薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)生产线专用设备分析

薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）生产线专用设备分析

——半导体设备供应商争夺的又一大市场——

七星电子 董大为

1888年奥地利植物学家莱尼茨尔首先发现液晶材料，经许多科学家持续研究，特别是在1968年美国RCA公司的海麦尔发现：向列相液晶的透明薄层通电时，会出现混浊现象（即产生电光效应）。首次制成了静态图像液晶显示器。此后，日本的夏普，精工和卡西欧等公司在美国公司的成果基础上实现了产品的大量生产，并不断发展。

现在的LCD产品有以下几种类型：（1）70年代已经进行大量生产的，用于电子手表，计算器显示的扭曲向列型液晶显示器（TN-LCD）；（2）在80年代开始大量生产的，应用范围更广，具有视角宽，对比度高，扫描线多等优点的，超扭曲向列型液晶显示器（STN-LCD）；和（3）90年代后期快速发展的有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）。特别是TFT-LCD。它们具有体积小，重量轻，电压低，功耗小，分辨率高，灰度等级大，无辐射，适合便携式应用等优点。像素色彩可达1670万种。成本降低潜力巨大。现在已经成为当代液晶显示产品的主流。

有人视TN-LCD为低档产品，STN-LCD为中档产品，TFT-LCD为高档产品。实际上它们是具有不同优点。适合应用于不同场合的产品。但是TFT-LCD可以看作是融合了微电子技术，光电子技术，高分子化学，高纯材料技术的一项新型器件技术TFT-LCD。从工厂投资规模来看，一条STN-LCD生产线约需3500万美元，而一条8代TFT-LCD生产线则需要投资30亿美元。而投资中大部分是设备购置费用。

与集成电路（IC）相比，IC是以硅片作为衬底；而TFT-LCD则是以玻璃板作为基板。IC生产中目前大量采用的硅晶圆直径为200 mm和300 mm，而TFT-LCD生产中所用的玻璃板的尺寸，以7代线为例则已高达1870mm×2220mm，而8代线则为2160mm×2400mm。在加工精度方面，IC线宽已经进入65纳米节点；而TFT-LCD的线宽则约为2~3微米，并且由于IC的芯片尺寸比较小，个别缺陷较多的芯片可以在中测时剔除；而TFT-LCD面板由于尺寸比较大，出现缺陷，只能使产品降级。人们往往称集成电路为微电子技术，称TFT-LCD 为巨微电子技术。

在生产过程中，IC的关键加工工艺有：薄膜技术，光刻技术和掺杂技术，执行这些工艺操作的专用设备有：化学气相淀积（CVD），溅射，嚗光，刻蚀，扩散与离子注入等。而TFT-LCD的关键生产工艺则有：阵列（ARRAY），成盒（CELL），模组组装（LCM）等，其中阵列工艺的设备最为昂贵。设备费用大约占总投资的65%。在全部设备费用中，最复杂，体积最大，最贵的则是磁控溅射，等离子化学气相淀积，嚗光机和刻蚀机等。TFT-LCD 生产设备可以说是借鉴并立足于半导体专用设备技术之上，而又有所发展。因此巨大的TFT-LCD设备市场则成为半导体设备厂商开展新一轮竞争的必争之地。我国正在大力发展液晶面板的生产，也面临TFT-LCD设备的巨大投资的压力。本文将就此问题作一简单分析，介绍。

一． 磁控溅射（MCS）

溅射是指在反应室中，被电离的正离子在暗区电场的加速下撞击阴极靶，使靶材溅射而淀积在基板上形成薄膜。磁控溅射（MCS）则是指在阴极靶背后加装磁场，使二次电子在洛仑兹力的作用下被束缚在靶表面。延长二次电子运动轨迹，使产生更多的正离子来轰击靶，同时消耗了电子能量，具有淀积速率高和温度低两大优点。

MCS在IC倒装焊封装过程中，用来进行焊接凸块下金属化（UBM）淀积和金属布线，尤其是在铜布线的孔洞中淀积阻挡层（Ta/N）和Cu种子层。但是由于孔洞尺寸缩小，深宽比增加，洞口肩部淀积（Overhang）的出现，使得无法获得好的台阶复盖。因此出现了诸如：长距离溅射，控制发射度溅射，离子化金属等离子溅射等工艺改进方法。

MCS在TFT-LCD生产中，用于淀积栅电极，源/漏电极和铟锡氧化物（ITO）像素电极。也用于彩色滤光片（CF）中的淀积，如黑色矩阵和ITO共用电极的淀积。淀积的材料则用Ta, Cr, MoTa, MoW, MoAlNd等。对淀积工艺的要求是：电阻率低，厚度均匀，光滑，和底层粘附好，台阶覆盖好，应力小，沾污少，不形成小丘，电迁移率小，不起弧等。

现在8代线的MCS设备，采用多个立式反应室串联连续溅射。ULV AC公司为8代线开发的MCS设备采用了交流阴极，克服了传统的直流阴极溅射，一在靶边缘速率过快的缺点，使淀积更均匀，也使淀积时间缩短为90秒。

大面积的靶在抽真空时要避免受力，因此在设计靶，阴极，和反应室时要同步进行；为了避免接缝处出现拉弧，采用整体靶是必要的，但是整体靶的生产很困难。靶面和磁铁之间的间距，在生产过程中随着靶材料的消耗而会变小。因此，这个间距需要在生产过程中，根据情况，用软件来进行调整。

目前TFT-LCD生产使用的MCS设备供应商有ULV AC，Unaxis, AKT等公司。其中ULV AC公司在2006年占全部市场的94%。靶的供应商则有NIKKO公司。一条7代生产线就需要8台MCS设备。每台的价格大约为1050万美元。

二． 化学气相淀积（CVD）

化学气相淀积是气态反应物经化学反应淀积在基板上形成固态薄膜的一种工艺。在IC 生产中使用的CVD设备品种很多：有常压的，亚常压的，低压的，等离子体的等。分别用于SiO2,，SiN X,，PSG,，BPSG,，Poly-Si和难熔金属硅化物等。在TFT-LCD中常使用等离子体增强CVD（PECVD）。这是一种能在比较低的温度下进行等离子体淀积薄膜的CVD技术。

在TFT-LCD生产中，用PECVD淀积的薄膜是：SiN X栅介质，α-Si : H有源层，n+-Si :H 源/漏层和SiN X钝化层。淀积过程中对厚度均匀性，台阶覆盖，应力，组份，速率，颗粒，生产率和基板运载的安全可靠性都有严格的要求。

大尺寸基板上的均匀淀积是个棘手的问题。因为在反应腔内存在等离子体驻波效应（SWE）。这是由于传输终端不能吸收入射波能量而全部反射，反射波叠加到入射波而形成的。SWE与平板电极半径，平板电极间距，等离子体层厚度，以及射频波长等参数有关。为了克服SWE产生的不利影响，各公司都对此展开攻关，如JEL公司推出的脉冲等离子体技术（PPE）。它采用：（1）射频频率：13.56 MHz；（2）脉冲重复频率（指每秒开/关次数）：在500 Hz ~ 10 KHz之间连续可调；（3）占空比（指开启时间与脉冲总时间之比）：在10 ~ 90 %之间连续可调。JEL公司在6代线上采用PPE技术淀积SiN X,（脉冲重复频率为500 Hz，占空比为80 %），获得的淀积均匀性达到± 5.3 %；而用传统的等离子体技术的均匀性则为±10.6 %。目前该项技术已经应用于该公司的8代机上。

PECVD系统内的清洁程度对高分辨率面板十分重要，AKT使用遥控等离子体（RPCS）清洗反应室，可使前驱物（Precursors）NF3达到97 %解离，解离出的F与系统内的Si结合形成SiF而被抽走。由于RPCS在反应室内没有NF3等离子体，因此不会对零件造成离子轰击，基本上消除 Al X O Y F的形成，减少了粉末，延长了清洗间隔时间。

生产PECVD的有AKT，ULV AC，JEL等公司，2006年AKT占有市场的84 %。一条7代线需要9 ~ 10 台PECVD。每台PECVD的价格为1300美元。

三． 嚗光机