耗時(shí);外部作業(yè)指設(shè)備運(yùn)行時(shí),PM耗時(shí)),減少PM時(shí)設(shè)備停機(jī)時(shí)間,提升設(shè)備稼動(dòng)率。

若想按此理想方式進(jìn)行PM,需要一套腔體檢漏工具,模擬真空環(huán)境進(jìn)行檢漏作業(yè)[6]。腔體檢漏工具本底真空和漏率要求與PECVD設(shè)備相當(dāng),故需設(shè)計(jì)制作人員了解設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行原理。通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)真空技術(shù)能力、真空檢測(cè)手段,以及機(jī)加工能力發(fā)展迅速,可以滿足設(shè)備制作精度、真空度等多項(xiàng)參數(shù)要求,故考慮聯(lián)合現(xiàn)地廠家自主設(shè)計(jì)制作腔體檢漏工具。

圖2 理想PM作業(yè)原理圖Fig.2 Image of PM ideal operation

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 腔體設(shè)計(jì)

腔體檢漏工具根據(jù)G4.5(730 mm×920 mm)玻璃基板尺寸,通過參與設(shè)備PM現(xiàn)場,對(duì)LID內(nèi)部尺寸進(jìn)行精確測(cè)量,確保與設(shè)備LID尺寸完全吻合。

檢漏工具主要功能是對(duì)LID進(jìn)行檢漏作業(yè),因此要保證自身無漏點(diǎn)。故需慎重考慮O-ring(密封圈)的選型,確保后續(xù)檢漏工具完全密封,不影響其使用,而且便于維護(hù)。

檢漏工具腔體采用了硬度較LID(5083鋁材)略小的5052鋁材,防止其與設(shè)備LID接觸時(shí)造成LID磨損。進(jìn)行了陽極氧化,增強(qiáng)了檢漏工具的硬度及耐磨性;增加了柱銷,便于LID對(duì)位,允許誤差2 mm;設(shè)計(jì)了LID堵孔凸臺(tái)和對(duì)應(yīng)的O-ring(密封圈),降低漏氣的可能性,提高本底真空能力。為了實(shí)現(xiàn)檢漏、抽真空、破真空、真空顯示功能,在腔體底部還進(jìn)行開孔設(shè)計(jì),增加了濾網(wǎng),防止粉塵進(jìn)入泵體,造成堵塞、致?lián)p。

圖3 腔體尺寸實(shí)測(cè)圖Fig.3 Cavity size drawing

4.2 鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校驗(yàn)

腔體的重量約1 t,為支撐腔體,采用了60 mm×60 mm×3 mm型的方鋼焊接制作,根據(jù)受到的應(yīng)力,通過軟件模擬,對(duì)鋼架進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn),鋼架負(fù)載最大為5 t,整體外觀如圖4所示?？紤]到在潔凈間使用檢漏工具,Particle需要嚴(yán)格管控,故在鋼架表面進(jìn)行了噴黑處理,防止掉色、產(chǎn)生Particle(大氣中大于0.3μm的顆粒)。還設(shè)計(jì)了可進(jìn)行切換的腳輪和地腳,便于在產(chǎn)線頻繁進(jìn)行移動(dòng)和固定切換,使用更方便、快捷。

強(qiáng)度驗(yàn)證[7]:

(1)負(fù)載加載:底座設(shè)計(jì)負(fù)載如圖所示,主要收受到向下壓力F,設(shè)計(jì)F1＝2.5×104N,根據(jù)業(yè)內(nèi)安全系數(shù)為2,則總負(fù)載F＝55×104N;

(2)支撐選擇:底座主要工作支撐為4個(gè)地腳,選擇支撐面如圖4所示。

(3)建立模型求解:底座在2.5 t的載荷下最大應(yīng)力為2.99×107Pa≤1.95×108Pa(Q195屈服極限),滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)屬于檢漏工具中最核心的部分,它的設(shè)計(jì)是檢漏工具實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵因素。主要由三通接口、手動(dòng)高真空擋板閥、進(jìn)氣過濾器、手動(dòng)閥、真空泵及電器控制箱組成,整套系統(tǒng)的噪聲為70 dB左右,故不需要增加降噪裝置;由于抽真空過程中,會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)氣體,故在抽真空閥門處增加過濾器,減少雜質(zhì)對(duì)泵體的影響。[8]而且,更換濾芯也比較方便。追加設(shè)計(jì)了電氣控制柜,可以直觀顯示腔體內(nèi)的真空狀態(tài)和漏率,便于實(shí)時(shí)跟進(jìn)檢漏狀態(tài)。系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖5所示。

圖4 鋼架和腳輪強(qiáng)度校核圖Fig.4 Image of steel frame and casters intensity

圖5 真空系統(tǒng)圖Fig.5 Image of vacuum system

4.3.1 Spec.要求

(1)抽氣時(shí)間:t≤3 min;

(2)本底壓力:10 mt T;

(3)真空泵只需要接電,不需要接冷卻水和N2(氮?dú)?,檢漏閥接口型號(hào)采用NW40;

(4)檢漏工具漏率＜1 m T/min;

4.3.2 真空泵選型

主要根據(jù)檢漏工具腔體容積與Spec.要求(時(shí)間要求)來選擇真空泵,其計(jì)算過程如下:

通過測(cè)量,已知,檢漏工具腔體容積為100 L,要求3 min抽到10 mt,真空泵抽速的計(jì)算公式如下[9-10]:

真空抽速＝體積(m3)×Ln[大氣壓(mbar)]×?xí)r間(h)×最終壓強(qiáng)(mbar)＝0.1(m3)×Ln [1013(mbar)]×3/60(hr)×1.333/100(mbar) (1mbar＝100Pa)＝22.5 m3/h

以上計(jì)算出來的是理論抽速,考慮到系統(tǒng)漏氣因素,通常還要乘以安全系數(shù)2以確?？梢栽谥付〞r(shí)間內(nèi)達(dá)到指定的真空度,得到真空泵抽速＝22.5 m3/h×2＝45 m3/h。因此選用萊寶D40C型真空泵(理論抽速40 m3/h)。

表1 真空泵選型表Tab.1 Vacuum pump selection table

4.3.3 閥門選型

Spec.要求本底壓力能達(dá)到10 m T(1.33 Pa),漏率＜1 m T/min,故需要選擇中真空以上的閥門。

進(jìn)口閥門可滿足設(shè)備需求,甚至可以達(dá)到超高真空,但價(jià)格較貴,采購周期較長。相比之下,國產(chǎn)閥門可以達(dá)到中高真空,也能滿足使用要求,價(jià)格便宜,故選擇國產(chǎn)閥門。起初考慮采用自動(dòng)中真空擋板閥,但是自動(dòng)化的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、穩(wěn)定性不夠,且價(jià)格昂貴。因此,考慮采用手動(dòng)閥GDC-J16b和GDC-J40b[11]。

快缷法蘭連接(GB 4982/ISO-KF)

Fast Reiease Fiange Connection(GB 4982/ ISO-KF)

圖6 真空閥門尺寸圖Fig.6 Figure of vacuum valve size

表2 真空閥門參數(shù)表Tab.2 Vacuum valve parameters

4.3.4 真空檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由真空計(jì)與數(shù)顯儀構(gòu)成。根據(jù)設(shè)備壓力要求(1.33 Pa～1 MPa),選擇TR91真空計(jì),對(duì)PECVD腔體內(nèi)部真空進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)考慮到與設(shè)備計(jì)量單位的一致性,將真空計(jì)顯示的單位從mbar變更到mtorr,便于使用時(shí)觀察腔體壓力變化。

真空計(jì)為真空規(guī)管傳感器,考慮到破真空會(huì)對(duì)真空計(jì)示數(shù)形成沖擊,故選用KF16口徑,減少?zèng)_擊保護(hù)真空計(jì)[12]。

真空計(jì)通過KF16接口與PECVD腔體底座連接,通過數(shù)據(jù)線與控制箱連接。檢測(cè)范圍為: 2.8×10－4Torr～750 Torr,大于使用范圍,符合使用要求;真空數(shù)顯儀集成與電器控制箱上,顯示范圍為:3.8×10－9Torr～1 500 Torr,滿足設(shè)備使用的要求范圍。

圖7 控制系統(tǒng)和真空計(jì)Fig.7 Control system and vacuum gauge

5 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2014年1月,制作完成的腔體檢漏儀進(jìn)入測(cè)試階段,實(shí)現(xiàn)了將LID的拆解、清洗、更換、組裝、檢漏等PM作業(yè),從內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)換成外部作業(yè),實(shí)現(xiàn)了快速換模。與2012年相比,PECVD PM時(shí)間從155 h/次,降低到107 h/次,單次PM時(shí)間減少近48 h,每年P(guān)M時(shí)間減少1 008 h,PM效率提升30.9%。經(jīng)過3個(gè)月測(cè)試,PECVD腔體本底壓力3 min可達(dá)到5 m T,漏率檢測(cè)約0.45 m T/min,均達(dá)到Spec.要求,實(shí)現(xiàn)腔體檢漏儀順利導(dǎo)入。

圖8 測(cè)試前后對(duì)比圖Fig.8 Test before and after contrast figure

由上述測(cè)試結(jié)果可知,自主設(shè)計(jì)制作腔體檢漏工具,解決了業(yè)內(nèi)PECVD PM效率低,PM耗時(shí)高、工作強(qiáng)度大等難題,目前已在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣、使用。

6 結(jié) 論

本文主要闡述在TFT-LCD G4.5(年產(chǎn)能45k)產(chǎn)線中,通過增加檢漏工具實(shí)現(xiàn)PECVD PM耗時(shí)降低。著重介紹了PECVD傳統(tǒng)PM作業(yè)的弊端,分析了PM作業(yè)方式不足及改善方向,設(shè)計(jì)了腔體檢漏工具本體。并根據(jù)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行真空系統(tǒng)選型,成功制作完成自主設(shè)計(jì)的腔體檢漏工具,并經(jīng)過多次測(cè)試,都能達(dá)到設(shè)備Spec.要求,最終成功導(dǎo)入量產(chǎn)。

參 考 文 獻(xiàn):

[1] 謝振宇.A-Si TFT用氮化硅薄膜的制備及其性能研究[D].成都:電子科技大學(xué),2007,10:31-33.Xie Z Y.A-Si TFT made with thinfilm of silicon nitride and researched its properties[D].Chengdu:University of electronic Science and Technology,2007,10:31-33.(in Chinese)

[2] 陶濤,蘇輝,謝自力,等.PECVD法氮化硅薄膜生長工藝的研究[J].微納電子技術(shù),2010,19(5):223-228.Tao T,Su H,Xie Z L,et al.The research of growth process technique of Silicon nitride by PECVD[J].Journal of Micro-nano Electronic Technology,2010,19(5):223-228.(in Chinese)

[3] 張曉情,李沛林,王敬松,等.PECVD淀積Si3N4作為光刻掩膜版的保護(hù)膜[J].半導(dǎo)體技術(shù),2009,13:123-127.ZhangX Q,Li P L,Wang J S,et al.Si3N4 deposition by PECVD as the protective film of photolithography mask version[J].Semiconductor technology,2009,13:123-127.(in Chinese)

[4] 翟軍華,蘇通.液晶面板制造業(yè)中制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].液晶與顯示,2014,29(3):60-64.ZHAI J H,Su T.Design and implementation of manufacturing execution system for TFT LCD manufacturing enterprises[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2014,29(3):60-64.(in Chinese)

[5] 王衛(wèi)剛,周炳海.快速換模技術(shù)的實(shí)踐研究[J].機(jī)床與液壓,2007,15(5):235-240.Wang W G,Zhou B H.The practice research of the fast changing mould technology[J].Journal of Machine Tools and Hydraulic,2007,15(5):235-240.(in Chinese)

[6] 姜波.真空檢漏在維修中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造,2006,17(3):323-330.Jiang B.The application of vacuum leak detected in maintenance[J].Journal of Mechanical Manufacturing, 2006,17(4):323-330.(in Chinese)

[7] 唐柱才.沖擊載荷下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)屈曲的數(shù)值研究[D].大連:大連理工大學(xué),2004,16(4):189-192.Tang Z.The dynamic buckling numerical studies of the structure under impact load[D].Dalian:Dalian university of technology,2004,16(4):189-192.(in Chinese)

[8] 劉洋.平板式PECVD設(shè)備布?xì)庀到y(tǒng)的分析和優(yōu)化[D].沈陽:東北大學(xué),2009:64-67.Liu Y.The analysis and optimization for the gas system of the plate type PECVD equipment[D].Shenyang: Northeastern university,2009:64-67.(in Chinese)

[9] 陳素君,楊靜.真空鍍膜設(shè)備真空系統(tǒng)主泵的配置[C].真空工程學(xué)術(shù)交流會(huì),2009,33:156-163.Chen S J,Yang J.The configuration of main pump of vacuum system for vacuum coating equipment[C].Vacuum Engineering Academic Communication,2009,33:156-163.(in Chinese)

[10] 陳素君.真空鍍膜設(shè)備抽氣系統(tǒng)的性能要求及主泵的選擇[D].中國真空學(xué)會(huì)第六屆全國會(huì)員代表大會(huì)暨學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集,2004,13:156-163.Chen S J.The performance requirements of extraction system for vacuum coating equipment and the selection of main pump.[C].Member of Chinese vacuum society the sixth national congress and academic conference paper sets of,2004,13:156-163.(in Chinese)

[11] 閆建云,張俊鋒,李邵亮.介紹一種新型真空閥[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2007,9:117-119.Yan J Y,Zhang J F,Li S L.The introduction of a new type of vacuum valves[J].China Casting Equipment and Technology,2007,9:117-119.(in Chinese)

[12] 陳同沛.新型的真空閥門與真空零部件[J].真空與低溫,1988,18(5):170-173.Chen T P.New types of vacuum valves and components[J].Journal of Vacuum and Low Temperature,1988, 18(5):170-173.(in Chinese)

Practical design method of PECVD cavity check-up tool

ZHOU Liang,HAN David,SUN Quan-qin,WANG Dan-ming,LI Hua,CHEN Yao

(Equipment Technology Department of Chengdu BOE Optoelectronics Technology CO.,LTD, Chengdu 611731,China)

In TFT-LCD industry,PECVD equipment is mainly used for the vapor deposition in the process of Array TFT to produce non-metal film layer,which protects and switches metal circuit.In PECVD process,cavity design is complex and reaction conditions are harsh,the process will lead to bad products,so we need to do pre-maintenance on a regular basis.On the background of PECVD PM,we improved the method and emphatically introduced the cavity check-up leak tool design process because of the time-consuming of PM.We designed a domestic leak detection tool,and applied it into mass producing successfully.Final test results showed that pressure reached to 10 m T in 3 min and the leakage rate is 0.45 m T/min,which accord with the equipment standard.

TFT-LCD;PECVD;cavity check up tools;independent design

TN141

A

10.3788/YJYXS20153005.0813

1007-2780(2015)05-0813-06

周梁(1987－),男,四川達(dá)州人,工程師,主要從事TFT-LCD液晶顯示面板制造行業(yè)的設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)。E-mail:zhouliangcd＠boe.com.cn