问答 AMOLED/LCD制造核心材料，工艺流程块的具体气体要求是怎么样的？

在背板技术趋势的推动下，显示屏制造产生了更大的气体需求。本文探讨流程块的具体气体要求，对各种供应模式进行综述。

自从有源矩阵薄膜晶体管（TFT）显示屏在二十世纪九十年代开始民用化以来，它已成为现代生活不可或缺的组成部分，其应用远不限于电视机和智能手机，它还存在于我们日常生活中的主要通信和信息工具：手表（可穿戴设备）、电器、广告、标牌、汽车等。

TFT显示屏与半导体设备在制造方面有很多相似之处，比如：这两种设备在制造过程中都需要大量使用气体、还有工艺步骤中的沉积、刻蚀、清洁和掺杂，还有其他步骤使用的气体类型都比较相似。

但在技术驱动因素和制造难点方面，这两者之间也存在区别。对于半导体设备的制造，由于存在一些技术局限性，无法将设备体积进一步缩小。而对于显示屏的制造，难点主要在于，随着消费者追求更大、更薄的显示屏，难以保持玻璃材质的均匀性。

由于半导体晶圆的尺寸已达到极限，难以维持晶圆表面的平整性，而在过去20年内，随着消费者追求更大、更轻、性价比更高的设备，显示屏素玻璃的尺寸从0.1m x 0.1m（厚度1.1mm）扩大到3m x 3m（厚度0.5mm）。

随着显示屏素玻璃面积越来越大，显示屏制造过程中使用的设备以及所需气体量也越来越大。此外，由于消费者希望获得更好的观看体验，例如更为丰富的颜色、更高的分辨率、更低的功耗，也促使显示屏制造商开发有源矩阵有机发光显示屏（AMOLED）并将其商业化。

技术

显示设备分层

目前市场上有两种显示屏：有源矩阵液晶显示屏（AMLCD）和AMOLED。AMLCD和AMOLED的显示屏基本部件相同。显示设备有4层（图1）：滤色层、薄膜晶体管开关层（气体主要用于这一层）、用于控制颜色选择的快门层、RGB（红绿蓝）颜色过滤器。

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

关于背板/TFT

显示屏采用的薄膜晶体管为2D渐变型晶体管，类似于FinFET之前的大宗CMOS。有源矩阵显示屏每个像素有一个晶体管，驱动晶体管内的一种RGB颜色。随着显示屏分辨率增加，晶体管变小，但不会缩小到半导体设备的亚微米级尺寸。例如，像素密度为325PPI的智能手表，其晶体管大小约为2mm2，而80 PPI像素密度的4K电视，晶体管大小约为8mm2。

技术趋势

TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示屏）是一种基础技术。大屏使用MO/白色OLED（有机发光二极管）。中小屏使用LTPS / AMOLED。OLED面临的难点是<1微米粒子对产率的影响，此外由于掩码步骤增加，其成本远高于非晶硅（a-Si）。此外，OLED步骤中水分对生产良率具有影响。

迁移率极限（图2）是改用MO和LTPS的主要原因之一，其目的是通过更高的分辨率，实现更好的观看体验等。

MO面临的挑战在于OLED步骤后，如何避免IGZO金属化/潮湿造成的氧化，后者将导致产率下降。制造过程中需使用大量的N2O（氧化亚氮），这意味着可能需要考虑改变传统供应模式。

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

虽然AMLCD显示屏目前仍是市场主流，但AMOLED显示屏增长迅速。目前约有25%的智能手机采用AMOLED显示屏，预计这一比例到2021年将达到约40%。OLED电视同样增长迅速，同比增长率达到两位数。根据IHS数据，在未来5年，AMOLED显示屏面板的收入预计年均复合增长率（CAGR）将达到18.9%，而AMLCD显示屏的收入同期CAGR为2.8%，所有显示屏总收入同期CAGR为2.5%。随着AMOLED显示屏快速增长，显示屏制造商加快了AMOLED制造设备的投资。

背板类型

显示屏的薄膜晶体管设备主要有三种：非晶硅（a-Si）、低温多晶硅（LTPS）和金属氧化物（MO），也称为透明非晶氧化物半导体(TAOS)。AMLCD面板使用a-Si一般是用于低分辨率显示屏和电视机，而高分辨率显示屏采用LTPS晶体管，不过由于成本较高、可扩展性受限，一般用于中小型显示屏。AMOLED面板使用LTPS和MO晶体管，其中MO设备通常用于电视机和大型显示屏（图3）。

图3. Comparison of display processes

气体的使用方式

由于技术变迁，相比AMLCD面板，生产AMOLED面板所需使用的气体也要发生变化。如图4所示，目前生产显示屏时采用多种气体。

图4. Primary gases used in display manufacturing

这些气体可分为两类：电子特种气体（ESG）和电子大宗气体（EBG）（图5）。电子特种气体包括硅烷、三氟化氮、氟（现场产生）、六氟化硫、氨气以及磷化氢混合物，占显示屏制造中使用气体的52％，而电子大宗气体包括氮气、氢气、氦气、氧气、二氧化碳和氩气，占显示屏制造中使用气体的48％。

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

推动使用的主要因素

推动显示屏制造中使用气体的主要因素包括PECVD（等离子体增强化学气相沉积），占ESG消耗的75％，而干法蚀刻则推动了氦气的使用。LTPS和MO晶体管的生产推动了氧化亚氮的使用。ESG在MO晶体管生产中的使用情况与图4所示不同：氧化亚氮占气体消耗的63％，三氟化氮占26％，硅烷占7％，六氟化硫和氨一共约占4％。激光气体不仅用于光刻，也用于LTPS中准分子激光退火应用。

硅烷：SiH4是显示屏制造中最关键的气体之一，与氨气（NH3）结合使用，形成用于a-Si晶体管的氮化硅层，与氮气（N2）结合使用，形成用于LTPS晶体管的预准分子激光退火a-Si，或与氧化亚氮（N2O）结合使用形成MO晶体管的氧化硅层。

三氟化氮：从a-Si和LTPS显示屏生产中的消耗和使用量来看，NF3是a-Si和LTPS显示屏生产中使用最多的单种电子材料，而在MO生产中，其使用量不如N2O。NF3用于清洁PECVD腔室。对于这种气体，需要具备可扩展性，才能在竞争激烈的市场中建立所需的成本优势。

氧化亚氮：LTPS和MO显示屏生产中均使用，从MO生产中的消耗和使用量来看，N2O已超过NF3成为MO生产中用量最多的电子材料。N2O是一种区域性、本地化的产品，由于其成本低，无法采用物流成本高昂的长供应链。平均每5.5平方米素玻璃重约2公斤，每月一般需要240吨N2O才能生产120K的8.5 MO显示屏。最大的N2O压缩气体拖车每次只能提供6吨N2O，对于MO生产来说，这种做法成本高，风险大。

氮气：一般的大型显示屏厂氮气需求可高达50,000 Nm3/小时，因此现场发电机（如林德 SPECTRA-N®50,000）是一种具有成本效益的解决方案，与传统的氮气工厂相比，显示屏制造中的CO2（二氧化碳）排放减少8％。

氦气：氦气用于流程中和流程后冷却玻璃。由于氦气是一种不可再生气体，鉴于其成本和可得性，制造商正在研究减少氦气的使用。

工厂现场气体分布

图 6. 气体如何在显示工厂里应用？

现场氮气发生器：氮气是工厂消耗最多的气体，需要在第一批工具入场前提供。大型显示屏工厂与大型半导体工厂一样，需要大量的氮气，只有现场制备才比较经济。

低温液体拖车：氧气、氩气和二氧化碳非现场生产，作为低温液体，它们通过特种真空绝缘储罐短途运输。

压缩气体拖车：氢气和氦气等其他大容量的压缩气体，通过拖车或ISO储罐经长距离运输供应。

独立包装：特种气体通过独立包装供应。对于硅烷和三氟化氮等体积较大的材料，可以采用大型ISO包装供货，容量可达10吨，体积较小的材料采用标准气瓶。

混合气体：激光气体和掺杂剂以几种不同气体混合物的形式供应。要将显示屏件制造保持在可接受的参数范围内，混合产品的精度至关重要。

厂内分布：即使在材料交付或生产完成后，仍然需要供应气体。在交付给各生产流程前，需对材料进行进一步过滤、纯化和在线分析。

结语

由于消费者青睐色彩越来越鲜艳、分辨率越来越高、功耗越来越低的显示屏，显示屏制造商将面临挑战，必须提升所采用的技术，开发新型显示屏，如灵活和透明的显示屏。这些新型显示屏的晶体管将采用LTPS和/或MO，因此目前在这些工艺中的气体使用量将继续增加。考虑到目前的a-Si显示屏生产情况，生产LTPS单位玻璃面积气体消耗量将增加25％，生产MO增加约50％。

为了满足这些日益增长的需求，显示屏制造商必须与气体供应商合作，确定哪些技术能够满足其技术需求，全球采购电子材料，为客户提供稳定且具有成本效益的气体解决方案，开发本地化电子材料来源，提高生产力，通过现场气体工厂提高能源效率。对于蓬勃发展的中国显示屏制造市场尤为如此，该市场将受益于现场大宗气体工厂的投资，并与拥有本地生产设施的全球材料供应商合作，制造出高纯度的气体和化学品。

本文作者：Eddie Lee，林德电子（台湾新竹）