TFT工藝分類& LTPS原理
FPD中常見的幾種 TFT如 Table I1所示。
a-Si一般用于低端中小尺寸或大型的 TFT-LCD面板的制作, 而 LTPS則主要用于中小尺寸高分辨率的 TFT-LCD和 AMOLED面板的制作 , 最后 Oxide TFT則主要 用于大尺寸 AMOLED面板的制作 (3)。
Table I1 Type of TFT in FDP(3)
LTPS 全稱為低溫多晶硅 (Low Temperature Polycrystalline Silicon)為中小尺寸高分辨率的 TFT-LCD和 AMOLED顯示屏的關鍵工藝。
與傳統A-Si技術相比 , LTPS雖然工藝復雜 , 但是因為 LTPS上載流子傳輸速度有大幅的提高 , 則驅動電路和模組體積可以更小并最終達到減少器件的作用。
LTPS最終的目標是實現 System On Glass(SOG)效果 , 即通過 LTPS工藝直接在玻璃基板上制作所有的系統電路。 SONY在 SOG方向做了很多研究工作。
根據LTPS的制作方式可以分為CMOS和 PMOS技術：
• CMOS：驅動部分電路為n–MOS和p–MOS構成, 無外部IC但一般需要9次Mask。
• PMOS：驅動部分電路為p–MOS構成需部分IC, 一般需要5次Mask。
與 CMOS技術相比 , PMOS結構更為簡單 , 只集成部分周邊電路 , 工程理論上可以簡化到 a-Si的水平。 雖然LTPS的 Mask數量理論上為 5-9次。
LTPS 工藝流程可以簡化為 Fig I3。
Fig I3 簡易流程(3)
脫氫時為了減少在晶化過程時因為H 含量過多, 而多晶硅表面粗糙度、顆粒大小及質量下降。一般要求制作LTPS 層前的a-Si 層含H 量要小于2%。一般PECVD 含有10-15%的H。主要的脫H方式為(3)：
• 批處理(Batch)：在430℃下, N2 環境中進行1Hour 熱處理方式將H 含量降到2%以下。
• 準分子激光發：先照射100W 以下的準分子激光, 去除薄膜內氫氣, 期后再增加激光能量, 使薄膜結晶。該方式不需要加熱, 但是會降低準分子激光設備的利用率。
LTPS 晶化有4 種形式(Table I2) (3) ：
• 固相晶化法(SPC：Solid Phase Crystallization), 如LG Display E2。
• 金屬誘導橫向晶化法(MIC/MILC：Metal Induced(Lateral) Crystallization)。
• 準分子激光退火法(ELA：Excimer Laser Annealing), 如BOE B2、AUO L3D 和L4B、LG DisplayE3 和Samsung Display A1-A4。
• 循序性橫向晶化(SLS：Sequential Lateral Solidification)。
現有的LTPS 工藝為LDD(Light Doped Drains)方式, 即在硅結晶后對溝道進行輕參雜。即需要對溝道進行參雜和離子注入。
在離子注入到薄膜內部后會對薄膜的晶格結構產生破壞, 使得薄膜內部呈現非導電性質。
則為了恢復完整的晶格與降低面電組, 需要進行激活處理以修復基板的應力和缺陷。
Table I2 LTPS 晶化方式(3)
Table I3 離子注入(3)
Table I4 離子激活(3)
Basics of LTPS-ELA Equipment
ELA 為現有主流LTPS 制作工藝, 并逐漸被各大生產廠商所采用。采用ELA 方式制作LTPS 的TFT時, 必須使用ELA 激光結晶爐(MILC 則需要MILC 金屬誘導結晶爐)。ELA 激光結晶爐產業鏈如Fig I4所示。
Fig I4 ELA 激光結晶路產業鏈
AP System 主要供應Samsung Display、PRI 和JSW 供貨給LG Display 而中國BOE 主要采購APSystem 的設備。Coherent (亦稱為相干公司)作為核心器件的供應商(激光光源和光學鏡片供應商)則處于價值鏈的頂端。
目前截至到2017 年年中為止, Coherent 在全球ELA 準分子激光退火設備所需的準分子激光源供應商處于100%壟斷地位。而且因為ELA 中光學設備為消耗品, 所以需要持續性更換。
由此可見在ELA 設備生產價值鏈中, Coherent 公司作為耗材供應商, 其在不僅有較強的溢價能力的同時, 亦有較強的持續盈利能力。
LTPS: ELA 工藝的時長(Tack Time)除去技術挑戰外還取決于ELA 工藝的時間。ELA 工藝的時間與激光光源的長度有一定的關系。截至到2017 年年中, Coherent 公司主要提供5 種長度的激光光源設備(LineBeam)。
據傳處于行業競爭的考慮, Samsung Display 與Coherent 公司簽有壟斷排他性協議(2), 即Coherent 公司僅能向Samsung Display 提供LineBeam 1500 系列激光光源(有效激光長度1500 mm, 約2000 萬美金), 而其他公司僅能拿到LineBeam 1300 及其以下的型號。
可見在6 代(1500 mm × 1800 mm)和6.5 代(1500 mm × 1850 mm)上生產LTPS 面板時, 由于壟斷的優勢, Samsung Display 通過采用LineBeam 1500 一次結晶的方式簡化生產工藝且提高良率的同時, 降低了生產成本。
而其他的廠商由于激光光源供應限制, 不得不采取多次ELA 工藝結晶方法制作LTPS 面板, 多次結晶不僅僅帶來的生產效率下降, 玻璃移動和重新對位亦有可能造成良率的下降。
Fig I5 Coherent LineBeam 產線用 ELA 激光設備(1)
Table I5 Coherent LineBeam 產線用 ELA 激光設備參數(1)
1. LineBeam, Coherent, https://www.coherent.com/lasers/laser/linebeam (2017)
2. Coherent Reports Massive ELA System orders for OLED makers in Korea, Japan and China, OLED-infor,Jan 30th, https://mram-info.oled-info.com/coherent-reports-massive-ela-system-orders-oled-makers-koreajapan-and-china (2016)
3. 申智淵, TFT-LCD 技術:結構、原理及制造技術1st Edition, ISBN 978-7-121-15335-8 (2012)#p#分頁標題#e#
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