Применения электронных специальных газов в производстве TFT-LCD и технический анализ систем доставки сверхвысокой чистоты

Введение

Жидкокристаллические дисплеи на тонкопленочных транзисторах (TFT-LCD) в настоящее время являются наиболее широко используемой технологией плоских дисплеев, а их производственный процесс включает сложные физические и химические процессы. Специальные электронные газы (далее именуемые «специальные электронные газы») служат основными технологическими материалами на стадиях осаждения пленок и травления при изготовлении массива TFT-LCD; их чистота, стабильность и безопасность доставки напрямую определяют выход и производительность панели. В данной статье начинается с производственного процесса TFT-LCD, систематически рассматривается применение электронных специальных газов на каждом ключевом этапе процесса и анализируется техническая архитектура систем доставки специальных газов сверхвысокой чистоты.

TFT-LCD в настоящее время является наиболее широко используемой технологией плоских дисплеев (изображение предоставлено только в иллюстративных целях)

Обзор производственных процессов TFT-LCD

                                Схема производственного процесса TFT-LCD (только для справки)

Производственный процесс изготовления панелей TFT-LCD можно разделить на три основные стадии: процесс переднего фронта (Array), процесс сборки ячеек среднего фронта (Cell) и процесс сборки модуля заднего фронта (Module). Среди них специальные электронные газы в основном используются на стадиях осаждения пленок и сухого травления в процессе переднего фронта.

Суть процесса массива заключается в построении многослойной структуры тонкопленочных транзисторов

(TFT), включая металл затвора, слой диэлектрика затвора (SiNx), слой полупроводника из аморфного кремния

(a-Si), металлические слои истока и стока, а также слой пиксельного электрода из ITO. Осаждение и формирование рисунка каждого тонкопленочного слоя зависят от специфических технологических газов.

Применение специальных газов в основных производственных процессах

Процесс осаждения CVD

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD), особенно плазменно-усиленное химическое осаждение из газовой фазы (PECVD), является основным процессом осаждения неметаллических тонких пленок в процессе изготовления массива TFT-LCD. Этот процесс активирует молекулы газа посредством плазмы, вызывая химические реакции на поверхности подложки и приводя к осаждению твердотельных тонких пленок. Основные электронные специальные газы, используемые в процессе PECVD, включают:

Силан (SiH₄): Служит источником кремния для осаждения слоев полупроводника из аморфного кремния (a-Si) и слоев диэлектрика из нитрида кремния (SiNx)

Аммиак (NH₃): Реагирует с силаном с образованием пленок нитрида кремния и служит источником азота

Фосфин (PH₃): Используется для легированных n-типом слоев аморфного кремния (n⁺ a-Si) для формирования слоев с омическим контактом

Закись азота (N₂O): Реагирует с силаном для осаждения пленок диоксида кремния (SiO₂)

Трифторид азота (NF₃): Используется для плазменной очистки камеры CVD для удаления отложений со стенок камеры

Кроме того, в процессе также используются объемные газы, такие как водород высокой чистоты (H₂) и азот высокой чистоты (N₂), служащие соответственно в качестве газа-носителя, продувочного газа и газа технологической атмосферы.

    Shenzhen Wofly Technology Проект поставки газов CVD (для справки)

Процесс напыления

Магнетронное распыление относится к категории физического осаждения из газовой фазы (PVD) и в основном используется для осаждения металлических пленок, таких как затворные электроды, электроды истока/стока и пиксельные электроды из оксида индия-олова (ITO).

Основной принцип осаждения пленок методом распыления заключается в бомбардировке поверхности мишени заряженными частицами в вакуумной камере, что приводит к выбиванию атомов из мишени и их осаждению на подложке. Процесс распыления предъявляет специфические требования к технологическим газам: газ осаждения не должен химически реагировать с материалом мишени; следовательно, инертные газы являются наиболее подходящим выбором. В промышленном производстве в качестве рабочего газа для распыления обычно используется аргон (Ar), хотя в некоторых технологических сценариях используется и гелий (He).

Для процессов реактивного распыления (например, для осаждения прозрачных проводящих пленок ITO) в инертный газ вводится кислород (O₂) для реакции с составом материала мишени и образования оксидной пленки.

Оборудование для нанесения покрытий методом магнетронного распыления с ультравысоким вакуумом и высокой энергией импульсов (только для справки)

Процесс травления

Процесс травления является ключевым этапом переноса рисунка фоторезиста на нижележащую пленку. В процессе изготовления массива TFT-LCD преимущественно используется сухое травление (плазменное травление), которое использует реакционноспособные свободные радикалы в плазме для химической реакции с обрабатываемым материалом, образуя летучие побочные продукты, которые затем откачиваются вакуумным насосом. Для травления различных слоев материалов необходимо выбирать различные комбинации травильных газов:

• Травление неметаллических пленок (например, SiNx, a-Si): Обычно используются содержащие фтор или хлор газы, такие как гексафторид серы (SF₆), тетрафторид углерода (CF₄) и хлор (Cl₂)
• Травление металлических пленок (например, Al, Mo, Cr): Обычно используемые газы включают хлор (Cl₂), хлористый водород (HCl) и трихлорид бора (BCl₃)
• Травление ITO: Могут использоваться газовые смеси на основе водорода или хлористого водорода

Специальные газы, используемые в процессе травления, в основном являются легковоспламеняющимися, взрывоопасными, высокотоксичными или высококоррозионными; поэтому к системе подачи газа предъявляются чрезвычайно высокие требования к герметичности, безопасности и мощности системы очистки выхлопных газов.

                        Внутренняя структура камеры травления (только для справки)

Анализ архитектуры системы подачи специальных газов сверхвысокой чистоты

Полная система подачи специальных газов сверхвысокой чистоты состоит из таких узлов, как хранение источника газа, первичная регулировка давления, очистка и фильтрация, вторичное распределение и конечное использование. Эти узлы соединены трубопроводами из нержавеющей стали высокой чистоты, образуя замкнутую, управляемую систему подачи газа.

Шкаф для баллонов

Шкаф для баллонов служит источником газа в системе специальных газов, используется для хранения баллонов и выполнения первичного снижения давления и переключения подачи газа. Его основные функции включают:

• Крепление и подключение баллонов, оснащенных панелью автоматического переключения для обеспечения бесперебойного переключения между основным и резервным источниками газа
• Редукционный клапан первичного давления снижает высокое давление газа до промежуточного (обычно 0,3–0,5 МПа)
• Конструкция вентиляции с отрицательным давлением поддерживает отрицательное давление внутри шкафа, чтобы предотвратить утечку газа
• Оснащен газовым детектором для мониторинга концентрации газа внутри шкафа в режиме реального времени; в случае аномалии он активирует звуковые и визуальные сигналы тревоги и автоматически отключает подачу газа

      Shenzhen wofly Technology: Различные типы специального газового оборудования, изготовленного на заказ

Блок клапанов (VMB)

Блок клапанов (VMB) является узлом вторичного распределения в системах подачи специальных газов. Расположенный между помещением для специальных газов и технологическим оборудованием в чистой комнате, он часто называется «последней милей» доставки специальных газов. Его основные функции:

• Распределение одного источника газа на несколько ветвей, каждая из которых снабжает различное технологическое оборудование
• Каждая ветвь оснащена независимым мембранным клапаном, редуктором давления и датчиком давления для обеспечения независимого контроля
• Конструкция закрытого корпуса, оснащенная вытяжным отверстием, подходит для опасных газов, таких как SiH₄, NH₃ и Cl₂
• Поддерживает независимую продувку и техническое обслуживание отдельных ветвей без влияния на нормальную подачу газа в другие ветви

              Shenzhen wofly Technology Проекты по транспортировке газов (только для справки)

Очиститель

Очистители устанавливаются у источника газа или перед точкой использования для тщательного удаления примесей из газа. Распространенные технологии очистки включают:

• Каталитическое дезоксигенирование: Использование катализатора для реакции примесного кислорода с водородом с образованием воды, которая затем удаляется адсорбентом
• Адсорбция молекулярным ситом: Удаляет полярные примеси, такие как водяной пар и диоксид углерода, путем физической адсорбции
• Очистка геттером: Использует газопоглощающие агенты, такие как сплавы циркония и алюминия, для адсорбции реакционноспособных примесей при высоких температурах
• Мембранное разделение: Разделяет примеси, используя различия в скорости проникновения газа

Очистители, сконфигурированные для высокотехнологичных процессов, могут повысить чистоту газа до 7N или выше, контролируя уровень примесей до диапазона ppb или даже ppt.

        Shenzhen wofly Technology Инжиниринг систем очистки (только для справки)

Газовые детекторы и блокировки безопасности

Газовые детекторы размещаются в помещениях для специальных газов, в зонах установки VMB и вокруг технологического оборудования. Они используют принципы обнаружения, такие как электрохимические, инфракрасное поглощение или полупроводниковые технологии, для выполнения онлайн-мониторинга целевых газов в режиме реального времени. Система связана с центральной диспетчерской (GSM); при обнаружении утечки газа она автоматически выполняет следующие блокировочные действия:

• Активация звуковых и визуальных сигналов тревоги
• Автоматическое отключение запорного клапана соответствующей газовой линии
• Активация системы аварийной вытяжки
• Передача информации об аварийном сигнале в центральную систему мониторинга

                Shenzhen Wofly Technology Проекты систем сигнализации (только для справки)

Система очистки выхлопных газов

Выхлопные газы, выбрасываемые из технологического оборудования, содержат непрореагировавшие специальные газы и продукты реакции, и должны обрабатываться системой очистки выхлопных газов (скруббером) для соответствия нормативным стандартам перед выбросом. Распространенные методы обработки включают:

• Мокрый скруббер: Использует распыляемый химический раствор для поглощения и нейтрализации кислых или щелочных газов
• Плазменный скруббер: Разлагает токсичные и вредные газы с помощью высокотемпературной плазмы
• Скруббер сжигания: Окисляет и разлагает легковоспламеняющиеся газы при высоких температурах

Shenzhen Wofly Technology Оборудование для очистки выхлопных газов с промывкой водой (только для справки)