大宗特气系统知识分享：显示屏制造中特种气体的应用.docVIP

专业成就品质 大宗特气系统知识分享：显示屏制造中特种气体的应用 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。本文主要讨论显示制造工艺块所需要的特种气体，并对各种气体供应模式进行综述。 TFT显示屏制造与半导体器件制造方面有很多相似之处，比如：这两种制造过程中都需要使用大量气体、比如工艺步骤中的沉积、刻蚀、清洁和掺杂，还有其他步骤使用的气体类型也都比较相似。 显示设备分层 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（图1）：滤色层、薄膜晶体管开关层（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。 图1: Function and composition of thin-film display devices 关于背板/TFT 显示屏采用的薄膜晶体管为2D渐变型晶体管，类似于FinFET之前的大宗CMOS。有源矩阵显示屏每个像素有一个晶体管，驱动晶体管内的一种RGB颜色。随着显示屏分辨率增加，晶体管变小，但不会缩小到半导体设备的亚微米级尺寸。例如，像素密度为325PPI的智能手表，其晶体管大小约为2mm2，而80 PPI像素密度的4K电视，晶体管大小约为8mm2。 技术趋势 TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示屏）是一种基础技术。大屏使用MO/白色OLED（有机发光二极管）。中小屏使用LTPS / AMOLED。OLED面临的难点是1微米粒子对产率的影响，此外由于掩码步骤增加，其成本远高于非晶硅（a-Si）。此外，OLED步骤中水分对生产良率具有影响。 迁移率极限（图2）是改用MO和LTPS的主要原因之一，其目的是通过更高的分辨率，实现更好的观看体验等。 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。 图 2. Mobility comparison of a-Si, MO, and LTPS 虽然AMLCD显示屏目前仍是市场主流，但AMOLED显示屏增长迅速。目前约有25%的智能手机采用AMOLED显示屏，预计这一比例到2021年将达到约40%。OLED电视同样增长迅速，同比增长率达到两位数。根据IHS数据，在未来5年，AMOLED显示屏面板的收入预计年均复合增长率（CAGR）将达到18.9%，而AMLCD显示屏的收入同期CAGR为2.8%，所有显示屏总收入同期CAGR为2.5%。随着AMOLED显示屏快速增长，显示屏制造商加快了AMOLED制造设备的投资。 背板类型 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（图3）。 图3. Comparison of display processes 气体的使用方式 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。如图4所示，目前生产显示屏时采用多种气体。 图4. Primary gases used in display manufacturing 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％。 图 5. Gas usage in display manufacturing by type for a-Si devices 推动使用的主要因素 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