世代軟性顯示器電晶體元件
鄭君丞、葉永輝/工研院影像顯示科技中心 二十一世紀的人類為追求高品質、更貼近人性化的生活，顯示器已從傳統的陰極射線管(CRT)進入平面顯示器(FPD)時代，利用主動矩陣式(Active Matrix) 薄膜電晶體(Thin FilmTransistor；TFT)之液晶顯示器(Liquid CrystalDisplay)便應運而生。隨著資訊產品的蓬勃發展，個人攜帶式的數位電子產品已是人們日常生活中不可或缺的一部份，而人們與電子數位產品的溝通橋樑－『平面顯示器』就更顯得重要，硬式的顯示器已無法滿足人們的需求；軟性顯示器有著輕、薄、可撓曲、耐衝擊具安全性，且不受場合、空間限制的特性，儼然成為下一世代最佳之平面顯示器。因此以軟性基板取代傳統玻璃基板的顯示器，引起了世界各國的研究單位關注，軟性基板有著許多材料本身的限制，並無法完全適用於目前的玻璃基板製程。有鑑於此，許多因應軟性基板的製程技術便迅速發展起來。Seiko Epson發展SUFTLA (Surface Free Technology by Laser Annealing/Ablation)技術，成功開發出全彩的主動矩陣式有機發光顯示器(AMOLED)。Sony利用蝕刻阻擋層技術，也成功開發出全彩的液晶顯示器。Sharp與Sumitomo合作，更在去年以直接進行薄膜電晶體製程方式製作出全彩的液晶顯示器。平面顯示器的霸主Samsung，於2006年成功開發出目前世界最大的7吋軟性液晶顯示器，相信不久的將來，軟性顯示器的世代即將來臨。 軟性基板的特性與選擇 軟性顯示器技術中，最重要也是最關鍵的部分就是軟性基板，材料特性影響著製程技術的困難度與產品的應用面。在軟性基板的選擇方面，大致上可分為三大類，分別為薄玻璃基板(Thin lass Substrate)、不鏽鋼金屬薄基板(Thin Metal Foil Substrate)與塑膠基板(Plastic Substrate)。軟性玻璃基板的材料特性，最接近一般已量產的平面顯示器用玻璃基板，但由於其厚度相當的薄且易碎，製程上並不容易掌控，就人因工程的角度，安全性是相當重要的考量。不銹鋼金屬基板的優點為耐高溫、高阻水阻氣特性與較佳的耐化學藥品性。缺點為無法經過多次的撓曲及基板本身不透明，所以顯示介質僅能搭配自發光顯示器元件，如Organic Light Emitting Diode (OLED)與反射式顯示器如Electrophoretic Display (EPD)。而塑膠基板的優點為透明、符合安全性、適合所有顯示介質並適合Roll-to-Roll製程，但其缺點為不耐高溫、阻水阻氧氣性差、耐化學藥品性差及熱膨脹係數大。選擇適當的軟性基板不但可以簡化製程，亦可以降低製程的困難度。依目前可以取得的基板材料，以不鏽鋼金屬基板與塑膠基板為較佳的選擇。以塑膠基板製作出的軟性顯示器為世界上研究最廣泛的，PEN、PET、PES和PI為大部分研究單位所採用，而且不斷的有新的塑膠基板被研究發展出來。若能開發出符合高耐熱性、高耐化學藥品性、高阻水阻氧氣性及低膨脹係數的塑膠基板，才能真正符合平面顯示器所需要的規格。 軟性薄膜電晶體的製作技術 應用於軟性顯示器之薄膜電晶體製作技術，目前分為兩類，一為直接製作元件於軟性基板上的技術，另一為間接轉貼元件於軟性基板上的製作技術，其中以Seiko Epson的SUFTLA(Surface Free Technology by Laser Annealing /Ablation)技術與Sony使用蝕刻阻擋層(Etching Stopper Layer)的轉貼技術為主。圖一為Seiko Epson的SUFTLA技術，(a)利用雷射產生氫爆分離玻璃基板與薄膜電晶體陣列(TFT Array)，並利用水溶性的膠材將TFT Array轉移到暫時性基板，(b)再利用非水溶性的膠材永久固定TFT Array於塑膠基板上，(c)最後再將暫時性基板分離。此技術的關鍵製程在於如何精準控制雷射，利用均勻的氫爆將薄膜電晶體陣列完整剝離基板，進而轉貼至軟性的塑膠基板上。目前已成功開發出全彩2.1吋主動式有機發光顯示器面板，如(d)所示，而轉貼前後的元件電性表現如(e)所示，所搭配的顯示介質為有機發光二極體(OLED)及其相關的規格如(f)所示。今年Seiko Epson與E-ink合作，成功開發7.1吋主動式電泳顯示器，圖二(a)為詳細規格，由(b)中可看出藉由面板超高解析度(~397ppi)與整合驅動電路來展現其技術的優越性，且由(c)中亦可看出畫面品質相當良好。圖三為Sony的轉貼技術，(a)和(b)為轉貼後的顯示狀態，此技術是利用對氫氟酸(HF)具有高蝕刻選擇比的薄膜層作為蝕刻阻擋層，當玻璃基板被氫氟酸蝕刻到最後的蝕刻阻擋層時，便不會再繼續蝕刻下去，接著再將蝕刻阻擋層去除後，最後轉貼至塑膠基板上，如(c)所示，此技術的關鍵點在於轉貼與黏貼用膠材的選擇及剝離與貼合基板的技巧，最重要的是蝕刻玻璃基板時，如何保護薄膜電晶體陣列(TFT Array)不受蝕刻液侵蝕而造成損壞，這是需要注意的地方。直接製作於軟性基板的顯示器的技術又可分為兩類，第一類採用金屬薄基板進行傳統的高溫製程，以Samsung SDI與UDC (Universal Display Corporation)為代表，第二類採用塑膠基板進行低溫製程，以Sharp和Samsung SEC為代表。第一類：圖四為Samsung SDI在SID 2006研討會上展示之5.6吋軟性主動式有機發光顯示器，(a)與(b)為PMOS元件之特性曲線，(c)為顯示面板及其詳細規格，其中使用LTPS技術整合驅動電路為特點之一，由於採用有機發光二極體(OLED)，阻水阻氣層的開發是相當重要的一環，其採用自行開發之多層膜堆疊結構達到阻水阻氣的功效。談到阻水阻氣層的研發，世界首屈一指的公司便是Vitex Systems，圖五(a)為其示意圖，利用上下層皆為多層膜堆疊包覆OLED，達到阻水阻氣的功效，從(b)可看出在阻水阻氣層的保護下，即使是塑膠基板，仍然有不錯的保護效果，不過與玻璃相較下仍然還有努力的空間。而在OLED技術開發上，發展高效率磷光型OLED材料的主要公司以UDC為代表，UDC、Palo Alto、Vitex、L3共同合作開發軟性主動式電激發光顯示器，如圖六所示，(a)為製作於金屬基板之電晶體陣列下板外觀，(b)為LTPSPMOS元件特性並可看出其2T+1C畫素架構，(c)為6吋QVGA (320x3x240)顯示器與其詳細規格。由圖七OLED Display的發展藍圖來看，UDC正逐步實現其軟性顯示器的規劃與發展，可見有機發光顯示器未來的趨勢是從玻璃基板朝向塑膠基板，也就是從硬式的玻璃顯示器逐漸朝向軟性的塑膠顯示器，故軟性有機發光顯示器在未來的發展相當具有市場之潛力。。第二類：Sharp與Sumitomo合作，研究開發出適合於薄膜電晶體製程的塑膠基板，藉著低溫製程控制塑膠基板的形變量，成功開發出3.3吋QVGA(320x240)軟性穿透式液晶顯示器，如圖八所示。而Samsung SEC與Softpixel的合作，亦利用低溫製程，於2005年成功開發出目前世界最大的5吋軟性穿透式液晶顯示器。圖九為Samsung所開發之塑膠液晶顯示器，面板的規格為QSVGA (400x3x300)，其對應的解析度為100 PPI (pixel per inch) ，最高的製程溫度低於150℃。此技術最大的關鍵在於貼合膠材的使用，基板黏貼完成後的表面均勻度，膠材本身的耐熱性及耐化學藥品能力，此外，膠材本身是否會污染後續的製程，都是很重要的一環。而此膠材最重要的一點，在於只要改變溫度或使用UV光照射便可分離塑膠基板與玻璃基板(載具)如(a)所示。在進行製程前，塑膠基板必須先經過一道預變形的處理，以降低製程時的變形量，如(b)所示，其選擇的條件為180℃、48小時。元件電性表現如(c)所示，臨界電壓3.7 V以及電子移動率0.3-0.4 cm2/V-s等。其詳細的面板與規格如(d)所示。在今年SID 2006研討會上，Samsung SEC技術層次更上層樓，成功開發出7 吋VGA(640x3x480)軟性穿透式液晶顯示器，首度採用具有黏性的間隙球(Spacer)，即使在撓曲的情況下亦能固定晶胞間隙(Cell gap)，如圖十(a)所示，(b)為其顯示器狀態與撓曲外觀，(c)為詳細規格。此外，Samsung SAIT與日、韓大學合作，採用濺鍍法進行矽膜沈積，加上利用ICP-CVD沈積高品質絕緣層，同時降低製程溫度，成功在塑膠基板上進行LTPS製程，製作出2.2吋軟性主動式有激發光顯示器，圖十一(a)為PMOS元件特性，(b)可看出其亦利用多層膜結構達到阻水阻氣的功效，(c)為顯示器及詳細規格。 Philips自行開發使用一種特殊的基板製程，名為Electronics on Plastic by Laser Release(EPLaR)搭配E-ink Electro-phoretic Display (EPD)於2005年成功開發出如E-paper、E-Book等的顯示器，如圖十二所示，步驟(a)-(d)為詳細的塑膠基板與TFT Array製作流程，其利用塗佈的方式將塑膠基板材料直接塗佈在玻璃基板(載具)上，接著進行高溫烘烤，塑膠基板便形成，直接利用玻璃基板(載具)進行TFT製程，最後再利用雷射將塑膠基板取下，(e)為軟性顯示器外觀，(f)為主動式電泳顯示器所顯示出來的畫面。在薄膜電晶體製作過程中，應力為非常難控制且相當重要的因素，沈積的每一層所產生的熱應力皆有可能造成薄膜附著性不佳、塑膠基板破裂，甚至最後分離基板時，會發生塑膠基板捲曲的現象。因此，如何控制薄膜間的應力是非常重要的課題，也是目前正在積極研究的目標。工研院的研發團隊採用類似Philips的作法，整合工研院材化所開發出透明的Polyimide材料，搭配顯示中心的軟性薄膜電晶體製程技術，亦成功開發出4.1吋QVGA軟性主動式穿透型液晶顯示器，如圖十三所示，(a)為160℃所製作a-Si:H TFT元件電性，低溫製程下特性依舊十分良好，同時亦降低薄膜應力，增加導線的耐撓曲能力，(b)為面板詳細的規格說明，(c)與(d)分別為面板外觀與顯示畫面。此面板為自有技術的初步展示，依然有相當多的問題仍待我們去克服解決。 結論 本篇文章主要針對軟性顯示器之薄膜電晶體技術與發展現況作簡單的介紹，包含軟性基板的選擇與其製程限制、顯示介質的搭配等。另外在主動式薄膜電晶體技術方面，亦針對目前國外在軟性顯示器發展現況作簡單說明。最後，亦對未來軟性有機發光顯示器發展趨勢作剖析，筆者希望對初學者與欲從事此技術之工作者有拋磚引玉之效。SST-AP/Taiwan 作者 鄭君丞，現為工研院影像顯示科技中心製程整合技術組薄膜陣列技術部工程師暨專案副理。葉永輝，現為工研院影像顯示科技中心製程整合技術組薄膜陣列技術部正工程師暨經理。 圖：Seiko Epson的SUFTLA技術(