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氧化物TFT技术的显示玻璃要求

文章作者:康宁玻璃技术

为了构建符合高性能预期的显示器，面板制造商需要一种热和尺寸稳定的玻璃，以提高产量，同时实现所需的分辨率。

显示行业正在继续走向大于大型沉浸式展示，在高性能平板电脑，笔记本电脑和8K电视中。随着这些趋势成为行业标准，氧化物市场出现为能够实现下一代高性能显示的重要机会。这些显示功能：更高的分辨率和更快的刷新率;增强的电路集成实现超薄边框;通过提高面板孔径比和实现大型GEN尺寸制造，为面板制造商节省成本。

为实现这些技术要求，薄膜晶体管（TFT）技术需要新的突破。在显示行业的目前的产品中，非晶硅TFT（A-Si TFT）在所有应用中保持领先位置，而低温多晶硅TFT（LTPS）是用于实现高性能手持式显示器的主要显示技术。A-Si和LTP之间的关键差异是A-Si TFT具有更简单的过程，结构，并且在制造方面更容易扩展。然而，LTPS提供更好的TFT性能，以实现更高的分辨率和更低的功耗。LTP的缺点尺寸限制和提高制造成本。由于这些原因，A-Si或LTP可以完全满足下一代高性能显示器的技术要求。

因此，行业需要一种精确设计的玻璃基板，以实现更高像素密度的高性能显示器，面板制造商需要满足消费者对更明亮、更快、更逼真图像的需求。为了制造出满足这些性能期望的显示器，面板制造商需要热稳定性和尺寸稳定性的玻璃来提高产量，同时实现所需的分辨率。
所有这些行业要求都创造了新的过程和玻璃构成挑战，目前需要开发一种先进的氧化氧化钛玻璃技术。

氧化物TFT技术介绍

几十年来，平板显示器的主导技术是非晶硅（A-Si）背板。由于制造过程的简单性，良好的经济性和更大尺寸的可扩展性，因此使用A-Si背板进行绝大多数显示器。由于掌上移动设备的引入和增殖，因此对更明亮和/或更高分辨率的显示而增长，替代背板技术，例如低温多晶硅（LTPS），变得更加普遍。LTP类似于A-Si，但需要更高的加工温度和更复杂的制造过程。这导致背板的高级属性，例如> 50倍的电子移动性。这些属性允许较小的TFT（启用更高的分辨率和更明亮的显示器）和更快的刷新率。虽然显然是A-Si的优越技术，但较高的温度和更复杂的制造过程使LTP比A-Si昂贵。此外，LTP不容易扩展到更大的尺寸，以实现更好的面板经济学。

理想的背板技术将简单、经济和可扩展性结合到更大尺寸的a-Si板上，同时提高LTPS的性能。这正是氧化物TFT技术所提供的。最常用的氧化物TFT技术是基于铟镓锌氧化物或“IGZO”技术。

尽管氧化物TFT的迁移性不如LTPS，但它比A-Si技术更好，并且能够驾驶OLED显示器和8K 120Hz +液晶电视。另外，氧化物TFT的低电流可以使能低刷新频率而不会对静态图像的闪烁效果（不同TFT技术的比较显示在表1中）。虽然如LTPS，氧化物TFT背板相对于A-Si背板具有改善的电特性，但氧化物TFT背板可以以合理的成本（与LTPS不同）扩展到Gen 10.5，从而实现高端，大型LCD和OLED TV。它是为了这个“恰到好处”妥协A-Si和LTPS属性，氧化TFT在全球范围内的面板制造商中如此多的关注。它提供了制造远远优于A-Si的能力，并通过LTPS无法成本。

氧化物TFT过程

有两种主要氧化物TFT工艺考虑：蚀刻停止和后沟道蚀刻（BCE）。过程之间的关键差异是使用蚀刻停止层，也称为ESL，这是在蚀刻过程中保护IGZO通道所必需的。

蚀刻停止氧化物TFT工艺

氧化物TFT可靠性是氧化TFT发育早期阶段的主要问题。氧化物TFT通道通常在随后的过程中损坏，因此设计了蚀刻停止结构以保护氧化物TFT通道。蚀刻停止（ESL）氧化物TFT制造工艺与底栅结构开始，该底栅结构由栅极绝缘体和TFT岛覆盖。在栅极绝缘体（GI）层和TFT图案化之后，沉积图案化的SiO 2层以覆盖IGZO沟道区域，以保护氧化物TFT从以下源/漏（S / D）蚀刻。这使得能够更好的TFT可靠性，并且在S / D蚀刻之后，然后是钝化，ITO层作为图1示出。在ESL过程中，温度可达300-400°C，可达一小时或更长时间。虽然这些较高的温度高于某些A-Si工艺，但它比可以超过500°C的典型LTPS工艺低得多。

BCE氧化物TFT过程

BCE氧化物TFT过程(图2)非常类似于ESL氧化物TFT过程在前两个光蚀刻过程(PEP)步骤。然而，高温(400-500°C)退火过程提高了TFT的可靠性，允许ESL的移除。与传统的氧化物(ESL)或硅(a- si)工艺相比，更高温度的退火步骤要求热稳定的玻璃能够承受恶劣的制造环境和加工时间。

对于面板制造商来说，BCE氧化物TFT工艺类似于a-Si工艺，该工艺在过去20年被广泛使用。此外，与ES氧化物TFT工艺相比，有一种光掩膜工艺减少，因此，BCE氧化物TFT正成为氧化物TFT制造的主流工艺。

氧化物TFT过程中使用的玻璃基板的挑战

虽然氧化物TFT工艺在制造大型高性能电视方面具有明显的技术优势，但它对该工艺中使用的玻璃衬底提出了一系列独特的挑战。

当穿过典型的TFT背板工艺时，玻璃基板将改变形状或尺寸（即，应变），其称为总间距（TP）的变化。最重要的玻璃基板属性之一是总距离变化（TPV），这是与玻璃板内的可预测玻璃运动的偏差和从片材到片材偏离。对于玻璃基板具有良好的TPV性能，基材必须具有所需的物理性质平衡来抵抗基板的各种应变原因：弹性变形，应力松弛和压实。下面讨论这些菌株源和抵抗它们的相应玻璃特性。

弹性变形

在TFT工艺中，有几个应力源应用于玻璃基板，如薄膜应力和栅极金属。在氧化物TFT中，后者特别重要，因为栅极金属的实质性厚度和覆盖面积。与这些应力相关的螺距变化是由应力的大小、玻璃的弹性模量和基板的厚度决定的。由于应力是由TFT制造商决定的，并且行业不断地向更薄的基材发展，玻璃制造商控制范围内的唯一属性就是增加弹性模量来增加基材的刚度。此外，由于TFT过程中的应力可以在片与片之间发生变化，较高的弹性模量将减少应用应力变化引起的应变，从而使TPV从这一潜在原因最小化。

应力松弛

应用薄膜和栅极金属的应力也可以通过在随后的热处理过程中松弛这些应力，从而有助于整体TPV。随着衬底经过TFT工艺的各个步骤，薄膜、栅极金属和衬底本身都会发生应力松弛。由于复合材料的应力状态随时间和温度的变化，伴随的应变也会随之变化，导致节距变化和TPV的增加。在工艺温度下，玻璃衬底与它的有效粘度成比例地抵抗这种应力松弛。在a- si TFT工艺中，温度足够低，由于玻璃基板在这些低温下具有相对较高的粘度(玻璃的粘度随着温度的降低而增加)，因此存在最小的应力松弛量。然而，在氧化物TFT加工中，温度更高，因此，由于玻璃的有效粘度较低，应力松弛的潜力更大。这对于BCE氧化物TFT工艺尤其严重，该工艺步骤的温度超过400°C。传统的玻璃衬底对于典型的a-Si应用是足够的，对于低温ESL氧化物TFT工艺也是足够的。然而，较高温度的BCE氧化物TFT工艺可能需要在400℃范围内具有较高有效粘度的衬底。

压实

由于玻璃本身的结构松弛，玻璃基板的有效粘度也在玻璃基板在TFT过程中经历的粘性弛豫量起作用。这通常被称为玻璃行业中的“压实”或“收缩”。压实是由于玻璃结构从非平衡状态朝向更接近均衡的结构的玻璃结构的演变。发生这种粘性松弛的量与玻璃超出平衡的程度成比例，并且与TFT处理温度下的玻璃的有效粘度成反比。因此，更高的粘度玻璃是有益的，用于使TPV最小化，就像在应力松弛中一样。在玻璃特性术语中，较高的粘度玻璃是一个具有较高“退火点”的玻璃，因此玻璃制造商通常将吹出其玻璃组合物的高退火点。

当一大块玻璃被边缘水平支撑，并因自身重量而自然弯曲时，通常会出现玻璃凹陷。凹陷增加了更大的玻璃处理和OLED蒸发过程均匀性的工艺挑战。凹陷的量与玻璃密度成正比，与弹性模量成反比。弹性模量代表了玻璃在制造过程中抵抗变形的能力，而低密度则使玻璃薄片重量更轻。弹性模量和密度的比值决定了玻璃中凹陷的数量，更高的比值(更高的模量和/或更低的密度)导致更少的凹陷和更好的性能。

总厚度变化

在微米中测量，总厚度变化或TTV是玻璃板的限定区域上的玻璃厚度的变化。与浮区平台上产生的玻璃相比，康宁的专有融合过程造成玻璃，其中一些行业最低的TTV水平。
通过改进TTV，面板制造商可以在玻璃基板上沉积均匀的层厚和在光刻工艺中精确的图案。从曝光过程的角度来看，这是特别重要的，因为焦点的控制是至关重要的。如果玻璃的TTV在一个移动窗口范围(MWR)的焦点范围之外，就不能获得清晰的图案(图3)。因此，较低的玻璃衬底TTV在高分辨率显示器所需的精确光刻步骤中提供了显著优势。

启用大的通用大小

屏幕大小正在继续增长和增加，为面板制造商创造了新的挑战，以提高产量，最大化吞吐量，降低材料成本。这使得玻璃利用率对面板制造商越来越重要。因此，玻璃基板必须能够高效地制造和扩展到较大的六六（8.5及以上）。

康宁的专有融合过程在10.5尺寸（2940 x 3370mm）的Gen 10.5尺寸（2940 x 3770mm）中制造玻璃面板，使较高的玻璃利用率适用于较大的屏幕尺寸。例如，一片Gen 10.5玻璃可以创建八个65“显示面板，或六个75”显示板。这种增强的玻璃利用率大大降低了面板制造商的成本，是实现氧化TFT市场的关键

平衡快速蚀刻和污泥

氧化物TFT用于IT或手持产品，其中一个关键特点是薄和轻的形式因素。为了达到这个目的，显示器面板通常需要用化学减薄过程将其减薄到大约0.15毫米/ 0.15毫米(显示屏上的两块玻璃)。显然，更快的蚀刻速率可以实现更高的产量和更低的成本，但这往往是以产生“污泥”为代价的。污泥会在蚀刻供应商的过程中产生问题，最终导致比快速蚀刻速率降低更多的成本。通过使用一种平衡了最大蚀刻速率和最小化污泥产生的玻璃，面板制造商优化了他们的产量和成本。