LCD製造核心材料：工藝流程塊具體氣體要求及各種供應模式解析

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在背板技術趨勢的推動下，顯示屏製造產生了更大的氣體需求。本文探討流程塊的具體氣體要求，對各種供應模式進行綜述。

自從有源矩陣薄膜晶體管（TFT）顯示屏在二十世紀九十年代開始民用化以來，它已成為現代生活不可或缺的組成部分，其應用遠不限於電視機和智能手機，它還存在於我們日常生活中的主要通信和信息工具：手錶（可穿戴設備）、電器、廣告、標牌、汽車等。

TFT顯示屏與半導體設備在製造方面有很多相似之處，比如：這兩種設備在製造過程中都需要大量使用氣體、還有工藝步驟中的沉積、刻蝕、清潔和摻雜，還有其他步驟使用的氣體類型都比較相似。

但在技術驅動因素和製造難點方面，這兩者之間也存在區別。對於半導體設備的製造，由於存在一些技術侷限性，無法將設備體積進一步縮小。而對於顯示屏的製造，難點主要在於，隨著消費者追求更大、更薄的顯示屏，難以保持玻璃材質的均勻性。

由於半導體晶圓的尺寸已達到極限，難以維持晶圓表面的平整性，而在過去20年內，隨著消費者追求更大、更輕、性價比更高的設備，顯示屏素玻璃的尺寸從0.1m x 0.1m（厚度1.1mm）擴大到3m x 3m（厚度0.5mm）。

隨著顯示屏素玻璃面積越來越大，顯示屏製造過程中使用的設備以及所需氣體量也越來越大。此外，由於消費者希望獲得更好的觀看體驗，例如更為豐富的顏色、更高的分辨率、更低的功耗，也促使顯示屏製造商開發有源矩陣有機發光顯示屏（AMOLED）並將其商業化。

技術

顯示設備分層

目前市場上有兩種顯示屏：有源矩陣液晶顯示屏（AMLCD）和AMOLED。AMLCD和AMOLED的顯示屏基本部件相同。顯示設備有4層（圖1）：濾色層、薄膜晶體管開關層（氣體主要用於這一層）、用於控制顏色選擇的快門層、RGB（紅綠藍）顏色過濾器。

圖1: Function and composition of thin-film display devices

關於背板/TFT

顯示屏採用的薄膜晶體管為2D漸變型晶體管，類似於FinFET之前的大宗CMOS。有源矩陣顯示屏每個像素有一個晶體管，驅動晶體管內的一種RGB顏色。隨著顯示屏分辨率增加，晶體管變小，但不會縮小到半導體設備的亞微米級尺寸。例如，像素密度為325PPI的智能手錶，其晶體管大小約為2mm²，而80 PPI像素密度的4K電視，晶體管大小約為8mm²。

技術趨勢

TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示屏）是一種基礎技術。大屏使用MO/白色OLED（有機發光二極管）。中小屏使用LTPS / AMOLED。OLED面臨的難點是<1微米粒子對產率的影響，此外由於掩碼步驟增加，其成本遠高於非晶硅（a-Si）。此外，OLED步驟中水分對生產良率具有影響。

遷移率極限（圖2）是改用MO和LTPS的主要原因之一，其目的是通過更高的分辨率，實現更好的觀看體驗等。

MO面臨的挑戰在於OLED步驟後，如何避免IGZO金屬化/潮溼造成的氧化，後者將導致產率下降。製造過程中需使用大量的N

圖 2. Mobility comparison of a-Si, MO, and LTPS

雖然AMLCD顯示屏目前仍是市場主流，但AMOLED顯示屏增長迅速。目前約有25%的智能手機採用AMOLED顯示屏，預計這一比例到2021年將達到約40%。OLED電視同樣增長迅速，同比增長率達到兩位數。根據IHS數據，在未來5年，AMOLED顯示屏面板的收入預計年均複合增長率（CAGR）將達到18.9%，而AMLCD顯示屏的收入同期CAGR為2.8%，所有顯示屏總收入同期CAGR為2.5%。隨著AMOLED顯示屏快速增長，顯示屏製造商加快了AMOLED製造設備的投資。

背板類型

顯示屏的薄膜晶體管設備主要有三種：非晶硅（a-Si）、低溫多晶硅（LTPS）和金屬氧化物（MO），也稱為透明非晶氧化物半導體(TAOS)。AMLCD面板使用a-Si一般是用於低分辨率顯示屏和電視機，而高分辨率顯示屏採用LTPS晶體管，不過由於成本較高、可擴展性受限，一般用於中小型顯示屏。AMOLED面板使用LTPS和MO晶體管，其中MO設備通常用於電視機和大型顯示屏（圖3）。

圖3. Comparison of display processes

氣體的使用方式

由於技術變遷，相比AMLCD面板，生產AMOLED面板所需使用的氣體也要發生變化。如圖4所示，目前生產顯示屏時採用多種氣體。

圖4. Primary gases used in display manufacturing

這些氣體可分為兩類：電子特種氣體（ESG）和電子大宗氣體（EBG）（圖5）。電子特種氣體包括硅烷、三氟化氮、氟（現場產生）、六氟化硫、氨氣以及磷化氫混合物，佔顯示屏製造中使用氣體的52％，而電子大宗氣體包括氮氣、氫氣、氦氣、氧氣、二氧化碳和氬氣，佔顯示屏製造中使用氣體的48％。

圖 5. Gas usage in display manufacturing by type for a-Si devices

推動使用的主要因素

推動顯示屏製造中使用氣體的主要因素包括PECVD（等離子體增強化學氣相沉積），佔ESG消耗的75％，而幹法蝕刻則推動了氦氣的使用。LTPS和MO晶體管的生產推動了氧化亞氮的使用。ESG在MO晶體管生產中的使用情況與圖4所示不同：氧化亞氮佔氣體消耗的63％，三氟化氮佔26％，硅烷佔7％，六氟化硫和氨一共約佔4％。激光氣體不僅用於光刻，也用於LTPS中準分子激光退火應用。

硅烷：SiH₄是顯示屏製造中最關鍵的氣體之一，與氨氣（NH₃）結合使用，形成用於a-Si晶體管的氮化硅層，與氮氣（N₂）結合使用，形成用於LTPS晶體管的預準分子激光退火a-Si，或與氧化亞氮（N₂O）結合使用形成MO晶體管的氧化硅層。

三氟化氮：從a-Si和LTPS顯示屏生產中的消耗和使用量來看，NF₃是a-Si和LTPS顯示屏生產中使用最多的單種電子材料，而在MO生產中，其使用量不如N

氧化亞氮：LTPS和MO顯示屏生產中均使用，從MO生產中的消耗和使用量來看，N₂O已超過NF₃成為MO生產中用量最多的電子材料。N₂O是一種區域性、本地化的產品，由於其成本低，無法採用物流成本高昂的長供應鏈。平均每5.5平方米素玻璃重約2公斤，每月一般需要240噸N₂O才能生產120K的8.5 MO顯示屏。最大的N₂O壓縮氣體拖車每次只能提供6噸N₂O，對於MO生產來說，這種做法成本高，風險大。

氮氣：一般的大型顯示屏廠氮氣需求可高達50,000 Nm³/小時，因此現場發電機（如林德 SPECTRA-N®50,000）是一種具有成本效益的解決方案，與傳統的氮氣工廠相比，顯示屏製造中的CO₂（二氧化碳）排放減少8％。

氦氣：氦氣用於流程中和流程後冷卻玻璃。由於氦氣是一種不可再生氣體，鑑於其成本和可得性，製造商正在研究減少氦氣的使用。

工廠現場氣體分佈

圖 6. 氣體如何在顯示工廠裡應用？

現場氮氣發生器：氮氣是工廠消耗最多的氣體，需要在第一批工具入場前提供。大型顯示屏工廠與大型半導體工廠一樣，需要大量的氮氣，只有現場製備才比較經濟。

低溫液體拖車：氧氣、氬氣和二氧化碳非現場生產，作為低溫液體，它們通過特種真空絕緣儲罐短途運輸。

壓縮氣體拖車：氫氣和氦氣等其他大容量的壓縮氣體，通過拖車或ISO儲罐經長距離運輸供應。

獨立包裝：特種氣體通過獨立包裝供應。對於硅烷和三氟化氮等體積較大的材料，可以採用大型ISO包裝供貨，容量可達10噸，體積較小的材料採用標準氣瓶。

混合氣體：激光氣體和摻雜劑以幾種不同氣體混合物的形式供應。要將顯示屏件製造保持在可接受的參數範圍內，混合產品的精度至關重要。

廠內分佈：即使在材料交付或生產完成後，仍然需要供應氣體。在交付給各生產流程前，需對材料進行進一步過濾、純化和在線分析。

結語

由於消費者青睞色彩越來越鮮豔、分辨率越來越高、功耗越來越低的顯示屏，顯示屏製造商將面臨挑戰，必須提升所採用的技術，開發新型顯示屏，如靈活和透明的顯示屏。這些新型顯示屏的晶體管將採用LTPS和/或MO，因此目前在這些工藝中的氣體使用量將繼續增加。考慮到目前的a-Si顯示屏生產情況，生產LTPS單位玻璃面積氣體消耗量將增加25％，生產MO增加約50％。

為了滿足這些日益增長的需求，顯示屏製造商必須與氣體供應商合作，確定哪些技術能夠滿足其技術需求，全球採購電子材料，為客戶提供穩定且具有成本效益的氣體解決方案，開發本地化電子材料來源，提高生產力，通過現場氣體工廠提高能源效率。對於蓬勃發展的中國顯示屏製造市場尤為如此，該市場將受益於現場大宗氣體工廠的投資，並與擁有本地生產設施的全球材料供應商合作，製造出高純度的氣體和化學品。

本文作者：Eddie Lee，林德電子（臺灣新竹）

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