技術洞察-面對多樣化市場需求 TFT液晶的製造技術不斷革新

液晶顯示器結合了長久以來的設計技術、流程技術和生產技術的經驗。同時,TFT液晶面板的製造工程又一直在進行著生產性提高、成本降低和面板性能提高的技術革新。基板尺寸的大型化就是提高生產性的一個典型的例子,此外還有各方面的提高生產性能,及提高面板性能的革新技術被不斷引進。

 TFT液晶面板的製造工程一般被分為3個部分。最初的工程被稱為TFT Array製程,在玻璃基板上置入薄膜電晶體和驅動所需的電路。這個工程需要重複上光阻、微影、蝕刻,才能在玻璃基本上形成Array電路。這種微影、蝕刻重複的次數一般被稱為「光罩數」。

 第二個工程被稱為液晶Cell製程。它是在另一塊玻璃基板上做成RGB三原色層,而變成彩色濾光片,然後將彩色濾光片和完成Array製程的基板,貼合並且注入液晶的工程。

 在這個工程中要進行讓液晶配向的配向膜塗布,和配向處理。Cell製程是會影響到液晶面板顯示品質的重要製程,至今為止,其中部分仍必須依靠操作人員的經驗和直覺。

 第三階段的製程被稱為模組工程,在已經完成的Cell基板上組裝驅動IC或背光光源模組等,讓液面面板「發光」的相關零組件。在模組工程中,大型化、多樣化的各種類液晶面板的高效率製造是最重要的要求。



液晶製造生產線的投資生產性

 液晶面板製造中,最讓人關心的就是如何提高生產效率並降低成本。建置一條液晶面板生產線的時候,大多是利用以下的公式來做初步投資金額與方向的判定,來控制設備的投資額、減少折舊費,以及提高製造設備的生產效能。

 投資生產效能=面板生產量/投資金額=(母玻璃投入數量×每面可取塊數×良品率)/Array設備+Cell設備+Modile設備+CIM、搬運設備+建築+無塵室)

 製造裝置的生產性=面板每面可取片數/(設備價格×單一程品製造時間)



降低製程次數

 TFTArray製程中,減少上光阻、微影、蝕刻重複的次數,也就越少光罩數,相對的整體的製程程數也會減少,能夠縮短投資效率及總工程時間。幾年前,製程光罩數還是6∼8層,但是最近大多數面板生產商都開始採用了「5層光罩」的製造流程。

 甚至有一部分業者已經引進了4層光罩的製程。減少光罩數的背後原因是出於降低成本的市場壓力,期望以減少製程的繁瑣性來減少生產線投資額。但是,如果只是單純的減少光罩的情況下,將會出現良率降低的反效果。

 因為要減少光罩製程的數量,在製程設計上就必須有一定的方式,不會因為容易受到製程變動、Particle或缺陷等的影響。所以,為了顯現出減少光罩製程數的效果,生產設備就必須具備在大面積玻璃基板中,依然能保證生產品質的均一性,和製程變動較少、較穩定的設備,及追求Particle管理簡易性的設備。另外,伴隨畫面的大型化和精細化,畫素數及配線長度在不斷增加,所以如何減少Particle更是一項課題。


Cell製程的技術革新歷史

 Cell製程中包括配向膜的處理、液晶注入等,決定了液晶面板顯示品質的重要製程。為了讓這個Cell製程的生產性能提高,產業界開發出各種各樣的革新技術。


柱型隔板對顯示性能的改善

 Spacer ball的分佈是用來正確地控制Cell間的Gap,需要具備很高的精確度。目前已開始漸漸開始採用柱型隔板來取代原先Spacer ball的使用。這個方法可以消除隔片產生的光散射,能有效改善對比度等顯示品質。


滴落注入提高生產性

 另外,為了提高液晶注入工程的生產性,從傳統的真空注入方式,到滴落方式的改革也在進行當中。尤其是大型TV面板的製造工程中,液晶注入時間從十幾小時到一整天以上,需要非常長的時間,生產效率也很低。為了縮短液晶注入的時間,液晶滴落方式成了必不可少的技術。


非接觸配向對顯示品質的改善

 為了進一步提高液晶面板顯示品質的革新技術就是將機械地摩擦有機配向膜(PI膜)的表面讓其配向的傳統方式,轉變為使用無機膜,利用離子光束實現非接觸配向的技術,這已經開始應用於醫療用途的高端面板中。


由flexography印刷發展到Offset印刷的嘗試

 由於配向膜印刷設備是作為配向膜製程中主要的設備,從1980年代後期,當初第一代生產線為了要能夠達到大幅提高透光率,利用印刷法進行薄膜成膜,一直運用到今天開發G7,在沒有增加膜厚的情況下,為了因應生產的大型化,配向膜的面積增加了68倍左右。

 在LCD生產線中應用的配向膜印刷設備是以「flexography印刷方式」為基礎的。目前薄膜成膜,以轉寫方式來實現,但未來為了達到利用Gravure Offset印刷法進行Patten的轉寫為目的,預計在不久的將來,「Stripe型彩色濾光片印刷」及「細線圖案轉寫印刷」都將可能實現。

 所以配向膜印刷設備的技術為來將朝向,應用於大型玻璃基板的加工設備的設計應用與玻璃基板搬運系統的活用、利用轉寫技術發展於圖案印刷、開發非接觸Dot-Print(點描印刷)發展。

 印刷技術的最大特長為:比起蝕刻等法來說材料損失較少,實用程式比較簡單。所以利用各種印刷法的特長,挑戰對精密印刷的研究是相當有意義的。在不久的將來,相信印刷技術將會被活用於TFT-LCD、STN-LCD的生產流程中,生產線可能會得到進一步合理化。

 在此基礎上,印刷技術被廣泛應用於從TFT、PDP,到有機、無機EL等各種面板的生產流程中。當然,為此我們必須等待著面板製造商的開發努力與材料製造商的開發成果,但在考慮各種顯示面板的更進一步普及時,印刷技術的活用是有效的技術手法。


ZnO:Al膜作為ITO代替材料

 ITO的原料In是稀有金屬,資源方面有問題。隨著近年需求量的急速增大,人們常談及對其能否穩定供應的不安。2002∼2003年間,In金屬的市價約在100美元/kg左右,隨著礦山接連封閉,及需求量的激增,至2005年其市價已經超過1,000美元/kg。

 在這樣的背景下,人們開始關心如何節省使用In或免用In材料的相關技術。ITO薄模的製造方法分成噴熱分解法、CDC(Chemical Vapor Deposition)法等化學成膜法,和電子光束蒸著法、濺射法等物理成膜法兩大類。

 其中,濺射法是能大面積均一地成膜,且能得到高性能膜的成膜法,因此在FPD生產線中被廣泛採用。由此,在考慮節省In材料或無In時,為使現有的設備得到有效利用,利用濺射法成膜較受歡迎。

 現在,ITO中被使用的最多的SnO2的量約為10wt.%。可以考慮利用增加SnO2,藉由SnO2含量不同的薄模的抵抗率、透過率及蝕刻速度的資料,來減少In材料使用的可能性,不過根據實驗,能夠節約的In2O3僅僅只有10wt.%。而考慮到以節省In材料的優勢下,將SnO2含量增至44.5wt.%時,透過率及蝕刻速度等都會比現有的ITO明顯不佳。實際上,似乎很難透過增加SnO2含量來降低使用In材料。

 另一方面,ZnO系是廉價又資源豐富的材料,也沒有毒性,根據實驗顯示阻抗值和ITO相同,被認為是代替ITO的有力候補材料。

 ZnO系的透明導電性很久前就廣為所知,還進行了低抵抗化所需添加物的研究。添加了Al後的ZnO膜(ZAO膜)得到了190μΩcm的低阻抗結果,顯示了作為材料的可能性。

 因此,若考慮到成品的特性,或許無法採用減少In材料來達到降低成本,不過, ZAO雖然阻抗率不及ITO,但穿透率卻超過了ITO,同時也可以進行蝕刻,不過,期望能完全代替ITO可能還有困難,但是在透過設備設計或細節調整,應該有可以發揮的機會。


未來仍將繼續製造生產線技術革新

  走入多樣化時代的液晶顯示螢幕不僅要面對大型化的需求,且需要以各種形態的顯示幕出現。在產品多樣化的過程,長久以來以「面積」為基礎的想法將很難維持。要高效率地生產多樣化的產品,必須依靠一種新觀念。

 以大型面板為目標新建立的生產線中,應該是在現有基礎上引進玻璃基板尺寸更大的生產線,但在多樣化時代中還包括用於行動電話的顯示螢幕,也就是說包含筆記本電腦螢幕那樣的大尺寸一直到中小型面板,怎樣在短時間內高效率地進行生產,必須靈活應用現有的生產線,所以引進革新技術也是非常有必要的。


文章來自【盧慶儒/DigiTimes.com】

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