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。也用于彩滤光片（CF）中的淀积，如黑矩阵和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
嚗光是利用光源将掩模图形传递到光胶上，再经显影在光胶上形成实际的图形。用它对基板材料作选择性刻蚀。 对IC生产来说目前已经进入 65 钠米技术代，嚗光的波长不断缩小，镜头的数值孔径（NA）不断增大，嚗光机构也已采用分步重复投影扫描嚗光机。但是对于TFT-LCD生产，基板面积的增大比线宽的缩小更具挑战性。嚗光在阵列工艺中用来形成有源矩阵图形，在彩膜工艺中则用来形成黑矩阵，RGB像素和柱状隔离物等。使用的嚗光机有以下几种：（1）接近式嚗光机。当光线通过掩模对基板上的光胶进行嚗光的时候，在掩模与基板之间保留有一微小的间隙以减少掩模损伤。它造价低，分辨率好，生产效率高，但是大尺寸的掩模会下垂，因此不得不加大间隙；从而使分辨率降低，限制了该方法的使用范围。现在NSK公司和Hitach公司克服了上述问题，能够使用1220mm × 1400 mm掩模来制作黑矩阵图形，并准备用于某些阵列图形。
（2）分步重复投影嚗光机。它由投影物镜，照明光源，自动对准，自动调焦，调平，高速精密工作台，计算机控制等部分组成。它通过光学投影成像系统将掩模图形按所需要的倍率投射在涂有光胶的
基板上嚗光成像；通过自动对准和工作台伺服控制运动，实现层间套刻和全基板上图形阵列分布。它的优点是：对准精度高，分辨率好，可自动调焦。但是，基板愈大，步进数愈多，生产效率降低，接缝误差也影响面板质量。
漆雾净化装置（3）反射镜投影扫描嚗光机。它以高压汞灯作为光源，通过聚光系统形成光束，经弧形狭缝射向运动的掩模；再经由凹镜，凸镜和棱镜组成的直角反射镜，投向与掩模同步运动的基板，并在其表面上成像，从而把掩模图形转移到基板上。在这种嚗光机中，狭缝长度和扫描距离决定了嚗光面积。狭缝宽度决定分辨率和焦深。控制嚗光参数和狭缝可满足不同嚗光的需求。这种嚗光机较轻，较小。对大面积基板来说由于使用较小的掩模，运行成本比较低。但是它的对准精度比较低，延伸到9代生产线似乎有困难。Canon公司在这类机型的生产中占优势。
（4）多镜头投影扫描嚗光机。为克服基板尺寸增大而导致产量下降，Nikon公司采用大面积掩模和双排交叉排列的投影镜头，镜头嚗光邻近区域相互重迭。嚗光是对位于镜头下的掩模进行扫描完成的，整个基板要进行4~6次扫描，这种方法的优点是：可以用增加镜头数量的办法来增加像场以适应基板尺寸的增大，7代机和8代机可用到多达11个镜头，光源也可以根据分辨率选择g线，h线，或i线。由于大掩模的自重会导致下垂，为此在掩模表面设置传感器，自动检验测量弯曲量，并分别计算出每个镜头应调焦的范围进行调焦。这种设备的镜头多，各个镜头间的一致性要求高，设备价格极为昂贵。2006年嚗光机市场中Canon公司占50%，Nikon公司占42 %。8代线中嚗光机每台价格为1800万美元。
采用4掩模工艺每条线需要12台，总共需要花费2.16亿美元。
四． 刻蚀机
刻蚀是光胶经嚗光显影后对没有被光胶所保护的部分进行刻蚀，从而把图形转移到薄膜上。刻蚀有干刻（用等离子体）和湿刻（用化学溶液）二类。干刻为各向异性刻蚀，在均匀性，重复性，尺寸控制方面有优势，而且还可以进行终端检测。湿刻为各向同性刻蚀，它对光胶和底层材料有较好的选择性，刻速快，产量高，设备造价低，但是占用厂房面积大。
虚拟架子鼓在IC生产中，要刻蚀的线条细，深宽比大，而且涉及很多新材料；因此主要采用干刻如等离子体刻蚀（PE），反应离子刻蚀（RIE），磁增强反应离子刻蚀（MERIE），以及各种高密度等离子体刻蚀。
在TFT-LCD生产中，对α-Si, n+α-Si 和SiN X用干刻，对栅，源/漏和ITO用湿刻。在4掩模工艺中，为了更好控制胶的侧面，源/漏也用干刻。
干刻有两种模式：PE和RIE。在PE中射频接上电极，放基板的下电极接地，基板上未
加偏压，刻蚀主要靠化学作用；在RIE中，放基板的下电极接射频，上电极接地，压力较PE为低，离子在自偏压下轰击基板，刻蚀既有化学作用，也有物理作用。它刻蚀速度快，可刻蚀锥形，但是需要注意离子损伤。
目前的干刻机对两种刻蚀模式都能兼容。影响成品率的主要原因为均匀性。造成均匀性不良的因素有：颗粒，SWE，起弧等。为此TEL公司开发了双频等离子体（ECCP）技术，同时使用13.56 MHz和3.2 MHz两种频率的射频，并相应地改进了硬件，从而增加了等离子体的鞘层宽度，解决了SWE问题，使等例子体刻蚀更加稳定，保证了产品的均匀性，消除了起弧，增加了选择性，提高了射频输出功率大约30%。
用于TFT-LCD生产的湿刻机，目前一般由以下工艺工序组成：均匀喷射刻蚀剂，冲洗，去离子水冲洗，空气风力干燥等工序。为了避免在大基板上出现刻蚀剂的停滞现象所带来的刻蚀不均匀性问题，采用基板倾斜的方法。湿刻性能取决于湿度，时间和酸液浓度。刻蚀后的清洗，干燥同样十分重要。湿刻所用化学品的储存，循环，废液处理也是不容忽视的。
干刻设备的供应商有：TEL，YAC，APD等公司。2006年TEL公司占有干刻机市场的79%。湿刻设备的供应商有：DNS，SEMES，DMS等公司。2006年DNS公司在湿刻机市场的占有率为64%。
4代PE/RIE干刻机（3腔室）每台价格为400~500万美元，7代干刻机每台为800万美元。而一条7代线则需要27台。
五． 灰度掩模和工艺
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矿石运输车掩模是指在石英板上淀积薄的铬层，根据设计的原图数据由电子束或激光束在铬层上刻写成图形。韩先良
IC的线宽不断缩小，人们在嚗光时不断缩小嚗光波长和增大数值孔径，同时采取了分辨率增强技术（RET）来减少工艺因子K，其中重要措施之一就是采用移相掩模（PSM）技术。目前CMOS工艺的IC生产中所用的掩模数多达25块，甚至更多。
而TFT-LCD生产中对掩模的压力并不来自线宽的缩小，而是来自基板面积的增大和灰度掩模（Gray, Tone, Mask）的制作。目前国内5代线生产时使用5块掩模（即通常所说的5掩模工艺），如果使用4块掩模工艺，就能减少嚗光，匀胶，显影设备的投资，同时增加大约20 %的产量。所以现在LPL，三星，SV A-NEC等公司都采用4掩模工艺生产，即采用灰度掩模技术。所谓灰度掩模是由白度（百分之百透光），黑度（0 %透光），和灰度（部分透光）三部分组成。用这种掩模嚗光，经显像后就会在光胶上形成高低起伏的地貌，再利用有选择的刻蚀，就可以减少光刻工序的次数。例如对常用的非晶硅背沟道（Back Channel）结构的TFT来说，灰度掩模（GTM）上的灰度区对应沟道，白度区域对应源/漏区域，在相同的嚗光条件下，灰度区下面的光胶接受的光强比白度区下面的光胶接受的光强小。这样，在显影后，可以显露出源/漏区而沟道上面仍然可以保留一定厚度的光胶。这层光胶的厚度，可以由灰度区隙缝的设计参数和嚗光能量来决定。这时可以先对源/漏区域进行刻蚀，再进行n＋α –Si和α –Si刻蚀，然后再进行氧灰化（Ashing）处理，把沟道区显露出来，再接着进行金属刻蚀，和n＋α –Si 沟道刻蚀。最后进行去胶，完成全部灰度掩模光刻。这种方法与传统方法相比，减少了一个掩模，节省了投资，增加了产量。
灰度掩模（GSM）供应商有：Hoya，SK电子，LG， PKL，和DNP等公司。
数卡器六． 小结
当今的TFT-LCD生产线中，一台设备重达100吨，占用厂房面积多达100平方米，每台价格达到或超过1000万美元的现象并不少见。设备的安全运输也已成为不可忽视的问题。因此，本地化生产，邻近生产厂进行组装已提到议事日程。这就为我国开发TFT-LCD生产
设备带来契机。目前七星电子已有些设备进入京东方生产线，并在更多的工艺领域加快发展步伐。
参考资料
1, TFT-LCD Equipment Report, 2006 Display Search, NPD Group Company.
2, S. Wolf, Silicon Processing for the VLSI Era.
作者简介
董大为先生是我国资深专用设备专家。1955年毕业于上海交通大学，即开始长期在北京电子管厂，700厂从事电子产业专用设备的开发，设计，制造以及技术革新，技术改造，设备维护等方面的工作。曾担任信息产业部科技委委员。
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