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氧化亚氮、激光混合气等特种气体在显示屏薄膜晶体管中的应用


自从有源矩阵薄膜晶体管(TFT)显示屏在二十世纪九十年代开始民用化以来,它已成为现代生活不可或缺的组成部分,其应用远不限于电视机和智能手机,它还存在于我们日常生活中的主要通信和信息工具:手表(可穿戴设备)、电器、广告、标牌、汽车等。

随着显示屏素玻璃面积越来越大,显示屏制造过程中使用的设备以及所需气体量也越来越大。此外,由于消费者希望获得更好的观看体验,例如更为丰富的颜色、更高的分辨率、更低的功耗,也促使显示屏制造商开发有源矩阵有机发光显示屏(AMOLED)并将其商业化。


在背板技术趋势的推动下,显示屏制造对特种气体产生了更大的需求。目前市场上有两种显示屏:有源矩阵液晶显示屏(AMLCD)和AMOLED。AMLCD和AMOLED的显示屏基本部件相同。显示设备有4层:滤色层、薄膜晶体管开关层(特种气体主要用于这一层)、用于控制颜色选择的快门层、RGB(红绿蓝)颜色过滤器。  

显示屏的薄膜晶体管设备主要有三种:非晶硅(a-Si)、低温多晶硅(LTPS)和金属氧化物(MO),也称为透明非晶氧化物半导体(TAOS)。AMLCD面板使用a-Si一般是用于低分辨率显示屏和电视机,而高分辨率显示屏采用LTPS晶体管,不过由于成本较高、可扩展性受限,一般用于中小型显示屏。AMOLED面板使用LTPS和MO晶体管,其中MO设备通常用于电视机和大型显示屏。

MO面临的挑战在于OLED步骤后,如何避免IGZO金属化/潮湿造成的氧化,后者将导致产率下降。制造过程中需使用大量的N2O(氧化亚氮),这意味着可能需要考虑改变传统供应模式。

由于技术变迁,相比AMLCD面板,生产AMOLED面板所需使用的气体也要发生变化,目前生产显示屏时采用多种气体。

这些气体可分为两类:电子特种气体(ESG)和电子大宗气体(EBG)(图5)。电子特种气体包括硅烷、三氟化氮、氟(现场产生)、六氟化硫氨气以及磷化氢混合物,占显示屏制造中使用气体的52%,而电子大宗气体包括氮气、氢气、氦气、氧气、二氧化碳和氩气,占显示屏制造中使用气体的48%。

推动显示屏制造中使用气体的主要因素包括PECVD(等离子体增强化学气相沉积),占ESG消耗的75%,而干法蚀刻则推动了氦气的使用。LTPS和MO晶体管的生产推动了氧化亚氮的使用。ESG在MO晶体管生产中的使用情况与图4所示不同:氧化亚氮占气体消耗的63%,三氟化氮占26%,硅烷占7%,六氟化硫和氨一共约占4%。激光气体不仅用于光刻,也用于LTPS中准分子激光退火应用。

硅烷:SiH4是显示屏制造中最关键的气体之一,与氨气(NH3)结合使用,形成用于a-Si晶体管的氮化硅层,与氮气(N2)结合使用,形成用于LTPS晶体管的预准分子激光退火a-Si,或与氧化亚氮(N2O)结合使用形成MO晶体管的氧化硅层。

三氟化氮:从a-Si和LTPS显示屏生产中的消耗和使用量来看,NF3是a-Si和LTPS显示屏生产中使用最多的单种电子材料,而在MO生产中,其使用量不如N2O。NF3用于清洁PECVD腔室。对于这种气体,需要具备可扩展性,才能在竞争激烈的市场中建立所需的成本优势。

氧化亚氮:LTPS和MO显示屏生产中均使用,从MO生产中的消耗和使用量来看,N2O已超过NF3成为MO生产中用量最多的电子材料。N2O是一种区域性、本地化的产品,由于其成本低,无法采用物流成本高昂的长供应链。平均每5.5平方米素玻璃重约2公斤,每月一般需要240吨N2O才能生产120K的8.5 MO显示屏。最大的N2O压缩气体拖车每次只能提供6吨N2O,对于MO生产来说,这种做法成本高,风险大。

氮气:一般的大型显示屏厂氮气需求可高达50,000 Nm3/小时,因此现场发电机(如林德 SPECTRA-N®50,000)是一种具有成本效益的解决方案,与传统的氮气工厂相比,显示屏制造中的CO2(二氧化碳)排放减少8%。

氦气:氦气用于流程中和流程后冷却玻璃。由于氦气是一种不可再生气体,鉴于其成本和可得性,制造商正在研究减少氦气的使用。

现场氮气发生器:氮气是工厂消耗最多的气体,需要在第一批工具入场前提供。大型显示屏工厂与大型半导体工厂一样,需要大量的氮气,只有现场制备才比较经济。

低温液体拖车:氧气、氩气和二氧化碳非现场生产,作为低温液体,它们通过特种真空绝缘储罐短途运输。

压缩气体拖车:氢气和氦气等其他大容量的压缩气体,通过拖车或ISO储罐经长距离运输供应。

独立包装:特种气体通过独立包装供应。对于硅烷和三氟化氮等体积较大的材料,可以采用大型ISO包装供货,容量可达10吨,体积较小的材料采用标准气瓶。

混合气体:激光气体和掺杂剂以几种不同气体混合物的形式供应。要将显示屏件制造保持在可接受的参数范围内,混合产品的精度至关重要。

厂内分布:即使在材料交付或生产完成后,仍然需要供应气体。在交付给各生产流程前,需对材料进行进一步过滤、纯化和在线分析。


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