Aplicaciones de Gases Electrónicos Especiales en la Fabricación de TFT-LCD y un Análisis Técnico de Sistemas de Suministro de Ultra Alta Pureza

Introducción

Las pantallas de cristal líquido de transistores de película delgada (TFT-LCD) son actualmente la tecnología de pantalla plana más utilizada, y su proceso de fabricación implica complejos procesos físicos y químicos. Los gases electrónicos especiales (en adelante, “gases electrónicos especiales”) sirven como materiales de proceso centrales en las etapas de deposición de película y grabado de la fabricación de arreglos TFT-LCD; su pureza, estabilidad y seguridad de entrega determinan directamente el rendimiento y la calidad del panel. Este artículo comienza con el proceso de fabricación de TFT-LCD, revisa sistemáticamente la aplicación de gases electrónicos especiales en cada paso clave del proceso y analiza la arquitectura técnica de los sistemas de entrega de gases especiales de ultra alta pureza.

TFT-LCD es actualmente la tecnología de pantalla plana más utilizada (imagen solo a efectos ilustrativos)

Descripción general de los procesos de fabricación de TFT-LCD

                                Diagrama de flujo del proceso TFT-LCD (solo como referencia)

El proceso de fabricación de paneles TFT-LCD se puede dividir en tres etapas principales: el proceso de arreglo de front-end (Array), el proceso de ensamblaje de celdas de mid-end (Cell) y el proceso de ensamblaje de módulos de back-end (Module). Entre estos, los gases electrónicos especiales se utilizan principalmente en las etapas de deposición de película y grabado en seco del proceso de arreglo de front-end.

El núcleo del proceso de arreglo es construir una estructura multicapa de transistores de película delgada

(TFT), que incluye la capa de metal de puerta, la capa de aislante de puerta (SiNx), la capa semiconductora de silicio amorfo

(a-Si), las capas de metal de electrodo de fuente y drenaje, y la capa de electrodo de píxel ITO. La deposición y el patrón de cada capa de película delgada dependen de gases de proceso específicos.

Aplicaciones de gases especiales en procesos de fabricación centrales

Proceso de deposición CVD

La deposición química de vapor (CVD), en particular la deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD), es un proceso central para depositar películas delgadas no metálicas en el proceso de fabricación de arreglos TFT-LCD. Este proceso activa las moléculas de gas a través de un plasma, provocando reacciones químicas en la superficie del sustrato y resultando en la deposición de películas delgadas de estado sólido. Los principales gases electrónicos especiales utilizados en el proceso PECVD incluyen:

Silano (SiH₄): Sirve como gas fuente de silicio para depositar capas semiconductoras de silicio amorfo (a-Si) y capas aislantes de nitruro de silicio (SiNx)

Amoníaco (NH₃): Reacciona con silano para formar películas de nitruro de silicio y sirve como fuente de nitrógeno

Fosfina (PH₃): Se utiliza para capas de silicio amorfo dopado tipo n (n⁺ a-Si) para formar capas de contacto óhmico

Óxido nitroso (N₂O): Reacciona con silano para depositar películas de dióxido de silicio (SiO₂)

Trifluoruro de nitrógeno (NF₃): Se utiliza para la limpieza por plasma de la cámara CVD para eliminar depósitos de las paredes de la cámara

Además, también se utilizan en el proceso gases a granel como hidrógeno de alta pureza (H₂) y nitrógeno de alta pureza (N₂), que sirven como gas portador, gas de purga y gas de atmósfera de proceso, respectivamente.

    Shenzhen Wofly Technology Proyecto de suministro de gas CVD (solo como referencia)

Proceso de pulverización catódica

La pulverización catódica magnetrón se encuentra dentro de la categoría de deposición física de vapor (PVD) y se utiliza principalmente para depositar películas metálicas como electrodos de puerta, electrodos de fuente/drenaje y electrodos de píxel de óxido de indio y estaño (ITO).

El principio básico de la deposición de película por pulverización catódica implica bombardear la superficie de un objetivo con partículas cargadas en una cámara de vacío, lo que hace que los átomos del objetivo sean expulsados y depositados en el sustrato. El proceso de pulverización catódica tiene requisitos específicos para los gases de proceso: el gas de deposición no debe reaccionar químicamente con el material objetivo; por lo tanto, los gases inertes son la opción más adecuada. En la producción industrial, el argón (Ar) se utiliza típicamente como gas de trabajo de pulverización catódica, aunque el helio (He) también se utiliza en algunos escenarios de proceso.

Para procesos de pulverización catódica reactiva (como la deposición de películas conductoras transparentes de ITO), se introduce oxígeno (O₂) en el gas inerte para reaccionar con la composición del material objetivo y formar una película de óxido.

Equipo de recubrimiento por pulverización catódica magnetrón pulsada de alta energía y ultra alto vacío (solo como referencia)

Proceso de grabado

El proceso de grabado es un paso clave para transferir el patrón de fotorresistencia a la película subyacente. El proceso de arreglo TFT-LCD emplea principalmente grabado en seco (grabado por plasma), que utiliza radicales libres reactivos en el plasma para reaccionar químicamente con el material que se está grabando, generando subproductos volátiles que luego son evacuados por una bomba de vacío. Se deben seleccionar diferentes combinaciones de gases de grabado para grabar diferentes capas de material:

• Grabado de películas no metálicas (por ejemplo, SiNx, a-Si): Se utilizan comúnmente gases que contienen flúor o cloro, como hexafluoruro de azufre (SF₆), tetrafluoruro de carbono (CF₄) y cloro (Cl₂)
• Grabado de películas metálicas (por ejemplo, Al, Mo, Cr): Los gases comúnmente utilizados incluyen cloro (Cl₂), cloruro de hidrógeno (HCl) y tricloruro de boro (BCl₃)
• Grabado de ITO: Se pueden usar gases que contienen hidrógeno o mezclas de gases a base de ácido clorhídrico

Los gases especiales utilizados en el proceso de grabado son en su mayoría inflamables, explosivos, altamente tóxicos o altamente corrosivos; por lo tanto, se requieren estándares extremadamente altos para el sistema de entrega de gas: integridad del sello, seguridad y capacidad de tratamiento de gases de escape.

                       Estructura interna de una cámara de grabado (solo como referencia)

Análisis de la arquitectura de un sistema de entrega de gases especiales de ultra alta pureza

Un sistema completo de entrega de gases especiales de ultra alta pureza consta de unidades como almacenamiento de fuente de gas, regulación de presión primaria, purificación y filtración, distribución secundaria y uso final. Estas unidades están conectadas a través de tuberías de acero inoxidable de alta pureza para formar un sistema de suministro de gas controlable en circuito cerrado.

Gabinete de cilindros

El gabinete de cilindros sirve como extremo de la fuente de gas de un sistema de gas especial, utilizado para almacenar cilindros y realizar la reducción de presión primaria y el cambio de suministro de gas. Sus funciones principales incluyen:

• Asegurar y conectar cilindros, equipado con un panel de conmutación automática para permitir la conmutación sin interrupciones entre fuentes de gas primarias y de respaldo
• Una válvula reductora de presión primaria reduce el gas de alta presión a presión intermedia (típicamente 0.3-0.5 MPa)
• Diseño de ventilación a presión negativa mantiene una presión negativa dentro del gabinete para evitar que el gas fugado escape
• Equipado con un detector de gas para monitorear las concentraciones de gas dentro del gabinete en tiempo real; en caso de anomalía, activa alarmas audibles y visuales y apaga automáticamente el suministro de gas

     Shenzhen wofly Technology: Varios tipos de equipos de gas especiales hechos a medida

Caja de válvulas (VMB)

La caja de distribución de válvulas (VMB) es una unidad de distribución secundaria en sistemas de entrega de gases especiales. Ubicada entre la sala de gases especiales y el equipo de proceso en la sala limpia, a menudo se la conoce como la “última milla” de la entrega de gases especiales. Sus funciones principales son:

• Distribuir una única fuente de gas en múltiples ramas, cada una suministrando diferentes equipos de proceso
• Cada rama está equipada con una válvula de diafragma independiente, reductor de presión y sensor de presión para permitir un control independiente
• El diseño del recinto cerrado, equipado con un puerto de escape, es adecuado para gases peligrosos como SiH₄, NH₃ y Cl₂
• Admite purga y mantenimiento independientes de ramas individuales sin afectar el suministro de gas normal a otras ramas

             Proyectos de transporte de gas de Shenzhen wofly Technology (solo como referencia)

Purificador

Los purificadores se instalan en la fuente de gas o aguas arriba del punto de uso para eliminar completamente las impurezas del gas. Las tecnologías de purificación comunes incluyen:

• Desoxigenación catalítica: Uso de un catalizador para hacer que el oxígeno de impureza reaccione con hidrógeno para formar agua, que luego se elimina mediante un adsorbente
• Adsorción de tamiz molecular: Elimina impurezas polares como vapor de agua y dióxido de carbono mediante adsorción física
• Purificación por captador: Utiliza agentes absorbentes de gas como aleaciones de circonio-aluminio para adsorber impurezas reactivas a altas temperaturas
• Separación por membrana: Separa impurezas explotando diferencias en las tasas de permeación de gas

Los purificadores configurados para procesos de alta gama pueden elevar la pureza del gas a 7N o superior, controlando los niveles de impurezas en el rango de ppb o incluso ppt.

        Ingeniería de sistemas de purificación de Shenzhen wofly Technology (solo como referencia)

Detectores de gas e interbloqueos de seguridad

Los detectores de gas se despliegan en salas de gases especiales, áreas de instalación de VMB y alrededor de equipos de proceso. Utilizan principios de detección como tecnologías electroquímicas, de absorción infrarroja o semiconductoras para realizar un monitoreo en línea en tiempo real de los gases objetivo. El sistema está conectado a la sala de control central (GSM); cuando se detecta una fuga de gas, ejecuta automáticamente las siguientes acciones de interbloqueo:

• Activar alarmas audibles y visuales
• Apagar automáticamente la válvula de suministro de gas de la línea de gas correspondiente
• Activar el sistema de escape de emergencia
• Cargar información de alarma al sistema de monitoreo central

               Proyectos de sistemas de alarma de Shenzhen Wofly Technology (solo como referencia)

Sistema de tratamiento de gases de escape

Los gases de escape emitidos desde el equipo de proceso contienen gases especiales sin reaccionar y subproductos de reacción, y deben ser tratados por un sistema de tratamiento de gases de escape (depurador) para cumplir con los estándares regulatorios antes de ser descargados. Los métodos de tratamiento comunes incluyen:

• Depurador húmedo: Utiliza una solución química rociada para absorber y neutralizar gases ácidos o alcalinos
• Depurador de plasma: Descompone gases tóxicos y nocivos utilizando plasma de alta temperatura
• Depurador de combustión: Oxida y descompone gases inflamables a altas temperaturas

Equipo de tratamiento de gases de escape lavado con agua de Shenzhen Wofly Technology (solo como referencia)