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突破行动OLED显示器量产瓶颈
蚀刻技术进入制程

【作者: Tung-Huei Ke】2021年06月16日 星期三

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OLED显示器的市场热度持续攀升,在行动显示与微显示(micro-display)应用上,一些特定的技术挑战也随之浮现。现有的制程,像是精密金属遮罩(fine metal mask;FMM)与喷墨印刷(inkjet printing;IJP)技术,都还无法满足新世代显示技术的应用需求,例如达到更高的解析度与像素密度,或是打造出成像品质充足的透明显示器。



图一 : 爱美科在OLED显示器制造技术上发现了重大突破,可??解决次世代行动显示的技术瓶颈。
图一 : 爱美科在OLED显示器制造技术上发现了重大突破,可??解决次世代行动显示的技术瓶颈。

爱美科(imec)证实了光刻技术(photolithography),可??成为克服FMM与IJP技术瓶颈的首选方法,因此,他们将一套全新的制程导入了过往几??无人预料到的领域。


行动OLED显示器的趋势

OLED正逐渐成为行动手机与手表的主流显示技术,这类产品的解析度不太需要再进一步提升,目前落在500ppi以下,可是未来会朝向增加萤幕占比并去除可见机壳的目标发展。因此,整合在萤幕正面的感测器,包含指纹感测器、前置镜头等,就需隐藏在显示器内。要做到这点,就需要一些技术来让显示器在不发生影像退化(image degradation)的情况下呈现出透明度。


在其他行动应用中,例如可用於扩增实境(AR)装置的micro-LED显示器,像素大小和密度也成为技术考量。目前有好几种AR眼镜正处於研究阶段,但真正的3D投影还是难以实现。利用超高解析度的2D显示器,并搭配透镜阵列(lenslet array),这样的元件配置就可能制造出成像不错的立体影像方块(imaging cube)。


而要实现这点,像素大小必须比现况再微缩一个数量级,也就是3000ppi,甚至是6000ppi。更具体地说,一般手机的像素大小是70微米,那麽目标就是缩至7微米以下,甚至是单一微米等级的尺度。


手头方案全失效 蚀刻又不被看好

在目前的有机异质电子元件制造中,FMM技术在OLED堆叠中广获采用,用来产生发光层(emission layer)的红、绿、蓝像素图形。因此,解析度高於500ppi的显示器已经商业化,而且目前还在研发能够免用FMM的直接图形化OLED像素,解析度高达2000ppi以上。


然而,这项技术目前有些开发瓶颈,会阻碍采用更大基板并在高阶析度下达到更高开囗率的发展。举例来说,在FMM制程中,遮罩可能发生下垂,而直接印刷技术还有遮蔽效应(shadowing effect)的问题。


此外,利用FMM技术的制程方法无法制出孔洞结构;走这条制造途径还有清洗步骤与替换遮罩的考量,让产线的运转成本难以减省。


现在显示器产业也在研究利用IJP等印刷制程的其他制造方法。多家厂商已展示了150ppi以上的主动式OLED(AMOLED)元件。这些制程受到业界肯定,因为它们不受基板大小限制。


另外还有几项研究的目标是提升印刷的解析度,例如气溶胶喷涂(aerosol jet)或是静电喷雾(electrostatic jet)印刷技术。不过目前都还要面对一些技术挑战,像是大面积沉积时元件层的厚度均匀度问题,还有这些元件与采用蒸镀制程的OLED相较,可靠度较低。


过去有很长一段时间,业界并未将蚀刻技术纳入考量。具体来说,OLED堆叠先前被认定无法在复杂且严峻的制程环境下正常运作。就以OLED的材料敏感度为例,就包含了湿度、氧气、UV光照、有机溶剂和电浆表面处理等考量因素,这些都是标准蚀刻流程的一部份,但也都有可能会导致OLED元件发生不必要的衰减。


新i-line蚀刻制程 产出业界相容的OLED像素堆叠

历经数年的持续努力,藉由多方合作与内部团队的领域专长,爱美科成功开发出新的i-line(365nm)蚀刻制程,能够产出与业界相容的OLED像素堆叠,而且没有什麽基本限制,不论是对行动显示器的基板大小,或是对微显示器采用8寸(200mm)或12(300mm)寸晶圆尺寸,皆无设限。


这些成果源自於多方面的整合优化,包含元件结构、光阻剂和制程环境。确切来说,爱美科在2020年12月国际显示技术研讨会(the International Display Workshops)上展示了两大成果。



图二 : 爱美科展示了如何在OLED制程中导入蚀刻技术。
图二 : 爱美科展示了如何在OLED制程中导入蚀刻技术。

首项成果是打造出像素大小为10μm、间距为20μm的图形化元件,而且在电致发光(electroluminescence;EL)的光谱与元件寿命方面,这些元件和非图形化元件相比并无衰减。唯一测到的衰减发生在连续蚀刻步骤之後,那就是驱动电压增加了。


在发光亮度为1000nit的情况下,该元件的驱动电压约为6.6V,但其实应该降至3.8V才是比较能够接受的范围,这也是FMM技术的基准点。然而,该元件的驱动压在进行第一次蚀刻後会增加,而且在进行第二次蚀刻後维持稳定,这可能表示,衰减现象会发生,是因为有机半导体元件上方的光阻剂在蚀刻过程中直接曝光。这个可能也提供了研究人员一些有用的研发见解,并为进一步优化指明一条可行的发展途径。


第二项成果则是展示功能性OLED堆叠的高解析度孔洞阵列(hole array),能够用来实现萤幕内嵌感测(in-display sensing)技术。在第一阶段,爱美科制出具备完整孔洞阵列的测试结构,而研究结果显示,元件表面的开囗率高达81%,而透明度则依照制程选用的材料不同,可以增加20%~70%。


进入第二阶段时,这些孔洞可以在OLED功能元件内部成形。元件特性在孔洞生成的前後并没有显着的衰减现象,除了先前所说的驱动电压会微幅增加,不过也仅高出了0.6V,这个程度对OLED像素制程来说其实相当低。


就产业相关性而言,这些研究成果不容小黥。有些轻松点的应用场景仅需使用单色显示,而且驱动电压不成问题,这套方案就能考虑纳入产业应用。同理可推至其他只需进行单次孔洞阵列图形化步骤的应用。


针对要求低驱动电压的全彩行动显示应用,或是需要更复杂孔洞结构的显示器制造场景,目前还需要深入研发。不过,现在的这些成果是相对少数的研究团队和组织的心血,如果有更多的产业要角加入,後续发展可以加速进行。产业价值链中的材料、设备、制程和元件厂商,都将对这项技术迈向成熟的商业应用发挥作用。


从1970年首度亮相的5微米CPU,到最新一代iPhone的5微米晶片,半导体产业花了半个世纪达成。偕同研究夥伴,爱美科花了不到五年就将OLED像素尺寸从20微米微缩至10微米,目前也已经能打造出3000ppi的白光OLED显示器。


为了研发出6000ppi甚至更高解析度的OLED显示器,约在1微米的像素大小必需实现。在OLED显示领域进一步展开光刻技术的合作开发,可??能让这个目标更趋近於现实。


(本文作者Tung-Huei Ke为爱美科研发主任;编译/吴雅婷)


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