86、平板显示干蚀刻与柔性显示技术解析

平板显示干蚀刻与柔性显示技术解析

1. 干蚀刻技术概述

在平板显示制造过程中，干蚀刻技术起着关键作用。它涉及多种材料的处理，不同材料的蚀刻特性和工艺各有不同。

1.1 铜的蚀刻

由于铜的干蚀刻存在困难，若将铜用作栅极金属，目前通常采用湿蚀刻的方法。不过在侧墙轮廓方面，玻璃表面未出现残留物形成的情况。

1.2 InGaZnO TFT 的干蚀刻

透明的基于 ZnO 的 TFT，如非晶 InGaZnO（a - IGZO），因其能在低温下于塑料基板上制造，对于柔性显示器的制造极具吸引力。在湿蚀刻过程中，这类薄膜的溶解性要求采用低损伤的干图案化技术。Kim 等人运用光刻和干蚀刻技术形成蚀刻阻挡层和源/漏电极。他们发现，蚀刻阻挡层对于防止等离子体损伤并保持约 36 cm²/V 的高场效应迁移率是必要的。

1.3 氮化硅的干蚀刻

氮化硅通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积，用作栅极介电材料和 TFT 钝化材料。沉积的氮化硅并非化学计量比的 Si₃N₄，而是含氢的氮化硅（SixNyHz）。对于第八代等离子体系统，氮化硅的蚀刻采用含卤素的气体，如 SF₆/O₂，并以反应离子蚀刻（RIE）模式进行。添加氧气是为了通过去除 SF₆ 中的硫来提高蚀刻速率。通过控制与光刻胶的蚀刻选择性，可获得约 500 nm/min 的蚀刻速率和 60 - 70°的倾斜蚀刻效果。

材料	蚀刻气体	蚀刻模式	蚀刻速率	蚀刻角度
氮化硅	SF₆/O₂	RIE	约 500 nm/min	60 - 70°

1.4 a - Si:H/多晶硅的干蚀刻

氢化非晶硅（a - Si:H）是当前用于平板显示器的薄膜晶体管中最广泛使用的栅极半导体材料。此外，对于大尺寸 AMOLED 电视，多晶硅正被研究用于取代 a - Si:H。这两种材料都与大面积玻璃基板工艺兼容，这对于以合理成本制造平板显示器是必要的。多晶硅 TFT 技术因其较高的迁移率、更大的稳定性以及提供 p 沟道器件的能力而被选用。对于第八代等离子体系统，a - Si:H 和多晶硅的蚀刻采用含卤素的气体，如富含 Cl₂ 的 Cl₂/SF₆/O₂，并以双频（2 - 3 和 13.56 MHz，添加 2 - 3 MHz 是为了提高蚀刻均匀性）的 RIE 模式进行。使用这种气体混合物，可获得约 200 nm/min 的蚀刻速率和约 45°的倾斜蚀刻效果。倾斜蚀刻轮廓对于确保后续沉积材料的共形台阶覆盖也是必要的。

graph LR
    A[a - Si:H/多晶硅] --> B[含卤素气体（Cl₂/SF₆/O₂）]
    B --> C[双频 RIE 模式]
    C --> D[约 200 nm/min 蚀刻速率]
    C --> E[约 45°倾斜蚀刻]

2. 柔性显示技术概述

在过去三十年里，基于刚性平板玻璃基板的平板显示器，尤其是有源矩阵平板显示器的发展，对社会产生了深远影响。它们为移动应用（如手机、笔记本电脑）创造了低功耗显示器，并取代了体积庞大、笨重且耗电的 CRT 显示器，用于台式电脑和家用电视。而柔性显示器被视为显示技术发展的下一个重要前沿。

2.1 柔性显示的发展背景

长期以来，人们对使用薄柔性塑料基板制造的柔性显示器和电子产品一直很感兴趣，因为与传统的基于刚性玻璃基板的显示器相比，它们具有潜在的优势。这些优势包括超薄、轻质、高度耐用且不易破碎，并且适合低成本的卷对卷制造。此外，柔性电子产品和显示器因其独特的外形因素以及可弯曲和贴合的能力，能够实现各种新的应用。而且，柔性显示器在不使用时（如存储或运输期间）可以卷起或折叠。

2.2 柔性显示的物理属性

• 厚度和重量 ：与基于刚性玻璃基板的显示器相比，柔性显示器本质上更薄、更轻。在过去二十年中，平板显示器行业在降低移动显示应用的玻璃基板厚度方面取得了稳步进展，从约 1 毫米降至约 0.5 毫米。而基于聚合物（塑料）基板的柔性显示器可以带来物理属性上的范式转变。例如，柔性显示器可以超薄，厚度可达约 50 微米（0.05 毫米），而基于薄玻璃基板的移动显示器厚度在约 500 微米（0.5 毫米）范围内。此外，典型塑料基板的密度通常比显示玻璃低约 2 倍，因此基于柔性塑料基板的显示器最终可能比基于玻璃基板的移动显示器轻约 20 倍。
• 坚固性 ：较薄的玻璃基板和使用这些基板制造的显示器极其脆弱，意外掉落时容易破碎。目前，对于关键应用，基于玻璃基板的显示器通常通过使用厚的抗冲击覆盖玻璃来加固，这种覆盖玻璃要么使用粘合剂层压到显示表面，要么机械固定在显示玻璃前面，以保护实际显示器免受冲击应力。这会进一步增加显示器的厚度和重量。相比之下，使用薄柔性基板材料（如塑料或不锈钢箔）制造的显示器对冲击具有高度的耐受性，不会破碎。
• 独特外形和灵活性 ：具有独特外形因素以及可贴合、弯曲、折叠或卷起的能力是柔性显示器的重要属性。与刚性玻璃基板不同，使用薄塑料或金属箔基板制造的柔性显示器可以轻松且经济高效地切割成任何尺寸和形状。它们能够贴合表面（如手腕表面或袖口表面）的形状，这使得它们在消费、工业、航空航天和国防应用中有众多用途。例如，滚动半径小于 5 毫米的可滚动柔性显示器已经得到了展示。不过，虽然柔性显示器对冲击具有高度耐受性，但当它们自支撑时可能非常脆弱，因为它们极其薄。然而，当它们适当地集成到产品中以用于预期应用时，可以在使用、运输和存储期间得到机械保护。例如，大型可滚动显示器在使用时的“展开”状态下需要通过机械方式进行保护，在运输或存储时需要使用适当的管状外壳进行存放。

2.3 柔性显示的性能属性

• 图像质量 ：柔性显示器的图像质量性能指标包括亮度、色域、灰度级数、灰度级亮度均匀性、动态亮度范围、视角和视频性能。基于柔性箔基板的柔性显示器的图像质量预计与基于平板刚性玻璃基板的传统平板显示器相似，因为它主要由所使用的显示介质决定，而不是由基板材料决定。
• 阳光可读性和功耗 ：移动电子设备是柔性显示器的重要目标应用之一。由于移动电子设备由电池供电并在广泛的环境照明条件下使用，显示器需要具有阳光可读性且功耗较低。与图像质量指标类似，功耗取决于所使用的显示介质，而不是基板。使传统平板显示器具有阳光可读性的技术，即减少显示器的反射并增加显示器的亮度，也可用于柔性显示器。
• 独特性能优势 ：柔性显示器最重要的区别性性能属性是对冲击应力的固有耐受性以及可重塑的外形因素，例如在使用时可弯曲，或在存放时可折叠或卷起。这两个属性使得它们能够实现各种传统基于刚性玻璃的显示器无法实现的新应用。

2.4 柔性显示的成本属性

• 卷对卷加工潜力 ：使用薄柔性塑料基板或金属箔基板制造的柔性显示器适合低成本的卷对卷（RTR）加工。RTR 技术目前已被有效地用于制造各种薄膜和薄膜器件产品。通过 RTR 制造方法直接印刷行和列地址总线、薄膜晶体管（TFT）开关器件和显示像素来制造柔性显示器，被认为具有最终的低成本潜力。
• 不同应用的成本考量 ：虽然在实现柔性显示器制造的这一最终愿景方面仍在不断取得重要进展，但一些柔性显示器开发商目前正在其柔性显示器制造过程中实施 RTR 工艺的某些方面，以开始从 RTR 工艺的高生产率和低成本方面受益。此外，虽然柔性 AMOLED 被视为柔性显示器的最终愿景（由于其卓越的显示性能属性），但它对 TFT 背板和阻挡层（用于氧气和水蒸气）有很高的要求。然而，有许多柔性显示应用不需要 TFT 背板或对阻挡层有严格要求。例如，使用双稳态反射显示介质（如 EPD 和胆甾型 LCD）的低功耗电子货架标签和大面积 signage 的柔性显示器，可以通过无源方式实现。

3. 干蚀刻技术的未来趋势

随着平板显示行业的不断发展，干蚀刻技术也面临着新的挑战和机遇，未来有以下几个重要的发展趋势。

3.1 大尺寸基板的等离子体蚀刻

目前，FPD 玻璃尺寸越来越大，如日本的一家 LCD 生产公司，TFT - LCD 的玻璃基板尺寸目前已达到 2200×2500 毫米（第八代），甚至有计划在几年内将玻璃基板进一步增大到 3000×3320 毫米（第十一代）以降低生产成本。对于大于第八代的基板尺寸，驻波效应占主导地位。为了在大面积基板上获得均匀的等离子体，需要开发不同的等离子体源技术或消除驻波的方法（例如使用行波）来开发超大型等离子体蚀刻源。

基板代际	尺寸（mm）	面临问题	解决方案方向
第八代以上	＞2200×2500	驻波效应主导	不同等离子体源技术或消除驻波方法

graph LR
    A[大尺寸基板] --> B[驻波效应]
    B --> C[等离子体不均匀]
    C --> D[开发新技术或方法]
    D --> E[均匀等离子体蚀刻]

3.2 精细线路定义的干蚀刻替代

为了提高像素密度，当前 TFT 处理中使用的栅极金属、ITO 等的湿法蚀刻将被干法蚀刻所取代，以实现更精细的线路定义。干法蚀刻能够提供更高的精度和更好的控制，满足未来高分辨率显示的需求。

3.3 高密度等离子体源的引入

对于大尺寸 AMOLED 电视的 TFT 处理所需的多晶硅等材料的蚀刻，需要引入高密度等离子体源来提高蚀刻吞吐量。因此，需要开发大面积（大于第六代）的高密度等离子体源，以满足这些设备处理的要求。

3.4 绿色蚀刻气体的研究

在等离子体蚀刻气体方面，由于用于蚀刻 TFT 的硅和氮化硅的 SF₆ 气体具有很高的全球变暖效应，因此正在研究绿色蚀刻气体，以减少对环境的影响。

4. 柔性显示的应用领域

柔性显示器的独特属性使其在多个领域具有广泛的应用前景。

4.1 平面显示应用

• 消费电子 ：在手机、平板电脑等移动设备中，柔性显示器可以提供更轻薄的设计，同时保持良好的图像质量和阳光可读性。例如，可弯曲的手机屏幕可以在不增加体积的情况下提供更大的显示面积。
• 可穿戴设备 ：如智能手表、手环等，柔性显示器能够贴合手腕的形状，提供舒适的佩戴体验，并且可以实现更多的交互功能。

4.2 贴合显示应用

• 工业控制 ：在工业设备的控制面板上，柔性显示器可以贴合设备的表面，提供更直观的操作界面，提高操作的便利性和效率。
• 航空航天 ：在飞机座舱、航天器等环境中，柔性显示器可以贴合不规则的表面，节省空间，并且具有良好的抗冲击性能，满足特殊环境的要求。

4.3 可弯曲显示应用

• 电子书籍 ：可弯曲的电子书籍可以模拟纸质书籍的翻页效果，提供更自然的阅读体验，同时具有可携带性和可存储性的优势。
• 虚拟现实/增强现实设备 ：在 VR/AR 设备中，可弯曲的显示器可以更好地贴合头部的形状，提供更沉浸式的视觉体验。

4.4 可折叠显示应用

• 笔记本电脑 ：可折叠的笔记本电脑屏幕可以在携带时减小体积，使用时展开提供更大的显示面积，满足移动办公的需求。
• 平板电脑 ：可折叠的平板电脑可以在不同的使用场景下灵活切换形态，提高设备的实用性。

4.5 可滚动显示应用

• 大型广告屏幕 ：可滚动的大型广告屏幕可以在不使用时卷起，节省空间，使用时展开提供高分辨率的广告展示。
• 电子白板 ：可滚动的电子白板可以方便地携带和安装，适用于不同的会议和教学场景。

5. 总结

干蚀刻技术在平板显示制造中起着至关重要的作用，随着基板尺寸的增大和像素密度的提高，需要不断开发新的等离子体源技术和蚀刻工艺，以满足未来显示技术的需求。同时，绿色蚀刻气体的研究也是一个重要的发展方向，以减少对环境的影响。

柔性显示器作为显示技术的下一个重要前沿，具有超薄、轻质、耐用、可弯曲等独特属性，在图像质量、阳光可读性和功耗等方面也具有良好的性能。其潜在的低成本卷对卷制造工艺以及广泛的应用领域，使其具有巨大的市场潜力。未来，随着技术的不断进步和成本的降低，柔性显示器有望在消费电子、工业、航空航天等多个领域得到广泛应用。