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(shè)備技術(shù)部,四川成都611731)

一種實用的PECVD腔體檢漏工具設(shè)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(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、開關(guān)作用;在PECVD工藝制程中,腔體設(shè)計復(fù)雜,反應(yīng)條件苛刻,產(chǎn)生的制程物會造成產(chǎn)品不良,故需要定期進行PM(pre maintenance預(yù)防性維護)。本文以PECVD PM作業(yè)為背景,針對設(shè)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(shè)計過程。設(shè)計制作了一臺國產(chǎn)化檢漏工具,成功運用于量產(chǎn)。通過測試,檢漏工具3 min內(nèi)達到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

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、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,各個工廠設(shè)備的生產(chǎn)能力、故障率、PM效率都面臨著嚴峻考驗[1-3]。尤其LTPS技術(shù)日趨成熟,復(fù)雜的10～12 Mask工藝,對設(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耗時長、產(chǎn)能低下、無法應(yīng)對設(shè)備突發(fā)Down機等問題,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(yè)轉(zhuǎn)化成并行作業(yè),需要自主設(shè)計制作檢漏工具。設(shè)計過程中牽涉因素眾多,且互相關(guān)聯(lián)。首先,需要針對PECVD PM作業(yè)進行分解(本文以G4.5 45k產(chǎn)能為例),單次PM耗時約7 d,其中人員參與作業(yè)為3 d,其余是設(shè)備升降溫時間;其次,根據(jù)設(shè)備參數(shù),選擇真空泵、閥門、真空計數(shù)系統(tǒng)、鋁材、表面處理方式等等。最終使設(shè)計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)手冊和實際操作經(jīng)驗,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等級計劃,定期據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書按部就班進行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155 h,在Array(陣列)工段耗時最高。業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的PM方式(如圖1):設(shè)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(yè),確保漏率在Spec.(規(guī)格)以內(nèi)。測試無異常后,才能啟動設(shè)備進行生產(chǎn)。它的優(yōu)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(shè)備PM效率,更無法應(yīng)對PM作業(yè)中,其它設(shè)備出現(xiàn)的緊急Down機。

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)備升降溫時間)耗時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)濟損失。因此優(yōu)化PECVD PM,提高設(shè)備稼動率已迫在眉睫。

3 理想PECVD PM作業(yè)[5]

通過對PM作業(yè)分析,整理PM時序表,將PM細化到每個執(zhí)行動作。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、檢漏等項目在設(shè)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(shè)備停機后,快速切換,可實現(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)備停機時,PM耗時;外部作業(yè)指設(shè)備運行時,PM耗時),減少PM時設(shè)備停機時間,提升設(shè)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(huán)境進行檢漏作業(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)計制作人員了解設(shè)備參數(shù)和運行原理。通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)真空技術(shù)能力、真空檢測手段,以及機加工能力發(fā)展迅速,可以滿足設(shè)備制作精度、真空度等多項參數(shù)要求,故考慮聯(lián)合現(xiàn)地廠家自主設(shè)計制作腔體檢漏工具。

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

4 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 腔體設(shè)計

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LID內(nèi)部尺寸進行精確測量,確保與設(shè)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(yè),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(xù)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(shè)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(shè)計了LID堵孔凸臺和對應(yīng)的O-ring(密封圈),降低漏氣的可能性,提高本底真空能力。為了實現(xiàn)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(shè)計,增加了濾網(wǎng),防止粉塵進入泵體,造成堵塞、致?lián)p。

圖3 腔體尺寸實測圖Fig.3 Cavity size drawing

4.2 鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)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(jù)受到的應(yīng)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(chǎn)生Particle(大氣中大于0.3μm的顆粒)。還設(shè)計了可進行切換的腳輪和地腳,便于在產(chǎn)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(shè)計負載如圖所示,主要收受到向下壓力F,設(shè)計F1＝2.5×104N,根據(jù)業(yè)內(nèi)安全系數(shù)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(yīng)力為2.99×107Pa≤1.95×108Pa(Q195屈服極限),滿足設(shè)計要求。

4.3 真空系統(tǒng)設(shè)計

真空系統(tǒng)屬于檢漏工具中最核心的部分,它的設(shè)計是檢漏工具實現(xiàn)功能的關(guān)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(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)對泵體的影響。[8]而且,更換濾芯也比較方便。追加設(shè)計了電氣控制柜,可以直觀顯示腔體內(nèi)的真空狀態(tài)和漏率,便于實時跟進檢漏狀態(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(jù)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)]×?xí)r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(tǒng)漏氣因素,通常還要乘以安全系數(shù)2以確?？梢栽谥付〞r間內(nèi)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)閥門。起初考慮采用自動中真空擋板閥,但是自動化的設(shè)計較為復(fù)雜、穩(wěn)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(shù)表Tab.2 Vacuum valve parameters

4.3.4 真空檢測系統(tǒng)設(shè)計

檢測系統(tǒng)主要由真空計與數(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,對PECVD腔體內(nèi)部真空進行實時監(jiān)控。同時考慮到與設(shè)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(guī)管傳感器,考慮到破真空會對真空計示數(shù)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(shù)據(jù)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(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Fig.7 Control system and vacuum gauge

5 測量實驗與結(jié)果

2014年1月,制作完成的腔體檢漏儀進入測試階段,實現(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),實現(xiàn)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P(guān)M時間減少1 008 h,PM效率提升30.9%。經(jīng)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(xiàn)腔體檢漏儀順利導(dǎo)入。

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

由上述測試結(jié)果可知,自主設(shè)計制作腔體檢漏工具,解決了業(yè)內(nèi)PECVD PM效率低,PM耗時高、工作強度大等難題,目前已在行業(yè)內(nèi)進行推廣、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現(xiàn)PECVD PM耗時降低。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)計了腔體檢漏工具本體。并根據(jù)設(shè)備參數(shù)進行真空系統(tǒng)選型,成功制作完成自主設(shè)計的腔體檢漏工具,并經(jīng)過多次測試,都能達到設(shè)備Spec.要求,最終成功導(dǎo)入量產(chǎn)。

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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(yè)的設(shè)備維護、保養(yǎng)。E-mail:zhouliangcd＠boe.com.cn