90、柔性显示器：TFT 技术的基板选择与处理策略

柔性显示器：TFT 技术的基板选择与处理策略

1. 引言

在柔性显示器的制造中，TFT（薄膜晶体管）技术起着关键作用。不同的基板选择和处理策略会影响显示器的性能、成本和制造效率。本文将介绍几种常见的 TFT 背板制造方法，包括直接制造、器件层转移、临时基板键合与去键合、原位塑料涂层以及直接印刷和卷对卷处理等。

2. 直接制造方法

首先，在制造过程中，会沉积一层 PE CVD SiO₂ 钝化层，用于隔离导电基板与采用准分子激光再结晶低温多晶硅（LTPS）制造的 LTPS TFT 背板。在掺杂剂热激活时，会使用高达 700°C 的工艺温度。Arihara 等人展示了在不锈钢（SUS）基板上制造 In - Ga - Zn - 氧化物 TFT 背板，工艺温度可达 300°C。这些背板随后与白色 OLED 显示介质和在 PEN 基板上制造的柔性彩色滤光片阵列集成，制成了对角线为 4.7 英寸、分辨率为 QVGA（320 × RGB × 240）、面板厚度为 0.4 毫米的全彩色 OLED 显示器。

3. 器件层转移（DLT）工艺

• 工艺概述 ：DLT 工艺涉及在传统显示玻璃基板上进行标准（高温）TFT 制造，然后通过低温（例如低于 150°C）的粘合剂键合将 TFT 电路（背板）转移到柔性塑料基板上。精工爱普生将此工艺称为 SUFTLA（激光退火表面自由技术），近年来在该方法上取得了显著进展。
• 具体步骤 ：
  1. 在原始玻璃基板上形成牺牲非晶硅（a - Si）层，接着进行传统的 CMOS LTPS TFT 背板制造。
  2. 使用水溶性粘合剂将该基板的器件顶面附着到临时基板上。
  3. 从原始玻璃基板背面将 XeCl 准分子激光照射到非晶硅层上，触发 TFT 背板电路从玻璃基板上释放。非晶硅层吸收激光，削弱 TFT 器件与原始玻璃基板之间的粘附力，从而将多晶硅 TFT 器件转移到临时基板上。
  4. 使用非水溶性的永久粘合剂将 TFT 器件的背面层压到最终的塑料基板上。
  5. 将基板浸入水中，使临时粘合剂溶解，从而将高性能 LTPS CMOS 背板转移到柔性塑料基板上。

以下是 SUFTLA 工艺的流程图：

graph LR
    A[原始玻璃基板] --> B[形成牺牲 a - Si 层]
    B --> C[制造 CMOS LTPS TFT 背板]
    C --> D[用临时粘合剂附着到临时基板]
    D --> E[激光照射释放背板到临时基板]
    E --> F[用永久粘合剂层压到塑料基板]
    F --> G[浸入水分离临时基板]

这些高性能背板可用于制造各种柔性显示器，如 AM LCD、AM EPD 和 AM OLED，以及其他柔性电子设备，如指纹传感器。然而，该方法存在成本和良率问题。a - Si 牺牲层沉积和两次转移步骤带来的额外成本需要最小化，特别是对于大尺寸柔性显示器，还需要解决缺陷控制和良率问题，因为良率会随显示尺寸的增大而呈指数下降。

4. 临时基板键合与去键合

• 工艺原理 ：该方法是将柔性基板通过临时粘合剂层压到刚性临时基板（如玻璃或陶瓷基板）上，制造 TFT 背板，然后将带有 TFT 背板的柔性基板从临时基板上去键合/分离。
• 优点 ：与刚性临时基板键合大大提高了柔性基板的处理便利性，并便于使用传统的 TFT 处理设备制造背板。
• 存在的问题 ：
  1. 临时粘合剂会带来温度限制。
  2. 在 TFT 处理过程中，临时粘合剂可能造成化学污染。
  3. 柔性基板/背板与刚性载体基板的键合和去键合操作的良率，以及临时粘合剂的完全去除问题。
  4. 键合和去键合操作的成本。
  5. 若临时基板不可重复使用或重复使用性有限，还会增加临时基板的成本。

许多组织都广泛使用这种方法，并制造出了使用柔性塑料和金属箔基板以及 EPD 和 OLED 等显示介质的柔性背板和显示器。例如，Paek 等人展示了使用金属箔基板制造的 10.1 英寸 SVGA 柔性单色 AM EPD，厚度为 0.3 毫米；Hwang 等人展示了在柔性 PEN 塑料基板上使用 120°C a - Si TFT 背板制造的柔性 AM FPD 显示器，尺寸为 14.3 英寸（A4 尺寸），分辨率为 1280 × 900 像素，驱动电压为 ±15V。

5. 原位塑料涂层在临时基板上的应用

• 工艺策略 ：这种策略是在带有牺牲层的玻璃基板上涂覆一层低热膨胀系数（TCE）的聚酰亚胺（PI）薄膜，该薄膜作为柔性基板。然后使用传统的 TFT 工艺和设备在 PI 表面处理背板电路。最后，通过热、光或机械等专有触发释放机制，将柔性 PI 薄膜（基板）上制造好的背板从临时刚性基板上释放出来。
• 不同公司的应用 ：
  • Philips 开发了 EPLAR（激光释放塑料电子）工艺，最初用于电子纸类型显示器的柔性 a - Si TFT 背板。该工艺比在刚性玻璃基板上的传统 a - Si TFT 工艺多两个额外步骤：一是旋涂 10 微米厚的聚酰亚胺层，该层随后成为自支撑柔性基板/背板；二是将电泳显示介质层压到 TFT 背板上，然后通过激光释放工艺将聚酰亚胺箔上的显示器从刚性载体玻璃基板上分离。
  • ITRI 采用了单独的去键合层（DBL），PI 材料是定制合成的。在玻璃临时基板上沉积 DBL 后涂覆 PI 溶液，PI 覆盖面积大于 DBL。在 Gen 2 玻璃线上进行 TFT 背板制造，可制造顶部栅极 a - Si:H 和 mc - Si TFT。由于 PI 边缘与玻璃直接接触，能在整个 TFT 过程中保持与玻璃载体的牢固粘附，避免热致失准问题。由于 DBL 与 PI 薄膜的粘附力较弱，只需切割 PI 层圆周（切割线在 DBL 边缘内）即可轻松分离。
  • Jang 等人在 PI 旋涂前使用超薄缓冲层涂层，利用该结构在 200°C 下制造非晶 IGZO 背板用于驱动 AM OLED 显示器。
  • Samsung 使用具有低 CTE（约 3 ppm/K）和高温度处理能力（高达 350°C）的塑料薄膜涂层，以及室温分层工艺，制造柔性背板和 AM OLED 显示器。采用顶部发射模式的有机发光二极管（OLED）结构，并应用薄膜封装进行柔性封装。

以下是原位塑料涂层工艺的步骤列表：
1. 在带有牺牲层的玻璃基板上涂覆 PI 薄膜。
2. 使用传统 TFT 工艺在 PI 表面制造背板电路。
3. 通过专有机制从临时刚性基板释放背板。
4. （不同公司）进行后续的显示介质层压和分离等操作。

这种方法可用于制造 LTPS - TFT 或 OSC - TFT 背板以及其他显示介质，如 OLED。例如，展示了 9.7 英寸的柔性电子纸显示器。

柔性显示器：TFT 技术的基板选择与处理策略

6. TFT 背板的直接印刷制造

直接图案印刷是一种极具吸引力的方法，可用于制造柔性背板和显示器的 TFT 结构的每一层。与传统的薄膜沉积和光刻工艺相比，它具有诸多优势：
- 兼容性强 ：更适合使用柔性塑料基板和低成本的卷对卷加工。
- 环保高效 ：由于工艺步骤少、材料用量少且吞吐量高，预计对环境的影响较小。

直接图案印刷方法需要合适的印刷材料和印刷方法：
- 印刷材料 ：包括用于晶体管有源层的半导体墨水、用于总线线路和像素电极的导体墨水，以及用于介电和钝化层的介电墨水。例如，银墨水可用于总线线路，候选的透明像素电极墨水包括 ITO 纳米颗粒、碳纳米管和金属纳米线。
- 印刷方法 ：有喷墨印刷、胶版印刷、微接触印刷、压印、凹版印刷、柔性版印刷和丝网印刷等。每种方法都有其优缺点，适用于 TFT 结构的不同层。

目前，喷墨印刷 OTFTs 是大面积、可印刷和柔性显示器及电子产品的热门话题之一，因为其低温处理与现有塑料基板的低热预算兼容。不过，由于目前很难优化所有不同 TFT 功能层材料的印刷条件，尤其是有机介电和半导体层，喷墨印刷工艺通常与其他基于溶液或真空的制造方法结合使用。例如，Suzuki 等人展示了 200 ppi 的全印刷有机 TFT 背板和柔性 EPD 显示器，采用底部栅极 OTFT 结构，使用表面能控制的银纳米颗粒喷墨沉积用于栅极和源漏层，喷墨印刷有机半导体，旋涂新型聚酰亚胺作为栅极介电层，通过丝网印刷制造绝缘体和像素电极。所有层在环境条件下印刷，最高工艺温度为 180°C，制造出沟道长度为 5 毫米、迁移率为 0.1 cm²/Vs 的 OTFTs，并用于展示 3.2 英寸对角线、540 × 360 像素的电泳显示器。

然而，可印刷 OTFTs 和背板仍存在一些技术问题需要解决：
- 金属线问题 ：形成窄的、高纵横比且低 sheet 电阻的金属线。
- 介电层问题 ：优化印刷的、无缺陷的高质量有机栅极介电层的处理和固化条件。
- 半导体层问题 ：解决印刷有机半导体层的表面能和润湿性问题。
- 接触电阻问题 ：降低源/漏电极与有机半导体层之间的接触电阻，特别是对于底部接触有机薄膜晶体管结构。

7. 卷对卷（RTR）处理

目前，制造柔性背板和显示器的常见方法是基于板对板类型，将柔性基板附着到刚性载体基板上进行 TFT 制造，这是批量处理过程，使用传统的真空沉积和光刻图案化技术。而卷对卷（RTR）处理是一种常用于在柔性基板上连续制造一些薄膜器件的技术，与传统批量处理相比，具有显著优势：
- 提高吞吐量 ：允许更高程度的自动化，消除了将面板装载和卸载到光刻工具和化学处理站的额外时间。

但使用 RTR 工艺制造柔性 TFT 器件和背板也面临诸多挑战，因为当前 TFT 制造的大部分真空和光刻工艺与真正的 RTR 处理不兼容，例如在光刻曝光期间卷需要保持静止。

目前，将 RTR 工艺应用于柔性背板和显示器的努力主要是将可行的 RTR 工艺步骤集成到主要的板对板工艺中。例如：
- NEC ：开发了可卷曲的柔性硅 TFT 背板，采用玻璃蚀刻 TFT 转移工艺和卷对卷连续层压工艺。转移过程包括高速、均匀的玻璃蚀刻，将在玻璃基板上制造的 TFT 阵列转移到柔性塑料薄膜上。在卷对卷过程中，将变薄的 TFT - 玻璃片（0.1 毫米）和基膜卷使用永久粘合剂连续层压。选择合适的粘合剂弹性模量和张力强度对于抑制热应力引起的 TFT 背板卷变形至关重要。已经展示了可以在芯直径约 300 毫米的卷上缠绕而无重大物理损坏（如开裂）的 TFT 背板。
- HP Lab ：开发了 SAIL（自对准压印光刻）技术，用于在塑料薄膜上制造 TFT 背板。该工艺消除了许多昂贵且吞吐量低的光刻/抗蚀剂蚀刻步骤。虽然仍使用真空沉积和干蚀刻进行 TFT 层处理，但成本优势在于在任何图案化步骤之前完成所有层沉积步骤，并使用整体 3D 掩模结构。通过交替蚀刻掩模结构和薄膜堆叠，将背板所需的多个图案转移到器件层。由于掩模随基板变形，无论工艺引起的变形如何都能保持完美对准。这些背板已用于展示 AM EPDs。虽然 SAIL 工艺不是真正完整的 RTR 工艺，但仍受益于 RTR 压印图案化过程。

完全通过印刷程序制造的有源矩阵 TFT 器件和背板，无需使用任何真空沉积步骤和光刻图案化程序，具有实现全卷对卷制造和最终低成本的潜力。目前，特别是对于无机（a - Si、LTPS 和 OSC）TFTs，用于半导体和栅极绝缘体材料的可印刷墨水尚未可用。目前，OTFT 技术似乎最接近拥有可印刷的半导体和栅极绝缘体材料，并有可能开发更完整的 RTR 工艺用于背板制造。开发精细图案印刷技术对于实现能够制造高分辨率柔性显示器的 RTR 技术也至关重要。

以下是 RTR 处理相关技术的对比表格：
| 公司 | 技术 | 优势 | 不足 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| NEC | 玻璃蚀刻 TFT 转移 + 卷对卷连续层压 | 高速转移、连续层压，可制造可卷曲背板 | 需控制粘合剂和张力，避免背板变形 |
| HP Lab | SAIL 技术 | 减少光刻步骤，成本优势，保持图案对准 | 非完整 RTR 工艺 |

以下是 RTR 处理在柔性背板制造中的应用流程图：

graph LR
    A[板对板工艺制造部分 TFT 结构] --> B[集成可行 RTR 步骤]
    B --> C{NEC 或 HP Lab 等技术}
    C -->|NEC| D[玻璃蚀刻转移到塑料薄膜]
    C -->|HP Lab| E[使用 3D 掩模结构图案化]
    D --> F[卷对卷连续层压]
    E --> G[交替蚀刻转移图案]
    F --> H[制造可卷曲背板]
    G --> I[制造用于 AM EPD 的背板]

综上所述，不同的 TFT 背板制造方法各有优缺点。直接制造方法适用于特定材料和温度要求的情况；器件层转移工艺可制造高性能背板，但存在成本和良率问题；临时基板键合与去键合提高了处理便利性，但有粘合剂相关问题；原位塑料涂层方法为不同类型的 TFT 背板制造提供了可能；直接印刷方法具有环保和兼容性优势，但面临材料和工艺优化问题；卷对卷处理具有高吞吐量潜力，但需要解决与现有工艺的兼容性和图案化问题。未来，随着技术的不断发展，这些方法有望不断改进和完善，以满足柔性显示器市场对高性能、低成本产品的需求。