一种实用的PECVD腔体检漏工具设计方法

周 梁∗,韩大伟,孙泉钦,王丹名,李 华,陈 垚

(成都京东方光电科技有限公司设备技术部,四川成都611731)

一种实用的PECVD腔体检漏工具设计方法

周 梁∗,韩大伟,孙泉钦,王丹名,李 华,陈 垚

(成都京东方光电科技有限公司设备技术部,四川成都611731)

在TFT-LCD行业,PECVD设备主要用于Array TFT基板工艺中的气相沉积;产生的非金属膜层,为金属电路提供保护、开关作用;在PECVD工艺制程中,腔体设计复杂,反应条件苛刻,产生的制程物会造成产品不良,故需要定期进行PM(pre maintenance预防性维护)。本文以PECVD PM作业为背景,针对设备PM耗时长的问题,制定了改善方法,并着重介绍了腔体检漏工具的设计过程。设计制作了一台国产化检漏工具,成功运用于量产。通过测试,检漏工具3 min内达到10 m T(1 m T＝0.133 Pa),漏率为0.45 m T/min,基本符合设备Spec.(标准)要求。

TFT-LCD;PECVD;腔体检漏工具;自主设计

1 引 言

近年来,随着液晶面板产业的兴起,TFTLCD产品的应用越来越广泛,伴随着智能手机、PAD、电脑、电视产业的迅速发展,各世代产线的相继投产,业内竞争逐步凸显,各个工厂设备的生产能力、故障率、PM效率都面临着严峻考验[1-3]。尤其LTPS技术日趋成熟,复杂的10～12 Mask工艺,对设备的稳定性提出了更高的要求,其中PECVD PM最为明显。目前,TFT-LCD行业内PECVD的PM方式存在PM耗时长、产能低下、无法应对设备突发Down机等问题,已逐步引起业内重视,虽然国外已提出概念Dummy Cham-ber(检漏工具),但国内尚未进行尝试,更无法用于量产,但这种将串行作业转换为并行作业的PM方式已被行业认可[4]。

TFT-LCD面板制程中,降低PECVD PM时间尤为重要,最理想的方式是将PM串行作业转化成并行作业,需要自主设计制作检漏工具。设计过程中牵涉因素众多,且互相关联。首先,需要针对PECVD PM作业进行分解(本文以G4.5 45k产能为例),单次PM耗时约7 d,其中人员参与作业为3 d,其余是设备升降温时间;其次,根据设备参数,选择真空泵、阀门、真空计数系统、铝材、表面处理方式等等。最终使设计的检漏工具功能最大化。

2 传统PECVD PM作业

传统模式下,工程师结合设备保养手册和实际操作经验,整理成PECVD PM作业指导书,根据设备使用情况,制定设备大小PM等级计划,定期据作业指导书按部就班进行PM作业。(这里以的G4.5产能45k)为例,PECVD PM频次21 次/年,单次耗时155 h,在Array(阵列)工段耗时最高。业内传统的PM方式(如图1):设备停机后,拆解LID(腔体盖子)和CVD腔体,清洁、更换Parts,组装LID,最后进行检漏作业,确保漏率在Spec.(规格)以内。测试无异常后,才能启动设备进行生产。它的优势是时间充裕(工作等待多)、出错率低。然而,这种方式不具灵活性,也无法保证设备PM效率,更无法应对PM作业中,其它设备出现的紧急Down机。

图1 传统PM作业原理图Fig.1 Image of traditional PM operation

正常情况下,大型PM(排除设备升降温时间)耗时96 h/次。如果PM过程中,出现备件不足或损坏、检漏多次返检、其它设备突发Down机等情况,则耽误恢复生产,造成产能损失,直接导致公司重大的经济损失。因此优化PECVD PM,提高设备稼动率已迫在眉睫。

3 理想PECVD PM作业[5]

通过对PM作业分析,整理PM时序表,将PM细化到每个执行动作。我们发现,如果采用精益生产的快速换模理念,将LID拆装、Parts更换、组装、检漏等项目在设备停机前完成(即利用检漏工具提前完成LID备件的组装检漏测试),设备停机后,快速切换,可实现将内部作业转化成外部作业(内部作业指设备停机时,PM耗时;外部作业指设备运行时,PM耗时),减少PM时设备停机时间,提升设备稼动率。

若想按此理想方式进行PM,需要一套腔体检漏工具,模拟真空环境进行检漏作业[6]。腔体检漏工具本底真空和漏率要求与PECVD设备相当,故需设计制作人员了解设备参数和运行原理。通过市场调研发现,国内真空技术能力、真空检测手段,以及机加工能力发展迅速,可以满足设备制作精度、真空度等多项参数要求,故考虑联合现地厂家自主设计制作腔体检漏工具。

图2 理想PM作业原理图Fig.2 Image of PM ideal operation

4 机械结构设计

4.1 腔体设计

腔体检漏工具根据G4.5(730 mm×920 mm)玻璃基板尺寸,通过参与设备PM现场,对LID内部尺寸进行精确测量,确保与设备LID尺寸完全吻合。

检漏工具主要功能是对LID进行检漏作业,因此要保证自身无漏点。故需慎重考虑O-ring(密封圈)的选型,确保后续检漏工具完全密封,不影响其使用,而且便于维护。

检漏工具腔体采用了硬度较LID(5083铝材)略小的5052铝材,防止其与设备LID接触时造成LID磨损。进行了阳极氧化,增强了检漏工具的硬度及耐磨性;增加了柱销,便于LID对位,允许误差2 mm;设计了LID堵孔凸台和对应的O-ring(密封圈),降低漏气的可能性,提高本底真空能力。为了实现检漏、抽真空、破真空、真空显示功能,在腔体底部还进行开孔设计,增加了滤网,防止粉尘进入泵体,造成堵塞、致损。

图3 腔体尺寸实测图Fig.3 Cavity size drawing

4.2 钢架结构设计及校验

腔体的重量约1 t,为支撑腔体,采用了60 mm×60 mm×3 mm型的方钢焊接制作,根据受到的应力,通过软件模拟,对钢架进行强度校验,钢架负载最大为5 t,整体外观如图4所示。考虑到在洁净间使用检漏工具,Particle需要严格管控,故在钢架表面进行了喷黑处理,防止掉色、产生Particle(大气中大于0.3μm的颗粒)。还设计了可进行切换的脚轮和地脚,便于在产线频繁进行移动和固定切换,使用更方便、快捷。

强度验证[7]:

(1)负载加载:底座设计负载如图所示,主要收受到向下压力F,设计F1＝2.5×104N,根据业内安全系数为2,则总负载F＝55×104N;

(2)支撑选择:底座主要工作支撑为4个地脚,选择支撑面如图4所示。

(3)建立模型求解:底座在2.5 t的载荷下最大应力为2.99×107Pa≤1.95×108Pa(Q195屈服极限),满足设计要求。

4.3 真空系统设计

真空系统属于检漏工具中最核心的部分,它的设计是检漏工具实现功能的关键因素。主要由三通接口、手动高真空挡板阀、进气过滤器、手动阀、真空泵及电器控制箱组成,整套系统的噪声为70 dB左右,故不需要增加降噪装置;由于抽真空过程中,会产生杂质气体,故在抽真空阀门处增加过滤器,减少杂质对泵体的影响。[8]而且,更换滤芯也比较方便。追加设计了电气控制柜,可以直观显示腔体内的真空状态和漏率,便于实时跟进检漏状态。系统的整体构成如图5所示。

图4 钢架和脚轮强度校核图Fig.4 Image of steel frame and casters intensity

图5 真空系统图Fig.5 Image of vacuum system

4.3.1 Spec.要求

(1)抽气时间:t≤3 min;

(2)本底压力:10 mt T;

(3)真空泵只需要接电,不需要接冷却水和N2(氮气),检漏阀接口型号采用NW40;

(4)检漏工具漏率＜1 m T/min;

4.3.2 真空泵选型

主要根据检漏工具腔体容积与Spec.要求(时间要求)来选择真空泵,其计算过程如下:

通过测量,已知,检漏工具腔体容积为100 L,要求3 min抽到10 mt,真空泵抽速的计算公式如下[9-10]:

真空抽速＝体积(m3)×Ln[大气压(mbar)]×时间(h)×最终压强(mbar)＝0.1(m3)×Ln [1013(mbar)]×3/60(hr)×1.333/100(mbar) (1mbar＝100Pa)＝22.5 m3/h

以上计算出来的是理论抽速,考虑到系统漏气因素,通常还要乘以安全系数2以确保可以在指定时间内达到指定的真空度,得到真空泵抽速＝22.5 m3/h×2＝45 m3/h。因此选用莱宝D40C型真空泵(理论抽速40 m3/h)。

表1 真空泵选型表Tab.1 Vacuum pump selection table

4.3.3 阀门选型

Spec.要求本底压力能达到10 m T(1.33 Pa),漏率＜1 m T/min,故需要选择中真空以上的阀门。

进口阀门可满足设备需求,甚至可以达到超高真空,但价格较贵,采购周期较长。相比之下,国产阀门可以达到中高真空,也能满足使用要求,价格便宜,故选择国产阀门。起初考虑采用自动中真空挡板阀,但是自动化的设计较为复杂、稳定性不够,且价格昂贵。因此,考虑采用手动阀GDC-J16b和GDC-J40b[11]。

快缷法兰连接(GB 4982/ISO-KF)

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

图6 真空阀门尺寸图Fig.6 Figure of vacuum valve size

表2 真空阀门参数表Tab.2 Vacuum valve parameters

4.3.4 真空检测系统设计

检测系统主要由真空计与数显仪构成。根据设备压力要求(1.33 Pa～1 MPa),选择TR91真空计,对PECVD腔体内部真空进行实时监控。同时考虑到与设备计量单位的一致性,将真空计显示的单位从mbar变更到mtorr,便于使用时观察腔体压力变化。

真空计为真空规管传感器,考虑到破真空会对真空计示数形成冲击,故选用KF16口径,减少冲击保护真空计[12]。

真空计通过KF16接口与PECVD腔体底座连接,通过数据线与控制箱连接。检测范围为: 2.8×10－4Torr～750 Torr,大于使用范围,符合使用要求;真空数显仪集成与电器控制箱上,显示范围为:3.8×10－9Torr～1 500 Torr,满足设备使用的要求范围。

图7 控制系统和真空计Fig.7 Control system and vacuum gauge

5 测量实验与结果

2014年1月,制作完成的腔体检漏仪进入测试阶段,实现了将LID的拆解、清洗、更换、组装、检漏等PM作业,从内部作业转换成外部作业,实现了快速换模。与2012年相比,PECVD PM时间从155 h/次,降低到107 h/次,单次PM时间减少近48 h,每年PM时间减少1 008 h,PM效率提升30.9%。经过3个月测试,PECVD腔体本底压力3 min可达到5 m T,漏率检测约0.45 m T/min,均达到Spec.要求,实现腔体检漏仪顺利导入。

图8 测试前后对比图Fig.8 Test before and after contrast figure

由上述测试结果可知,自主设计制作腔体检漏工具,解决了业内PECVD PM效率低,PM耗时高、工作强度大等难题,目前已在行业内进行推广、使用。

6 结 论

本文主要阐述在TFT-LCD G4.5(年产能45k)产线中,通过增加检漏工具实现PECVD PM耗时降低。着重介绍了PECVD传统PM作业的弊端,分析了PM作业方式不足及改善方向,设计了腔体检漏工具本体。并根据设备参数进行真空系统选型,成功制作完成自主设计的腔体检漏工具,并经过多次测试,都能达到设备Spec.要求,最终成功导入量产。

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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,四川达州人,工程师,主要从事TFT-LCD液晶显示面板制造行业的设备维护、保养。E-mail:zhouliangcd＠boe.com.cn