一種實用的PECVD腔體檢漏工具設計方法

周 梁?,韓大偉,孫泉欽,王丹名,李 華,陳 垚

(成都京東方光電科技有限公司設備技術部,四川成都611731)

一種實用的PECVD腔體檢漏工具設計方法

周 梁?,韓大偉,孫泉欽,王丹名,李 華,陳 垚

(成都京東方光電科技有限公司設備技術部,四川成都611731)

在TFT-LCD行業,PECVD設備主要用于Array TFT基板工藝中的氣相沉積;產生的非金屬膜層,為金屬電路提供保護、開關作用;在PECVD工藝制程中,腔體設計復雜,反應條件苛刻,產生的制程物會造成產品不良,故需要定期進行PM(pre maintenance預防性維護)。本文以PECVD PM作業為背景,針對設備PM耗時長的問題,制定了改善方法,并著重介紹了腔體檢漏工具的設計過程。設計制作了一臺國產化檢漏工具,成功運用于量產。通過測試,檢漏工具3 min內達到10 m T(1 m T＝0.133 Pa),漏率為0.45 m T/min,基本符合設備Spec.(標準)要求。

TFT-LCD;PECVD;腔體檢漏工具;自主設計

1 引 言

近年來,隨著液晶面板產業的興起,TFTLCD產品的應用越來越廣泛,伴隨著智能手機、PAD、電腦、電視產業的迅速發展,各世代產線的相繼投產,業內競爭逐步凸顯,各個工廠設備的生產能力、故障率、PM效率都面臨著嚴峻考驗[1-3]。尤其LTPS技術日趨成熟,復雜的10～12 Mask工藝,對設備的穩定性提出了更高的要求,其中PECVD PM最為明顯。目前,TFT-LCD行業內PECVD的PM方式存在PM耗時長、產能低下、無法應對設備突發Down機等問題,已逐步引起業內重視,雖然國外已提出概念Dummy Cham-ber(檢漏工具),但國內尚未進行嘗試,更無法用于量產,但這種將串行作業轉換為并行作業的PM方式已被行業認可[4]。

TFT-LCD面板制程中,降低PECVD PM時間尤為重要,最理想的方式是將PM串行作業轉化成并行作業,需要自主設計制作檢漏工具。設計過程中牽涉因素眾多,且互相關聯。首先,需要針對PECVD PM作業進行分解(本文以G4.5 45k產能為例),單次PM耗時約7 d,其中人員參與作業為3 d,其余是設備升降溫時間;其次,根據設備參數,選擇真空泵、閥門、真空計數系統、鋁材、表面處理方式等等。最終使設計的檢漏工具功能最大化。

2 傳統PECVD PM作業

傳統模式下,工程師結合設備保養手冊和實際操作經驗,整理成PECVD PM作業指導書,根據設備使用情況,制定設備大小PM等級計劃,定期據作業指導書按部就班進行PM作業。(這里以的G4.5產能45k)為例,PECVD PM頻次21 次/年,單次耗時155 h,在Array(陣列)工段耗時最高。業內傳統的PM方式(如圖1):設備停機后,拆解LID(腔體蓋子)和CVD腔體,清潔、更換Parts,組裝LID,最后進行檢漏作業,確保漏率在Spec.(規格)以內。測試無異常后,才能啟動設備進行生產。它的優勢是時間充裕(工作等待多)、出錯率低。然而,這種方式不具靈活性,也無法保證設備PM效率,更無法應對PM作業中,其它設備出現的緊急Down機。

圖1 傳統PM作業原理圖Fig.1 Image of traditional PM operation

正常情況下,大型PM(排除設備升降溫時間)耗時96 h/次。如果PM過程中,出現備件不足或損壞、檢漏多次返檢、其它設備突發Down機等情況,則耽誤恢復生產,造成產能損失,直接導致公司重大的經濟損失。因此優化PECVD PM,提高設備稼動率已迫在眉睫。

3 理想PECVD PM作業[5]

通過對PM作業分析,整理PM時序表,將PM細化到每個執行動作。我們發現,如果采用精益生產的快速換模理念,將LID拆裝、Parts更換、組裝、檢漏等項目在設備停機前完成(即利用檢漏工具提前完成LID備件的組裝檢漏測試),設備停機后,快速切換,可實現將內部作業轉化成外部作業(內部作業指設備停機時,PM耗時;外部作業指設備運行時,PM耗時),減少PM時設備停機時間,提升設備稼動率。

若想按此理想方式進行PM,需要一套腔體檢漏工具,模擬真空環境進行檢漏作業[6]。腔體檢漏工具本底真空和漏率要求與PECVD設備相當,故需設計制作人員了解設備參數和運行原理。通過市場調研發現,國內真空技術能力、真空檢測手段,以及機加工能力發展迅速,可以滿足設備制作精度、真空度等多項參數要求,故考慮聯合現地廠家自主設計制作腔體檢漏工具。

圖2 理想PM作業原理圖Fig.2 Image of PM ideal operation

4 機械結構設計

4.1 腔體設計

腔體檢漏工具根據G4.5(730 mm×920 mm)玻璃基板尺寸,通過參與設備PM現場,對LID內部尺寸進行精確測量,確保與設備LID尺寸完全吻合。

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

檢漏工具腔體采用了硬度較LID(5083鋁材)略小的5052鋁材,防止其與設備LID接觸時造成LID磨損。進行了陽極氧化,增強了檢漏工具的硬度及耐磨性;增加了柱銷,便于LID對位,允許誤差2 mm;設計了LID堵孔凸臺和對應的O-ring(密封圈),降低漏氣的可能性,提高本底真空能力。為了實現檢漏、抽真空、破真空、真空顯示功能,在腔體底部還進行開孔設計,增加了濾網,防止粉塵進入泵體,造成堵塞、致損。

圖3 腔體尺寸實測圖Fig.3 Cavity size drawing

4.2 鋼架結構設計及校驗

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,根據受到的應力,通過軟件模擬,對鋼架進行強度校驗,鋼架負載最大為5 t,整體外觀如圖4所示。考慮到在潔凈間使用檢漏工具,Particle需要嚴格管控,故在鋼架表面進行了噴黑處理,防止掉色、產生Particle(大氣中大于0.3μm的顆粒)。還設計了可進行切換的腳輪和地腳,便于在產線頻繁進行移動和固定切換,使用更方便、快捷。

強度驗證[7]:

(1)負載加載:底座設計負載如圖所示,主要收受到向下壓力F,設計F1＝2.5×104N,根據業內安全系數為2,則總負載F＝55×104N;

(2)支撐選擇:底座主要工作支撐為4個地腳,選擇支撐面如圖4所示。

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

4.3 真空系統設計

真空系統屬于檢漏工具中最核心的部分,它的設計是檢漏工具實現功能的關鍵因素。主要由三通接口、手動高真空擋板閥、進氣過濾器、手動閥、真空泵及電器控制箱組成,整套系統的噪聲為70 dB左右,故不需要增加降噪裝置;由于抽真空過程中,會產生雜質氣體,故在抽真空閥門處增加過濾器,減少雜質對泵體的影響。[8]而且,更換濾芯也比較方便。追加設計了電氣控制柜,可以直觀顯示腔體內的真空狀態和漏率,便于實時跟進檢漏狀態。系統的整體構成如圖5所示。

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

圖5 真空系統圖Fig.5 Image of vacuum system

4.3.1 Spec.要求

(1)抽氣時間: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(氮氣),檢漏閥接口型號采用NW40;

(4)檢漏工具漏率＜1 m T/min;

4.3.2 真空泵選型

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

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

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

以上計算出來的是理論抽速,考慮到系統漏氣因素,通常還要乘以安全系數2以確保可以在指定時間內達到指定的真空度,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。

進口閥門可滿足設備需求,甚至可以達到超高真空,但價格較貴,采購周期較長。相比之下,國產閥門可以達到中高真空,也能滿足使用要求,價格便宜,故選擇國產閥門。起初考慮采用自動中真空擋板閥,但是自動化的設計較為復雜、穩定性不夠,且價格昂貴。因此,考慮采用手動閥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 真空閥門參數表Tab.2 Vacuum valve parameters

4.3.4 真空檢測系統設計

檢測系統主要由真空計與數顯儀構成。根據設備壓力要求(1.33 Pa～1 MPa),選擇TR91真空計,對PECVD腔體內部真空進行實時監控。同時考慮到與設備計量單位的一致性,將真空計顯示的單位從mbar變更到mtorr,便于使用時觀察腔體壓力變化。

真空計為真空規管傳感器,考慮到破真空會對真空計示數形成沖擊,故選用KF16口徑,減少沖擊保護真空計[12]。

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

圖7 控制系統和真空計Fig.7 Control system and vacuum gauge

5 測量實驗與結果

2014年1月,制作完成的腔體檢漏儀進入測試階段,實現了將LID的拆解、清洗、更換、組裝、檢漏等PM作業,從內部作業轉換成外部作業,實現了快速換模。與2012年相比,PECVD PM時間從155 h/次,降低到107 h/次,單次PM時間減少近48 h,每年PM時間減少1 008 h,PM效率提升30.9%。經過3個月測試,PECVD腔體本底壓力3 min可達到5 m T,漏率檢測約0.45 m T/min,均達到Spec.要求,實現腔體檢漏儀順利導入。

圖8 測試前后對比圖Fig.8 Test before and after contrast figure

由上述測試結果可知,自主設計制作腔體檢漏工具,解決了業內PECVD PM效率低,PM耗時高、工作強度大等難題,目前已在行業內進行推廣、使用。

6 結 論

本文主要闡述在TFT-LCD G4.5(年產能45k)產線中,通過增加檢漏工具實現PECVD PM耗時降低。著重介紹了PECVD傳統PM作業的弊端,分析了PM作業方式不足及改善方向,設計了腔體檢漏工具本體。并根據設備參數進行真空系統選型,成功制作完成自主設計的腔體檢漏工具,并經過多次測試,都能達到設備Spec.要求,最終成功導入量產。

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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,四川達州人,工程師,主要從事TFT-LCD液晶顯示面板制造行業的設備維護、保養。E-mail:zhouliangcd＠boe.com.cn