薄膜制程技术关卡突破 Oxide TFT稳居基板技术主流
时间：2013-03-19 12:53:00
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[导读]Oxide TFT将成为下世代显示面板的基板技术首选。台日韩面板厂在Oxide TFT技术的研发脚步愈来愈快，不仅已突破材料与薄膜制程等技术瓶颈，更成功展示Oxide TFT显示器原型，为该技术商品化增添强劲动能，并有助其成为新
Oxide TFT将成为下世代显示面板的基板技术首选。台日韩面板厂在Oxide TFT技术的研发脚步愈来愈快，不仅已突破材料与薄膜制程等技术瓶颈，更成功展示Oxide TFT显示器原型，为该技术商品化增添强劲动能，并有助其成为新一代显示器基板的技术主流。
技术迭有进展Oxide TFT商用快马加鞭
氧化物薄膜电晶体(Oxide TFT)接近低温多晶矽(LTPS)TFT的电性水准，并相容于非晶矽(a-Si)TFT生产线与低温制程。至今，在各国研发单位的技术竞争下，Oxide TFT已有相当惊人的研发成果，甚至已进入商品化。本文主要介绍Oxide TFT技术与发展趋势，包含国内外技术研发现况、技术挑战与未来发展趋势等。此外，亦将说明Oxide TFT在软性电子的应用。
氧化铟锡(ITO)开启透明导电氧化物(TCO)薄膜的时代，并已成为光电产业最重要的材料之一。另外，透明氧化物半导体(Transparent Oxide Semiconductor)的研究亦如火如荼地展开，以氧化锌(ZnO)为研究的主流，GaZnO、InZnO、AlZnO亦逐渐崭露头角，但尚无稳定的主流材料。
直至2003年，东京工业大学教授细野秀雄(Hideo Hosono)，在科学(Science)期刊发表单晶态(Crystalline Phase)的铟镓锌氧化物(InGaZnO)TFT。由于是单晶态，InGaZnO TFT制程温度相当高(1,400℃)，亦不适合应用在玻璃或塑胶基板等，应用上产生诸多瓶颈。
紧接着，2004年细野秀雄再于自然(Nature)期刊发表非晶态(Amorphous Phase)的InGaZnO TFT制作于塑胶基板上，由于低制程温度(室温)的优势，大幅提升其应用性，不仅可制作在玻璃基板，亦可制作在塑胶基板上，因此未来朝向塑胶基板的软性电子开发已不再是梦。
目前薄膜制程方式有两种，以真空溅镀(Sputtering)薄膜技术为主，其具备较高电子移动率(>5cm2/V-s)，电性表现已超过传统有机半导体材料与a-Si薄膜(<1cm2/V-s)，甚至于与LTPS薄膜相当(10～100 cm2/V-s)；而溶胶/凝胶(Sol-Gel)薄膜技术已从烧结温度500℃降至200℃以下，因其特殊的制程方式，最终的目标为取代真空制程系统，进而达到无光罩制程，节省材料与制程成本，相信不久的未来，Oxide TFT技术的世代即将来临。
由国际技术研讨会论文来看，Oxide TFT的研发脚步越来越快速，台、日、韩面板厂不约而同采用InGaZnO TFT技术发表最新一代的显示器产品。
本文将针对2012年在美国举办的国际显示资讯研讨会(SID)与在日本举办的国际显示器研讨会(IDW)做一介绍，并针对以玻璃基板为主的显示器与以软性基板为主的软性显示器深入剖析。
台日韩面板厂加紧研发Oxide TFT显示器倾巢出
表1为2012年友达光电与韩国乐金显示(LGD)所发表的Oxide TFT技术的研发比较。友达展示以InGaZnO TFT驱动的32寸FHD(1,920×RGB×1,080)主动式矩阵有机发光二极体(AMOLED)，其OLED采用FMM(Fine Metal Mask)进行红绿蓝(RGB)的蒸镀技术；另更发表世界最大65寸UHD主动式矩阵液晶显示器(AMLCD)，采用CHP(Channel Protection)的元件结构。而乐金显示则发表55寸FHD主动式有机发光显示器，采用BCE(Back Chanel Etch)InGaZnO TFT，其OLED采用白光OLED(WOLED)搭配彩色滤光片(Color Filter)；另亦发表55寸UHD AMLCD，采用CHP元件结构的InGaZnO TFT，且搭配金属导线使用铜制程。而全球显示器龙头韩国三星(Samsung)却在此技术论坛缺席。
日本大厂的研发速度并不亚于韩国，在技术上的研发深度更是略胜韩国一筹(表2)。显示器大厂夏普(Sharp)与日本半导体能源研究所(SEL)的研发团队开发出CAAC(C-Axis Aligned Crystal)的结晶态InGaZnO TFT技术，因其特殊的结晶态，虽载子移动率仅7.7cm2/V-s，但其最大的优势在于极佳的元件稳定度，克服InGaZnO TFT最让人诟病的环境稳定度与电气可靠度。不过，其关键技术已被列入国家级机密，详细的制程已无法得知。
夏普的研发团队采用CAAC-InGaZnO TFT技术，展示13.5寸UHD AMOLED，另亦展示13.5寸qFHD(960×RGB×540)软性AMOLED，其关键制程在于采用转贴技术。首先在玻璃上完成面板制程，再将显示阵列与玻璃中间的蚀刻牺牲层进行蚀刻，两者分离后转贴显示阵列至塑胶基板。
电子大厂索尼(Sony)与友达的研发团队合作，共同发表40寸主动式有机发光显示器应用，文中提到采用BCE结构时，InGaZnO半导体层在后续的金属制程中，极易受到金属蚀刻液破坏，进而提出非晶态的InSnZnO(a-ITZO)与结晶态的InGaO(c-IGO)半导体材料，其制作出来的元件特性并不亚于现行的InGaZnO TFT(表3)。
如同a-Si TFT的BCE结构，除可缩减光罩数之外，并对缩小元件设计准则(Design Rule)有相当大的帮助，因此制作BCE结构的Oxide TFT已成为面板厂积极寻求解决之瓶颈。索尼同时也发表9.9寸qFHD软性主动式有机发光显示器，其采用CHP元件结构的InGaZnO TFT与上发射型(Top-Emitting)的白色有机发光层搭配彩色滤光片，至于采用的彩色滤光片阵列(CFA)塑胶基板并未着墨太多。
日本放送协会NHK也投入软性显示器的开发，2011年发表5寸QVGA(320×RGB×240)有机发光显示器，最高制程温度仅150℃，所使用的塑胶基板为PEN(Poly-Ethylene Naphthalate)，而2012年更进一步发表8寸VGA(640×RGB×480)OLED，采用日本材料大厂ZEON的有机材料当作闸极绝缘层，进行InGaZnO TFT的制作，最高退火温度仅130℃，元件亦为CHP结构。
日本家电大厂东芝(Toshiba)采用透明PI(Polyimide)塑胶基板进行CHP结构InGaZnO TFT的开发，成功展示11.7寸FHD(960×RGB×540)软性AMOLED，其中面板架构为白色有机发光层，搭配整合彩色滤光片阵列(COA)的薄膜电晶体阵列。
韩国庆熙大学(Kyung Hee University)与科隆工业(KOLON Industries)采用黄褐色的PI塑胶基板，制作出单色的2.2寸软性AMOLED，并分析元件的挠曲特性。欧洲的Holst Centre(TNO & IMEC)则展出96×96的软性AMOLED，所使用的塑胶基板为PEN，元件为CHP结构的InGaZnO TFT(表4)。 [!--empirenews.page--]
至于台湾的工业技术研究院亦不缺席，发表两篇前瞻的技术论文，其一采用自行开发的透明PI与不锈钢板的复合式基板，进行卷对卷连续式(R2R)制程技术的先期研究，有别于业界普遍采用的下闸极(Bottom-Gate)元件结构，其采用上闸极(Top-Gate)元件结构，进行软性InGaZnO TFT的试制，并利用其复合式基板制作软性的双稳态电泳显示器，此概念希望促成传统枚叶式(Sheet-to-Sheet)制程，进入卷对卷连续式制程的新契机，最终目标为降低生产成本，并使用承载软性基板的最佳方式，进行软性电子的开发。
其二则是采用日本材料大厂Kaneka的透明PI塑胶基板进行软性InGaZnO TFT的试制，文中可看到PI材料的热稳定性相当优良，未来的研发方向将持续改善基板的光学特性，以扩大显示器应用性。欧洲的Holst Centre(TNO & IMEC)、Katholieke Univ.与Evonik Industries AG合作，共同发表软性氧化物薄膜电晶体的前瞻技术开发，其中半导体薄膜制程有别于业界常用的真空溅镀法，而采用溶液制程再进行退火烧结，即为溶胶/凝胶(Sol-Gel)法，最高烧结温度为160℃，使用以ZnO为基础的半导体材料，塑胶基板为PEN，元件采用BCE结构，电子移动率仅0.81cm2/V-s，详细的元件电性参数比较(表5)。
在欧洲的研发团队中，以德国Evonik Industries AG最为积极，其对于薄膜制程的技术发展蓝图(图1)的目标明确，起初欲将现行的真空制程系统(如CVD或PVD)取代为涂布(Coating)制程(如Spin-coating、Slit-coating)，最终采用印刷(Printing)制程(如Offset-printing、Inkjet-printing)，达到节省材料与设备成本，进而达成无光罩制程，其发表三篇相关的论文，采用In2O3为基础的半导体材料，元件采同平面(Coplanar)结构，即下闸极与底接触(Bottom-Contact)的结构，若最高烧结温度350℃，电子移动率可达到10cm2/V-s的水准，电气特性十分优良，但降低烧结温度至160℃，则电子移动率降至2cm2/V-s，电性曲线也有漂移的现象，呈现不稳定的状态，但相信假以时日，持续调整材料特性，元件特性必能大幅改善(表6)。
图1 Evonik Industries AG的技术发展蓝图
在2013年1月分的国际消费性电子展(CES)中，日本索尼成功展示世界最大56寸UHD主动式有机发光显示器(图2)，其中OLED采用白光OLED搭配彩色滤光片，并公开表示驱动背板采用与台湾友达光电合作的InGaZnO TFT阵列。相较之下，友达已发表的65寸UHD显示器，显示台湾研发团队在Oxide TFT上的进度，已与国际大厂不分轩轾，相信在不久的将来，台湾会有更多突破性的产品问世。
图2 索尼与友达共同发表全球最大UHD解析度AMOLED电视
突破材料与生产技术桎梏Oxide TFT应用版图扩张
台湾显示器产业已臻成熟，其中薄膜电晶体技术日新月异。然Oxide TFT技术不但具有LTPS TFT技术之高载子移动率的电气特性，同时又完全相容于a-Si TFT的生产线，因此其优越的电气特性与低温制程，被誉为下世代的薄膜电晶体。 Oxide TFT的技术发展趋势，主动层材料由早期的ZnO到GaZnO和InZnO，而目前最热门的材料非InGaZnO莫属，由细野秀雄教授主导开发。
以最接近量产的技术来看，采用真空溅镀法来进行主动层的沈积，应是未来的主流，其他如溶胶/凝胶法尚未成熟，若以降低成本考量，仍是必须继续的研发方向。
以元件结构来看，下闸极结构与非晶矽薄膜电晶体相似，可最快导入量产，如何将目前较为成熟的CHP结构更换成BCE结构，达到光罩缩减与元件设计准则缩小化的目的，亦是目前研发团队研究的重点。
在软性电子的领域，Oxide TFT备受关注，与矽基薄膜电晶体、有机薄膜电晶体共同竞争。由于Oxide TFT采用真空溅镀法，已具备整合塑胶基板所需的低温制程，主动层结构为离子键非共价键，是否能增加耐挠度，亦是研究重点之一，若能有更多机械挠曲可靠度测试结果出炉，软性电子的梦想已不远矣。
自第一篇非晶态InGaZnO TFT学术论文发布，至今已有如此惊人的研发成果，台湾研发的脚步必须更快，投入的能量必须更多，才能迎头赶上，免受国际专利权的剥削，领先国际。
(本文作者为工研院电子与光电研究所软性电子组研发副组长)
技术迭有进展Oxide TFT商用快马加鞭
氧化物薄膜电晶体(Oxide TFT)接近低温多晶矽(LTPS)TFT的电性水准，并相容于非晶矽(a-Si)TFT生产线与低温制程。至今，在各国研发单位的技术竞争下，Oxide TFT已有相当惊人的研发成果，甚至已进入商品化。本文主要介绍Oxide TFT技术与发展趋势，包含国内外技术研发现况、技术挑战与未来发展趋势等。此外，亦将说明Oxide TFT在软性电子的应用。
氧化铟锡(ITO)开启透明导电氧化物(TCO)薄膜的时代，并已成为光电产业最重要的材料之一。另外，透明氧化物半导体(Transparent Oxide Semiconductor)的研究亦如火如荼地展开，以氧化锌(ZnO)为研究的主流，GaZnO、InZnO、AlZnO亦逐渐崭露头角，但尚无稳定的主流材料。
直至2003年，东京工业大学教授细野秀雄(Hideo Hosono)，在科学(Science)期刊发表单晶态(Crystalline Phase)的铟镓锌氧化物(InGaZnO)TFT。由于是单晶态，InGaZnO TFT制程温度相当高(1,400℃)，亦不适合应用在玻璃或塑胶基板等，应用上产生诸多瓶颈。
紧接着，2004年细野秀雄再于自然(Nature)期刊发表非晶态(Amorphous Phase)的InGaZnO TFT制作于塑胶基板上，由于低制程温度(室温)的优势，大幅提升其应用性，不仅可制作在玻璃基板，亦可制作在塑胶基板上，因此未来朝向塑胶基板的软性电子开发已不再是梦。
目前薄膜制程方式有两种，以真空溅镀(Sputtering)薄膜技术为主，其具备较高电子移动率(>5cm2/V-s)，电性表现已超过传统有机半导体材料与a-Si薄膜(<1cm2/V-s)，甚至于与LTPS薄膜相当(10～100 cm2/V-s)；而溶胶/凝胶(Sol-Gel)薄膜技术已从烧结温度500℃降至200℃以下，因其特殊的制程方式，最终的目标为取代真空制程系统，进而达到无光罩制程，节省材料与制程成本，相信不久的未来，Oxide TFT技术的世代即将来临。
由国际技术研讨会论文来看，Oxide TFT的研发脚步越来越快速，台、日、韩面板厂不约而同采用InGaZnO TFT技术发表最新一代的显示器产品。
本文将针对2012年在美国举办的国际显示资讯研讨会(SID)与在日本举办的国际显示器研讨会(IDW)做一介绍，并针对以玻璃基板为主的显示器与以软性基板为主的软性显示器深入剖析。
台日韩面板厂加紧研发Oxide TFT显示器倾巢出
表1为2012年友达光电与韩国乐金显示(LGD)所发表的Oxide TFT技术的研发比较。友达展示以InGaZnO TFT驱动的32寸FHD(1,920×RGB×1,080)主动式矩阵有机发光二极体(AMOLED)，其OLED采用FMM(Fine Metal Mask)进行红绿蓝(RGB)的蒸镀技术；另更发表世界最大65寸UHD主动式矩阵液晶显示器(AMLCD)，采用CHP(Channel Protection)的元件结构。而乐金显示则发表55寸FHD主动式有机发光显示器，采用BCE(Back Chanel Etch)InGaZnO TFT，其OLED采用白光OLED(WOLED)搭配彩色滤光片(Color Filter)；另亦发表55寸UHD AMLCD，采用CHP元件结构的InGaZnO TFT，且搭配金属导线使用铜制程。而全球显示器龙头韩国三星(Samsung)却在此技术论坛缺席。
日本大厂的研发速度并不亚于韩国，在技术上的研发深度更是略胜韩国一筹(表2)。显示器大厂夏普(Sharp)与日本半导体能源研究所(SEL)的研发团队开发出CAAC(C-Axis Aligned Crystal)的结晶态InGaZnO TFT技术，因其特殊的结晶态，虽载子移动率仅7.7cm2/V-s，但其最大的优势在于极佳的元件稳定度，克服InGaZnO TFT最让人诟病的环境稳定度与电气可靠度。不过，其关键技术已被列入国家级机密，详细的制程已无法得知。
夏普的研发团队采用CAAC-InGaZnO TFT技术，展示13.5寸UHD AMOLED，另亦展示13.5寸qFHD(960×RGB×540)软性AMOLED，其关键制程在于采用转贴技术。首先在玻璃上完成面板制程，再将显示阵列与玻璃中间的蚀刻牺牲层进行蚀刻，两者分离后转贴显示阵列至塑胶基板。
电子大厂索尼(Sony)与友达的研发团队合作，共同发表40寸主动式有机发光显示器应用，文中提到采用BCE结构时，InGaZnO半导体层在后续的金属制程中，极易受到金属蚀刻液破坏，进而提出非晶态的InSnZnO(a-ITZO)与结晶态的InGaO(c-IGO)半导体材料，其制作出来的元件特性并不亚于现行的InGaZnO TFT(表3)。
如同a-Si TFT的BCE结构，除可缩减光罩数之外，并对缩小元件设计准则(Design Rule)有相当大的帮助，因此制作BCE结构的Oxide TFT已成为面板厂积极寻求解决之瓶颈。索尼同时也发表9.9寸qFHD软性主动式有机发光显示器，其采用CHP元件结构的InGaZnO TFT与上发射型(Top-Emitting)的白色有机发光层搭配彩色滤光片，至于采用的彩色滤光片阵列(CFA)塑胶基板并未着墨太多。
日本放送协会NHK也投入软性显示器的开发，2011年发表5寸QVGA(320×RGB×240)有机发光显示器，最高制程温度仅150℃，所使用的塑胶基板为PEN(Poly-Ethylene Naphthalate)，而2012年更进一步发表8寸VGA(640×RGB×480)OLED，采用日本材料大厂ZEON的有机材料当作闸极绝缘层，进行InGaZnO TFT的制作，最高退火温度仅130℃，元件亦为CHP结构。
日本家电大厂东芝(Toshiba)采用透明PI(Polyimide)塑胶基板进行CHP结构InGaZnO TFT的开发，成功展示11.7寸FHD(960×RGB×540)软性AMOLED，其中面板架构为白色有机发光层，搭配整合彩色滤光片阵列(COA)的薄膜电晶体阵列。
韩国庆熙大学(Kyung Hee University)与科隆工业(KOLON Industries)采用黄褐色的PI塑胶基板，制作出单色的2.2寸软性AMOLED，并分析元件的挠曲特性。欧洲的Holst Centre(TNO & IMEC)则展出96×96的软性AMOLED，所使用的塑胶基板为PEN，元件为CHP结构的InGaZnO TFT(表4)。 [!--empirenews.page--]
至于台湾的工业技术研究院亦不缺席，发表两篇前瞻的技术论文，其一采用自行开发的透明PI与不锈钢板的复合式基板，进行卷对卷连续式(R2R)制程技术的先期研究，有别于业界普遍采用的下闸极(Bottom-Gate)元件结构，其采用上闸极(Top-Gate)元件结构，进行软性InGaZnO TFT的试制，并利用其复合式基板制作软性的双稳态电泳显示器，此概念希望促成传统枚叶式(Sheet-to-Sheet)制程，进入卷对卷连续式制程的新契机，最终目标为降低生产成本，并使用承载软性基板的最佳方式，进行软性电子的开发。
其二则是采用日本材料大厂Kaneka的透明PI塑胶基板进行软性InGaZnO TFT的试制，文中可看到PI材料的热稳定性相当优良，未来的研发方向将持续改善基板的光学特性，以扩大显示器应用性。欧洲的Holst Centre(TNO & IMEC)、Katholieke Univ.与Evonik Industries AG合作，共同发表软性氧化物薄膜电晶体的前瞻技术开发，其中半导体薄膜制程有别于业界常用的真空溅镀法，而采用溶液制程再进行退火烧结，即为溶胶/凝胶(Sol-Gel)法，最高烧结温度为160℃，使用以ZnO为基础的半导体材料，塑胶基板为PEN，元件采用BCE结构，电子移动率仅0.81cm2/V-s，详细的元件电性参数比较(表5)。
在欧洲的研发团队中，以德国Evonik Industries AG最为积极，其对于薄膜制程的技术发展蓝图(图1)的目标明确，起初欲将现行的真空制程系统(如CVD或PVD)取代为涂布(Coating)制程(如Spin-coating、Slit-coating)，最终采用印刷(Printing)制程(如Offset-printing、Inkjet-printing)，达到节省材料与设备成本，进而达成无光罩制程，其发表三篇相关的论文，采用In2O3为基础的半导体材料，元件采同平面(Coplanar)结构，即下闸极与底接触(Bottom-Contact)的结构，若最高烧结温度350℃，电子移动率可达到10cm2/V-s的水准，电气特性十分优良，但降低烧结温度至160℃，则电子移动率降至2cm2/V-s，电性曲线也有漂移的现象，呈现不稳定的状态，但相信假以时日，持续调整材料特性，元件特性必能大幅改善(表6)。
图1 Evonik Industries AG的技术发展蓝图
在2013年1月分的国际消费性电子展(CES)中，日本索尼成功展示世界最大56寸UHD主动式有机发光显示器(图2)，其中OLED采用白光OLED搭配彩色滤光片，并公开表示驱动背板采用与台湾友达光电合作的InGaZnO TFT阵列。相较之下，友达已发表的65寸UHD显示器，显示台湾研发团队在Oxide TFT上的进度，已与国际大厂不分轩轾，相信在不久的将来，台湾会有更多突破性的产品问世。
图2 索尼与友达共同发表全球最大UHD解析度AMOLED电视
突破材料与生产技术桎梏Oxide TFT应用版图扩张
台湾显示器产业已臻成熟，其中薄膜电晶体技术日新月异。然Oxide TFT技术不但具有LTPS TFT技术之高载子移动率的电气特性，同时又完全相容于a-Si TFT的生产线，因此其优越的电气特性与低温制程，被誉为下世代的薄膜电晶体。 Oxide TFT的技术发展趋势，主动层材料由早期的ZnO到GaZnO和InZnO，而目前最热门的材料非InGaZnO莫属，由细野秀雄教授主导开发。
以最接近量产的技术来看，采用真空溅镀法来进行主动层的沈积，应是未来的主流，其他如溶胶/凝胶法尚未成熟，若以降低成本考量，仍是必须继续的研发方向。
以元件结构来看，下闸极结构与非晶矽薄膜电晶体相似，可最快导入量产，如何将目前较为成熟的CHP结构更换成BCE结构，达到光罩缩减与元件设计准则缩小化的目的，亦是目前研发团队研究的重点。
在软性电子的领域，Oxide TFT备受关注，与矽基薄膜电晶体、有机薄膜电晶体共同竞争。由于Oxide TFT采用真空溅镀法，已具备整合塑胶基板所需的低温制程，主动层结构为离子键非共价键，是否能增加耐挠度，亦是研究重点之一，若能有更多机械挠曲可靠度测试结果出炉，软性电子的梦想已不远矣。
自第一篇非晶态InGaZnO TFT学术论文发布，至今已有如此惊人的研发成果，台湾研发的脚步必须更快，投入的能量必须更多，才能迎头赶上，免受国际专利权的剥削，领先国际。
(本文作者为工研院电子与光电研究所软性电子组研发副组长)
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