AMOLED的驱动背板制备工艺流程及自身工艺流程
OLEDindustry · 2018-12-11
无论哪种TFT技术，光刻工艺都是其制备过程中最基本的工艺技术，在工艺流程中的每一道光刻制程都是通过一次光刻工艺完成的。因此也可以说，TFT制程就是通过多次重复光刻工艺来完成的。当然，由于每次光刻所用的光刻不同，因此每次光刻后可以得到不同的图案。信息显示行业所采用的光刻工艺与微电子行业是类似的（但是，精确度比微电子行业低得多），一个整的光刻工艺一般包括光刻胶涂布、曝光、显影、蚀刻、脱膜五大步骤，光刻就用于其中的曝光工序。鉴于a－si TFT技术目前并不适用OLED,下面将略过a－Si TFT的制程，重点介组Oxide TFT和LTPS TFT的制备工艺流程。
工艺对比
设备对比
Oxide TFT制备工艺流程
由于IGZO为Oxide TFT最有代表性也是目前量产的技术，因此我们以底栅、ESL结构的IGZO TFT为例，介绍其制备工艺流程。首先，在玻璃基板溅射栅极（gate）金属膜，并经第一道光刻制备出栅极线，然后，通过等离子增强化学气相沉积（PCVD）在栅极上沉积绝缘层SiNx，并在栅极绝缘层上制备IGZO薄膜，随后，通过第二道光刻制备有源层（active layer）形成TFT沟道，之后再沉积二氧化硅膜，并通过第三道光刻制备出刻蚀阻挡层ESL，然后溅射源漏极（source／drain）金属，再经过第四道光刻工序制备源漏电极线，源漏极制备完成后，在其上覆盖SiNx作为护层，并通过第五道光刻工序在保护层的源极或漏极位置制备出接触孔（via hole），以使源极或漏极与随后制备的ITO相连；最后，溅射ITO薄膜并经第六道光刻制备出ITO层。至此，OxideTFT的制作方才完成。
上面6道光刻的工艺顺序和TFT层结构示意图
IGZO TFT制程中的关和难点在氧化物薄膜的制备环节，即如何控制IGZO TFT的阀值电压变化量△Vth，使其处在较小的范围内（△Vth <±1V）以及如何控制外界环境和TFT制备工艺对氧化物半导体的影响，以改普IGZO TFT的特性。这是决定IGZO TFT能否大范国应用尤其能否用于AMOLED的至关重要的因素。氧化物薄膜的制备方法，主要有溅射（sputter），溶胶-凝胶、脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延等，目前比较成的工艺是sputter和PLD。其中，与PLD相比，sputter更容易快速沉积均匀的大面积薄，二者所用靶材多为高纯陶瓷烧结靶，薄膜的氧空位浓度可以通过控制沉积气氛中的氧含量、气压及溅射功率等加以调整。
LTPS TFT的制备工艺流程
首先，在玻璃基本通过PECVD手段，依次沉积缓冲层和非晶硅层。其中，缓冲层可以采用SiO2或SiNx／SiO2双层结构，作用是阻挡玻璃中的杂质扩散到有源层中，避免影响元件的临界电压，非晶硅层需要进行高温脱氢处理以防止在结晶时出现氢爆现象。
LTPS TFT的制备工艺流程
然后，采用前述结品化技术使非品硅转变为P-Si，并进行第一道光刻工序形成TFT沟道有源层：由于P-Si层与栅极绝缘层之同的界面将形成TFT沟道通路，界面的清造处理有利于降低界面能从而提高TFT的性能；因此，对有源层进行界面清洁处理后，再依次沉积栅极绝像层SiNx和溅射栅极金属膜，并进行第二道光刻工序制备出栅极线。
随后，进行离子注入并在高温环境下将注入的离子活化，以确定TFT沟道中的多数载流子在源漏极金属与多晶硅之形成欧姆接触。之后，再沉积SiNx／SiO2薄膜作为中间保护层（ILD），并通过第三道制备出接触孔；然后溅射源漏极金属并经第四道光刻工序制备源漏电极线。源漏极制备完成后，再在其上覆盖SiNx作为钝化保护层，并通过第五道光刻工序在驱动管的漏极位置刻蚀出与随后制备的ITO相连的接触孔，最后再溅射ITO薄膜并经第六道光刻制备出ITO层，至此TFT的制备才算完成。
但是，对用于AMOLED的TFT而言，一般还需增加一道光刻工序制作像素限定层（bank）以形成后续OLED工序的有机材料蒸镀区域。从上述制备工艺流程可见，LTPS TFT的制程区别于a-Si TFT和IGZO TFT的主要特征是结晶化、离子注入、活性化，这也是LIPS TFT的关键工序和难点所在。
为了实现这三个特征，LTPS TFT的制程更加复杂，成本更高，并且提升产品良率更困难。其中，结晶化工序是TFT性能的决定性因素，虽然前面己介绍了日前多种主要的结晶化方法，但是为了改善多晶硅品质并得到大面积低温多晶硅，信息显示行业仍在持研究各种结晶化改良技术或新技术；同时，由于结晶化过程是一种高温工艺，所以LTPS的玻璃基板，除了需要满足a-Si TFT的要求外，还需要耐高温和良好的热稳定性，要求玻璃的热应变温度应当远高于600℃，具有好的抗热形变性能。
离子注入，是为了在TT的源漏极金属和多品之间形成欧姆接触，并且决定着TFT的沟道类型。离子注入的基本原理，是用能量为100 keV量级的离子東射入材料中，离子束与村料中的原子或分子将发生一系列物理和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。离子注入的稳定性与均匀性，是LTPS驱动电路做到高精确度的关键。显示行业用于LTPS的离子注入技术，包括具有质量分离器的离子植入、不具有质量分离器的离子云注入、电浆注入与固态扩散等，几种离子注入技术的特点如表6－5所示，其中以离子植入和离子云注入为主。
离子植入，是将气体源BF3或者PH3在热丝的作用下电离，通过电场加速及狭缝整而形成B+、P+掺杂离子和Hx、BFx、PHx等杂质离子的离子束。
这些混合离子束通过量分离系统，在磁场的加速作用下，利用不同杂质具有不同的偏转曲率半径的关系，过滤掉Hx、BFx、PHx等杂质离子后，只留下纯净的B+或者P+轰击到多晶硅表面进行掺杂，质量分离系统可以精确控制被植入杂质的计量与种类，从而提高TFT的性能。
同时，还可以避免过多的氢离子使光刻胶碳化，以及避免对多晶硅造成损伤。离子云注入与离子植入的区别在于质量分离系统，离子云注入的电流束包含B2Hx+或PHx+、H1+、H2+、H3+。其中，氢含量约为其他植入离子的数倍，因此准确度不高，但是，当氢离子一起注入多晶硅时，活性化温度可以降低到450℃以下。不过，该工艺也存在缺点，即光刻胶容易焦化难以彻底去除。活性化是在对多晶硅进行离子注入处理后，为了使掺杂离子进入到合适的晶格位置，在高温下使其具备一定的能量与硅之间进行替位，同时修复多晶硅内部缺陷的工序，这个工序的温度一般要求在500℃以上。
谈完了AMOLED的背板驱动技术IGZO和LTPS，我们回归到他们的显示技术AMOLED和LCD。这里主要介绍下他们之家的差异。
AMOLED与 LCD的技术差异
很多不了解OLED的，总认为能做LCD就可以做OLED。实际上， AMOLED与TFT－LCD的区别很大，从其发光原理到关键技术、器件结构、制程工艺再到所用关键材料、关键制程设备，均是自身特有的，与LCD面板技术（CF制作、液晶灌封、配向、前后板黏合等）没有任何相关性。
比如， AMOLED不需要背光源、CF，没有液体材料，而必需的自发光的有机半导体材料却是LCD等其他显示技术所不涉及的，真空蒸镀等有机成膜技术也是AMOLED所独有的。因此，正如飞机和汽车，我们从来就不会因为它们都要使用“发动机”的这一核心部件而认为飞机只是汽车的技术改进，也不能因为 AMOLED与TCD都要采用TFT这一核心技术而认为 AMOLED只是TFT－LCD的技术延伸。简而言之，二者的异同点在于，虽然都涉及TFT背板制作工艺的无机半导体技术，但是，AMOLED还包括其“三明治”结构中的有机半导体技术。
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AMOLED与TFT－LCD的发光原理不同
简单地说，LCD是以LED等白色发光模组为背光源（ back light），以液晶材料为光开关，通过彩色滤镜过滤出RGB三基色，其中的液晶材料本身是不发光的。另一方面，OLED是以薄而透明的1TO作为阳极，金属组合物作为阴极，其间包夹有机功能材料层（包括空穴传输层、发光层、电子传输层等）形成一个“三明治”结构，接通电流，阳极的空穴与阴极的电子在发光层结合而产生光亮，并根据有机材料发光特性的不同，发出RGB三种不同色的光。由此可见，LCD属于被动发光器件，而OLED属于主动发光器件，二者的发光原理有着本质的差异，直接导致二者的响应速度相差三个数量级。
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AMOLED与TFT－LCD的器件结构不同
AMOLED与TFT－LCD的器件结构不同，TFT－LCD的器件结构依次包括背光源、垂直偏光片、TFT基板、液晶盒、CF、水平偏光片等，而 AMOLED的器件结构相比TFT－LD要简单很多，依次包括TFT基板和“三明治”结构的OLED发光体，没有背光源、CF等结构（对采用“白光＋滤光片”结构的 AMOLED器件，也将用到CF），相似之处只有TFT基板。也正是因为二者结构上的差异， AMOLED比 TFT－LCD更轻、更薄，一般而言， AMOLED约为TFT－LCD厚度的一半。
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AMOLED与TFT－LCD的关键原材料和关键制程设各不同
AMOLED与TFT－LCD相比，它们的关键原材料和关键制程设备是大不相同的。TFT－LCD的关键原材料包括背光源、偏光片、液晶材料、CF等，而 AMOLED所需的原材料比 TFT－LCD要少，其中的关键原材料就是有机发光材料。 TFT－LCD所需的关键制程设备包括TFT设备、液晶灌封设备等两大类，而 AMOLED所需的关键制程设备包括TFT设备和制备有机薄膜的真空蒸镀设备两大类。可以说，最能代表TFT－LCD的特征性关键原材料是背光源、液晶材料和CF，特征性关键设备是液晶灌封设备，而最能代表AMOLED的特征性关键原材料是有机发光材料，特征性关键设备则是真空蒸镀设备。
当然，除了以上关键原材料和关键设备， AMOLED与TFT－LCD也有部分原材料和设备是有共通之处的，主要就是在TFT的制程工序，其中相同的原材料包括部分光刻胶、显影液、蚀刻液、脱膜液、清洗剂等光刻工艺用的湿化学品，硅烷、一氧化二、氩气、氮氢混合气体等高纯气体，以及铝、银、镆钨合金等金属靶材，相同的设备包括涂布机、曝光机、显影机、湿法刻蚀机等刻蚀设备。
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AMOLED与TFT－LCD的生产工艺流程不同
AMOLED与 TFT－LCD的主要生产工艺流程对比，如图下所示。
由图可见，二者仅在TFT制程工序上有较大的相似之处，都要多次重复采用光刻技术和 PECVD及溅射镀膜技术等关键工艺。但是，二者在具体的TFT工艺流程上不尽相同。最关键的是，液晶灌封和OLED蒸镀封装分别是TFT－LCD和 AMOLED各自特有的工序，在这两大工序上没有任何相似性或可借鉴性，尤其对 AMOLED而言，蒸镀封装是其所有制程工序中最关键、技术难度最大的工序之一，对 AMOLED的性能和良率有至关重要的影响。此外，TFT－LCD还有一个称之为“上板”的CF（日本的日东化学占有CF的全球绝大部分市场份额）制作工序，以及CF上板与TFT下板分别制作完成后将二者粘贴在一起的贴合工序，这些都是 AMOLED不需要的、 AMOLED的TT基板与OLED发光器件不能分别制作后再贴合在一起，只能采用串行制作流程，即制作完成TFT基板后再在其上制作OLED发光器件。
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AMOLED与TFT－LCD的核心关键技术不同
AMOLED与TFT－LCD的核心关键技术不同。TFT－LCD的关键技术包括TFT技术、背光技术、液晶灌封技术、CF技术、驱动技术等，而 AMOLED的四大核心关键技术包括TFT技术、有机成膜技术、器件封装技术、驱动技术等。其中，TFT技术、驱动技术，对 AMOLED与TFT－LCD来说，内涵也是不同的。总体来说， AMOLED对其技术要求更高，难度更大。下面具体讨论 AMOLED这4大关键技术的独特之处。
首先是有机成膜技术。这是 AMOLED区别于其他所有显示技术所特有的核心关键技术。由于OLED器件中有机功能薄膜的厚度非常薄，一般相当于头发直径的百分之一左右（载流子注入层的厚度甚至不到2nm），子像素薄膜又极其精细，长宽数十微米，而且要求如此薄且精细的有机薄膜要能大面积、非常均匀且无针孔地依次制作多层，这具有非常大的技术难度。因此，有机成膜技术也是 AMOLED最核心的关键技术之一，是传统LCD等面板企业不曾涉足的新技术领域。有机成膜技术，可分为真空蒸镀、激光转印和湿法制备三大类。目前最成熟、唯一已用于大规模量产的是真空蒸镀成膜技术。
其次是器件封装技术。仅从名称来看，TFT－LCD也需要进行器件封装，但是与AMOLED的器件封装有何不同呢？由于OLED有机功能材料在有水汽和氧存在的条件ー下，都会发生不可逆的光氧化反应，水、氧对铝或镁、银等OLED电极材料也有很强的侵蚀作用，因此OLED器件封装对水、氧滲透率有非常高的要求。其中，水汽渗透率比LCD的要求高5个数量级，传统的LCD封装技术根本不能用于 AMOLED，这是AMOLED区别于其他显示技术的又一高难度技术再次是TFT技术。
再次是TFT技术，该技术属于无机半导体行业的传统工艺，早已在LCD行业成熟应用了近30年，且已发展到11代线；但是， AMOLED与LCD所用的TFT决不能因采用了大部分相同的设备而等同， AMOLED对TFT技术的要求比LCD要高得多，技术难度也就要高得多。
造成这种差异的本质原因有两个：一是 AMOLED属于电流驱动型器件，要求TFT具有高且均匀的载流子迁移率，而LCD属于电压动型器件，对TFT的数流子迁移率没有特别的要求：二是 AMOLED的驱动TFT工作在模拟状态，而LCD的TFT工作在数字状态。
因此，一方面在LCD行业应用最广泛的a-Si TFT技术，由于其载流子迁移率低，性能稳定性差，业界普遍认为不能用于驱动 AMOLED，另一方面，即便是 LTPS TFT，由于TFT性能不均匀、阈值电压漂移等这样的问题，虽然不会因TFT只工作在数字状态对LCD的正常显示有太大的影响，但是对TFT工作在模拟状态的 AMOLED却将导致以接受的图像亮度不均(MURA）的严重同题、因比， AMOLED并不能将LCD用的 LTPS TFT技术直接拿来使用， AMOLED行业还必须解决 LTPS TFT的均匀性和阈值电压的稳定性等技术难题，而解决这些瓶颈的关键在于改进结晶化技术。
这也是三星、LG、夏普等领先企业虽已在LCD上有多年成熟的 LTPS TFT量产经验，却在 AMOLED量产时仍受阻于 LTPS TFT。这不仅导致 AMOLED产品良率低下，而且影响了其显示性能。
最后是驱动技术。同样地，由于 AMOLED属于电流驱动型器件，过于细长的大量电极引线将导致面板功耗的急剧增加并使EMI（电磁干扰）问题变得更加突出，另一方面，由于前述需要通过驱动对面板MURA等进行补偿，所以 AMOLED驱动技术有着自身独特的要求。
这是 AMOLED又一技术关键点，且有很大的技术难度。主要体现在两个方面：一是为了尽量缩短电极引线的长度和数量， AMOLED通常需要将栅极驱动电路和源极驱动电路随着TFT制程一并集成在玻璃基板上，即所谓的GSOP技术，而这两部分驱动电路在TFT－LCD上是由半导体厂家提供的驱动IC实现的（部分高端LCD也将得极驱动电路集成在玻璃基板上，即采用所谓的GOA技术），也就是说 AMOLED面板企业需要解决LCD面板企业由半导体企业解决的这部分问题；二是 AMOLED模数混合的像素驱动电路和针对TFT迁移率、阈值电压等缺陷所采用的驱动补偿技术，更是TFT LCD行业不曾考虑的关键技术点。
