液晶顯示器的良率策略
尺寸變化及複雜化驅動
Tom Pye, Photon Dynamics Inc., San Jose, California
液晶顯示器產業的底板尺寸變化已經迫使廠房規模隨世代擴增－現在工廠是好幾個美式足球場的大小－使得控制污染變得困難。此外，監視器及電視螢幕尺寸持續地增加，以及對於解析度和畫素數目需求的提升，攸關著良率管理的策略。本文檢視業界因應此問題的方法。
顯示器產業正以二到三倍於半導體產業的速度成長。事實上，顯示器產業成長率彷彿早期的半導體產業(參見圖一)[1]。顯示器市場為液晶顯示(Liquid Crystal Display，LCD)技術所主導，在筆記型電腦上幾無例外，所有電腦螢幕則佔80%，和逐步增加比例的電視螢幕。大部份的小尺寸顯示器市場，從行動電話到可攜式視訊播放器和相機都使用LCD。LCD主動式背板的製造，類似半導體，都是陣列式的薄膜電晶體。LCD工廠使用相似於半導體工廠(儘管規模大了許多)的技術和系統製作這些背板。雖然其技術和製程也許是相近，仍是兩個截然不同的產業。彼此間的差異將影響製造策略和良率管理的方式(表一)[2]。
顯示器的性能走向
所有的顯示器技術在性能上已經改良，最近可用的電視顯示性能如表二[3,4]，表中比較傳統的、廣泛使用的陰極射線管(CRT)、電漿(PDP)和液晶顯示器(LCD)的性能，另外還有發表在技術論文中量產前(Pre-production)顯示器的性能水準，這些量產前顯示器一般在首次出現後一到二年內可以大量生產。
具體量化來說，動態畫面反應時間(MPRT)一般需在6毫秒以下[5]，彩色分片法(Technicolor)的影片有大約120%美國國家電視標準委員會(NTSC)的色彩範圍以及數位電影標準(例如星際大戰電影)是92% NTSC。這裡顯示的對比度是製造商提供，在暗室中量測的最高亮度。事實上美國國家標準學會(ANSI)用棋盤式圖案對CRT和PDP測到的對比度數值實際卻比較低；對這些技術正常值大約是500：1，光線明亮的地方也會降低對比度。
LCD在光線明亮的的地方比起CRT和PDP有較高的對比度是因為較低的螢幕反射率，電影院的對比水準通常是500：1[6]。為了避免看到個別畫素，一百萬畫素解析度的螢幕(720p)需要觀看距離大於5倍螢幕高度，而二百萬畫素則可以在3倍螢幕高度的距離觀看，八百萬畫素則是1.5倍螢幕高度，家庭電影院的定義是小於3倍螢幕高度的觀賞距離，這相當於30°或更大的螢幕水平寬度。
顯示器的製造趨勢
因為下一代的顯示器必須具備高於任何輸入的節目和以前顯示器的性能。未來的改善將集中在製造效率和成本降低，成本降低是必要的，這是因為LCD技術具有高度的價格敏感度。據估計每降低1%的顯示器價格可以提高2%的銷售量[7]。價格降低對工廠利潤產生壓力，這個產業跟半導體有相同的供應週期性。新的廠房造成供應過剩，必須靠降低價格來刺激額外的需求，價格降低同時也要保留足夠的利潤則必須降低成本，降低成本的策略包括底板縮放、工廠設備成本降低、材料成本降低和良率改善。
傳統降低成本的方法是放大底板，類似於半導體的放大晶圓。顯示器的營收和材料成本正比於顯示器面積。新的底板面積將促使生產的顯示器面積多一倍。也使每片底板的營收多一倍，新世代的設備成本增加約30%，遠低於面積成長，使工廠效率增加。然而，由於底板面積傳送的限制，不能隨世代無止盡的倍增。第10代將近似其極限[8]。圖二顯示這些趨勢已常歸化於第1代，並假設每世代固定30%設備成本增加。
底板放大已經驅使設備資本支出的貢獻降到模組成本的10%，但是仍須更多努力繼續降低。如同半導體工廠，微影的設備成本佔最大部份，兩個並行的方式用來降低成本。第一是使用狹縫或相偏移光罩來降低陣列製造時的光罩數從5片到4片[9]；其次是更為激進的：彩色濾光片不使用顯影而用噴墨直接沉積色標(Color patch)來取代。第八代廠首先嘗試使用這項技術，將來還有陣列製程中改以類似印刷法的捲繞傳輸(Roll-to-roll)代替微影的技術[11]。
材料成本佔模組成本的60%到70%，可藉由降低高價薄膜如三醋酸纖維素(TAC)在偏光層中的使用率或用便宜的物質來取代[12]。此外，複雜的薄膜層例如背光準直∕擴散層可以簡化，其它的材料成本降低可藉由直接在底板加入閘極驅動電路來消除閘極驅動元件的成本[13]。
不幸的是背光單元是最貴的零組件。即是用來取代背光源中簡單冷陰極螢光管，其個別排列的紅、綠、藍光LED擁有量產前的高性能LCD電視，如表二所示。藉由模組化的LED與LCD面板前後排列，可以增加8到10位元的對比度和解析度。另外，因為LED可調整到所需的輸出色彩，因此可達到更寬廣的色彩範圍和更純淨的黑色水準。LED不使用水銀，而且只消耗30%到50%正常背光源的電力，對環境更為友善。然而，成本即是缺點。目前LED仍相當昂貴，對於今年40吋的電視將增加1,000美元的成本，到了今年底這額外的成本將降到500美元，並且隨LED降價而降低。
為降低成本的良率改善
降低成本最單純的形式就是改善良率，良率增加節省的成本每一塊錢都是直接的利潤，如表一所示。LCD工廠的良率趨向於由隨機的微塵型態缺陷所控制，底板放大降低成本迫使每一世代工廠變得更大，現在已經有幾個足球場大了。如此大的工廠很難降低微塵數，因此，良率成為挑戰。因為大尺寸監視器和電視螢幕須要更高的解析度，所以面板上的像素數目也在增加。最後，像素本身也因為寬可視角和快速動態再生無殘影的需求變得複雜，典型的寬可視角像素顯示在圖三[14]，它使用了二倍於正常像素的驅動電晶體，以及獨立的次區域必須單獨的測試。
微塵和複雜度的增加是傳統的波松(Poisson)良率模型的二個變數，這方程式是以缺陷密度和缺陷敏感面積為參數的指數方程式。圖四顯示一般工廠的缺陷密度和缺陷敏感面積的模型。工廠內實際的良率決定於出現在表面上的位置。主要的觀點在於像素變得複雜而且敏感面積增加，當面板尺寸增加使廠房變大，微塵數目也增加，這二個問題已經對良率造成深遠的影響，從許多客戶的資料可以看的出來。
小型工廠的簡單面板傾向於比大型工廠的複雜面板有較高的良率，無論對電視面板廠從26吋到大於50吋的產品，或是對監視器製造廠從簡單扭轉向列式15吋面板，到30吋具備先進像素的高速遊戲螢幕，都是確實的。舉例來說，圖五顯示工廠良率和面板尺寸的關係，較大的面板傾向有較多先進的像素設計，並且經常在較低製造水準，造成良率的損失。
良率也受到工廠和產品的成熟度影響。當工廠開始提昇產量，產出和良率都隨著時間改善。很容易可以看出當工廠增產時會到達一個時間點，之前實際的維修能力需求，兩倍於穩定階段時期。為了這個理由，大多數工廠在初期時會購買超過的修復系統(圖六)[15]。
更新、更大、更複雜的顯示器將出現在市面上。面板的價格取決於尺寸，而且如表一所示的品別。品牌的附加價值對於電視約50%，對製造商是極為可觀的金錢，有品牌價值的終端產品使模組附帶價格也增高。這造成獲利和虧損的差別，但是品牌價值會因品質不良而消滅。因此，缺陷的偵測和修復變得重要，良率重要的最後一個因素是成品的高材料成本，正確的偵測可以避免材料浪費。
修復與測試
依照典型的工廠流程，背板薄膜電晶體陣列由4到5次微影步驟而成。每次圖案完成後進行光學檢測，通常線斷路修復(雷射輔助CVD)在此時進行。在陣列完成後，會對每片面板的每個像素進行100%的功能測試。Photon Dynamics開發的像素測試程式係使用電壓影像系統，全方位測試面板上像素的所有電壓。其它用來測試的技術包括全電性探針測試和電子束，測試後面板被送到修復∕檢視站作最後的沉積。可能的話，缺陷會被修復，而陣列給予分類。這個階段的修復包含線斷路(雷射輔助CVD或雷射銲接)修復及線短路(雷射切割)修復。亮點缺陷如果有需要，可以藉由從陣列切斷轉換成較不被注意的暗點。
如果噴墨不使用時，彩色濾光片需用到4片光罩步驟。沉積和切斷修復在彩色濾光片檢驗後實施，背光板和彩色濾光片像是三明治把液晶夾在中間。這種基本組合密封後從較大的原底板玻璃切割下來，測試之後，加上驅動電子零件和背光源完成模組，檢驗和修復站平均安置在這段流程之中。
電晶體陣列的處理週期通常是1到2天。短暫的處理周期加上面板100%的陣列測試，確保異常可以快速發現，單元製程時間也小於1天。模組組合通常在另外的設施中完成，很像IC的封裝和測試。雖然模組的良率很高，但是異常發生時會在單元完成後許多天後發現，單元的檢驗必須高度有效地混合人工及自動檢查。自動檢查好的面板送到模組上，而做記號的面板送到檢驗員作確認和沉積，一種有限制的雷射切割能夠嘗試修復受損的單元，模組的最終檢驗通常包括一群檢驗員，他們需確認出貨前的所有的面板符合標準，壞的模組經常可靠修復背光源和驅動電子零件，使良率損失降低。
結論
在顯示器產業中，特別是LCD產業正在快速增加產量和性能。此外，顯示器的尺寸也越來越大。伴隨成長而來挑戰即是面板成本的控制。以往成功控制成本的技術包括底板尺寸放大，但是這優勢逐漸消失。良率提升明顯的是成本控制的一項選擇，但是因為廠房擴增及設計複雜度增加而面臨挑戰。儘管如此，良率改善對未來LCD產品的成本降低仍是十分重要。SST-AP/Taiwan
參考文獻
1. DisplaySearch October 2006, VLSI Research April 2006 data.
2. T. Pye, “Optimized Inspection Strategies for Cell and Module Inspection,” p. 328, IMID Conference Proceedings, August 2006.
3. DisplaySearch CRT/PDP/LCD Monthly databases, September 2006.
4. FPD International Conference, manufacturer booth displays, October 2006.
5. K.H. Shin, J.Y. Ahn, K.D. Kim, H.H. Shin, I.J. Chung, “Acceptable Motion Blur Levels of an LCD-TV Based on Human Visual System,” p. 286, SID Conference Proceedings, June 2006.
6. Wikipedia, “Contrast Ratio.”
7. R. Young, “It’s a Flat World After All,