顯示器產業不斷向8K電視、高效能筆記型電腦,還有平板電腦等中大型尺寸沉浸式顯示技術發展靠攏。隨著這些趨勢開始變成產業標準,氧化物半導體(Oxide)市場也成為生產新一代高效能顯示器的重大機會。這些顯示器有著以下特點:更高的解析度、更快的更新頻率;更高度的電路整合以做出纖細的邊框;提高面板開口率及實現更大世代的生產協助面板廠節省成本。

為滿足這些技術的需求,薄膜電晶體(TFT)技術方面亦需要有新的突破。在當前的顯示器產業裡,非晶矽TFT (a-Si TFT)在各種應用裡仍有著領先地位,而低溫多晶矽TFT (LTPS)則是實現高效能手持顯示器的關鍵顯示技術。a-Si與LTPS之間的主要差異在於a-Si TFT的製程及結構更為單純,且在生產尺寸上具有擴展性。LTPS卻有著更佳的TFT表現,能夠生產出有著解析度更高、耗電量更低的顯示器。LTPS的缺點在於尺寸上的限制和製造成本增加。a-Si或LTPS皆無法徹底滿足新一代高效能顯示器在技術方面的要求。

因此顯示器產業開始要求經過精確設計的玻璃基板,面板廠才能生產出著更高像素密度的高效能顯示器,以滿足消費市場對更高亮度、更新頻率更快、畫面更逼真的需求。為了生產出滿足這些效能要求的顯示器,面板製造商需要有一塊在製程中更耐高溫及尺寸穩定的玻璃,以提高良率並達到所要求的解析度。

這些來自顯示器產業的要求凝集出新的製程及玻璃成分的挑戰,代表必須得開發出先進的Oxide TFT技術玻璃技術。

氧化物TFT技術簡介

幾十年來非晶矽(a-Si)背板是用於生產平面顯示器的主要技術,絕大多數的顯示器皆是採用a-Si背板,原因在於a-Si背板的製程單純、有著絕佳的經濟性,又能用於生產更大尺寸的面板。隨著市場上出現愈來愈多的手持行動裝置,對於更明亮及(或)更高解析度顯示器的需求也日漸增加,低溫多晶矽(LTPS)等替代性背板技術也異軍突起。LTPS 與a-Si相似,卻需要更高的製程溫度和更複雜的製程,這使得LTPS背板有著更先進的屬性,例如高出50倍的電子遷移率。這些屬性足以生產出尺寸更小的TFT元件(有著更高的解析度和更明亮的畫面)及更快速的更新頻率。這顯然是一項優於a-Si的技術,但更高的製程溫度和更複雜的製程卻又讓LTPS比a-Si貴上不少。LTPS也不易用於大世代基板生產,無法達到更優秀的面板經濟性。

理想的背板技術應該是將更大尺寸a-Si面板的單純性、經濟性和可擴展性,與LTPS更優秀的效能兩相結合,這正是Oxide TFT技術所能提供的。最常用的Oxide TFT技術為氧化銦鎵鋅(Indium-Gallium-Zinc-Oxide),或稱為「IGZO」技術。

Oxide的遷移率不如LTPS那麼高,卻比a-Si技術高出一個量級,足以用於生產OLED顯示器和8K 120Hz + LCD電視機。此外,Oxide TFT的低漏電流屬性也能在低更新頻率的情況,讓靜態影像不會出現閃爍畫面(表1比較了各種TFT技術)。Oxide TFT背板跟 LTPS 一樣,比 a-Si 背板有著更佳的電子效能表現,Oxide TFT背板卻能以合理成本擴大到生產10.5代尺寸的基板(這點與 LTPS 不同),以生產出高階大尺寸LCD和OLED電視。正是這種「剛剛好」結合a-Si和LTPS特性的情況,Oxide TFT技術引發了全球面板廠的重視,能夠以LTPS不及的尺寸和成本優勢,生產出遠優於a-Si的顯示器。

表1:各種TFT技術比較

氧化物半導體TFT製程

Oxide TFT製程分為兩大類:蝕刻停止(etch-stop)和背通道蝕刻(BCE),主要差別在於蝕刻製程期間是否使用蝕刻停止層(也稱為 ESL)保護 IGZO 通道。

蝕刻停止氧化物TFT製程

最早開始發展Oxide TFT技術之際,其可靠性成為一大關注重點。在後續製程裡常會損壞Oxide TFT通道,因此設計出蝕刻停止結構以保護Oxide TFT通道。蝕刻停止(ESL) Oxide TFT製程始於一個下閘極結構,並且受到閘極介電層和TFT島的覆蓋。在閘極介電層(GI)層和TFT圖案轉換之後,將完成圖案化的SiO2層進行沉積來覆蓋IGZO通道區域,以保護Oxide TFT不會進行後續的源極/汲極(S/D)蝕刻,如此一來便能提高TFT的可靠性,且在完成S/D蝕刻製程後進行鈍化,加入透明導電薄膜(ITO)層(如圖一所示)。ESL的製程溫度可能高達300-400°C,且持續一個小時或更長時間。這個溫度雖高於部分a-Si製程,卻遠低於一般溫度超過500°C的LTPS製程。

圖1:氧化物TFT — ES製程

BCE氧化物TFT製程

BCE Oxide TFT製程(圖2)在光刻蝕製程(PEP)的前兩個步驟裡,跟ESL Oxide TFT製程十分相似。高溫(400-500°C)退火製程卻提高了TFT的可靠性,如此一來便能省略掉ESL製程。較高溫度的退火步驟需要有著熱穩定特性的玻璃,才能承受相對於一般氧化物(ESL)或a-Si製程更為苛刻的製造環境和生產時間。

圖2:氧化物TFT — BCE 製程

對於面板廠來說,BCE Oxide TFT製程跟過去二十年裡廣泛使用的 a-Si製程很像,與ES Oxide TFT製程相比還少了一個光罩製程,因此BCE Oxide TFT漸漸成為生產Oxide TFT的主流製程。

玻璃基板用於Oxide TFT製程的挑戰

Oxide TFT製程對於生產大尺寸、高效能電視機來說,有著明顯的技術優勢,對於這項製程裡使用的玻璃基板倒是提出了多項獨特的難題。

玻璃基板通過一般TFT背板製程時,形狀或尺寸(即應力)會出現變化,這稱為total pitch (TP)變化,其中一項最重要的玻璃基板屬性便是total pitch變異量(TPV),這項偏差來自於玻璃基板面內及基板片間可預測的玻璃尺寸變化量移動情況。基板必須達到要求的物理特性平衡,以抵抗生成基板應力的各種原因:彈性形變、應力鬆弛和收縮,玻璃基板才能擁有良好的TPV表現。下面討論這些應力來源及及抵抗它們的相對應玻璃特性。

彈性形變

在TFT製程裡,薄膜應力和閘極金屬等多種應力來源會在玻璃基板產生作用。在Oxide TFT中,有著相當厚度和覆蓋面積的閘極金屬造成尤為顯著的應力。應力大小、玻璃的彈性模數和基板的厚度決定了與這些應力相關的pitch變化。TFT製造商決定了應力大小,且這個產業不斷推動生產更薄的基板,玻璃製造商手中操控的唯一屬性便是提高彈性模數,以增加基板剛度。TFT製程裡每片玻璃基板的應力都不一樣,施加的應力差異會使得較高的彈性模數減低應力,將因此造成的TPV減至最低。

應力鬆弛

施加在薄膜和閘極金屬上的應力,也會在後續熱製程中透過應力鬆弛來影響整體TPV。基板經歷TFT製程的各步驟,薄膜、閘極金屬和基板本身也都會經歷應力鬆弛。這些應力狀態隨著時間和溫度出現變化,基板伴隨而生的應力也會隨之改變而造成pitch出現變化和TPV的增加。玻璃基板可運用製程溫度下的有效黏度,來抵抗薄膜、閘極金屬的應力鬆弛。a-Si TFT製程的溫度夠低,玻璃基板有著相對較高的黏度,使得應力鬆弛的影響最低(玻璃黏度隨著溫度降低而增加)。Oxide TFT製程裡的溫度較高,玻璃的有效黏度降低,出現應力鬆弛的可能性變高。對於BCE Oxide TFT製程來說尤為顯著,其加工溫度超過 400°C。足以應付一般 a-Si 應用的傳統玻璃基板,也足以應付較低溫度的ESL Oxide TFT製程,溫度較高的BCE oxide TFT製程便得使用在400°C溫度還有著較高有效黏度的基板。

收縮

玻璃本身出現結構性鬆弛的情況,玻璃基板的有效黏度對TFT製程裡玻璃基板的黏性鬆弛量扮演著重要角色。玻璃業通常稱此為「壓實」或「收縮」。客戶製程使得玻璃結構從非平衡狀態變成更接近平衡狀態的過程,便為收縮。這種黏性鬆弛量與玻璃結構變化的程度成比例,且跟TFT製程溫度下的玻璃有效黏度成反比。有著較高黏度的玻璃有利於將TPV降到最低,就跟應力鬆弛一樣。在玻璃特性方面,黏度較高的玻璃有著較高的「退火點」,因此對玻璃製造商而言,較高的退火點經常是玻璃基板的賣點。

下垂

在邊緣以水平方式支撐著大片玻璃,以其自身重量自然彎曲時,便會出現玻璃彎曲的情況。在操作大片玻璃基板及OLED材料蒸鍍製成均勻性方面,彎曲成為製成操作時的一大難題。彎曲量與玻璃密度成正比,與彈性模數成反比。彈性模數代表玻璃在製程中抵抗變形的能力,而低密度可以生產出重量較輕的玻璃。彈性模量和密度的比率決定了玻璃的彎曲量,較高的比率(模數更高及(或)密度更低)可減少玻璃彎曲量及提高表現。

總厚度變異

總厚度變異(TTV)的單位為微米,測量玻璃基板特定區域上玻璃厚度的變化情況。與在浮法平台上生產的玻璃相比,康寧獨有的熔融製程可以生產出有著業界最低TTV水準的玻璃。

因玻璃基板TTV的進步,面板製造商便能享受到更優異的沉積層厚度一致性及更精細的光刻圖像。從曝光製程的角度來看,這一點尤其重要,控制對焦區域是件至關重要的事。若在移動視窗範圍(MWR)中玻璃的TTV值若在對焦視野深度區域外,便無法獲得清晰的圖案(圖3)。在生產高解析度顯示器所需的精確光刻步驟裡,有著較低TTV值的玻璃基板具備顯著的優點。

圖3:玻璃的TTV值較高便無法獲得清晰圖案(圖左),從而可能導致短路

生產大尺寸玻璃

螢幕尺寸不斷變大,面板廠在提高良率、最大化生產量及降低材料成本方面有了新的挑戰,不得不提高玻璃的利用率,如此一來就必須以高效率的方式製造玻璃基板,且擴大到更大的尺寸(Gen 8.5 以上)。

康寧獨有的熔融製程可生產出尺寸達Gen 10.5 (2940 x 3370mm)的玻璃面板,以便更充分使用玻璃來生產更大尺寸的螢幕。一片Gen 10.5玻璃可以生產出八片65吋顯示器面板,或是六片75吋顯示器面板。提高玻璃利用率大幅降低了面板廠的成本,亦是推動TFT 市場的關鍵。

在快速減薄和生成汙泥之間取得平衡

輕薄外形是用於IT或手持裝置之氧化物TFT的其中一個關鍵特徵。通常為此要使用化學減薄製程,將顯示面板的厚度減至約0.15mm/0.15mm(顯示器裡的兩塊玻璃)。如此一來顯然要用更快的減薄速度,才能提高產量和降低成本,但此時又會產生「汙泥」。一旦出現汙泥,便不利於減薄服務供應商的製程並可能導致相較於提升減薄速度更大的代價。使用在減薄速度和汙泥產生量之間取得平衡的玻璃,面板製造商便能享受到最佳的產量和成本。

總結

上述針對氧化物TFT的技術難題及技術要求,說明了一款具備了均衡物理特性的新款玻璃基板對面板製造產業是需要的。在顯示器應用方面,這包括低total pitch變異、低總厚度變異和低彎曲。這些玻璃屬性,加上將製造能力擴大到大尺寸基板的能力,有助生產出新一代中大尺寸沉浸式8K電視機。

在高效能筆記型電腦、平板電腦及其它手持裝置方面,快速減薄和最低汙泥生成量的玻璃屬性,其重要性日漸增加,如此一來才能獲得更佳的畫質和更短的回應時間。

與目前的a-Si和LTPS TFT技術相比,這些應用要改為採用氧化物技術。市場上開始大力推動氧化物技術,面板廠面臨著新的製程及技術挑戰。為了生產出滿足效能期望的顯示器,面板廠需要具熱穩定性及基板尺寸穩定的玻璃,以兼顧產品的解析度與良率。