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氧化亞氮、激光混合氣等特種氣體在顯示屏薄膜晶體管中的應(yīng)用


自從有源矩陣薄膜晶體管（TFT）顯示屏在二十世紀(jì)九十年代開始民用化以來，它已成為現(xiàn)代生活不可或缺的組成部分，其應(yīng)用遠(yuǎn)不限于電視機(jī)和智能手機(jī)，它還存在于我們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕ㄐ藕托畔⒐ぞ撸菏直恚ǹ纱┐髟O(shè)備）、電器、廣告、標(biāo)牌、汽車等。

隨著顯示屏素玻璃面積越來越大，顯示屏制造過程中使用的設(shè)備以及所需氣體量也越來越大。此外，由于消費者希望獲得更好的觀看體驗，例如更為豐富的顏色、更高的分辨率、更低的功耗，也促使顯示屏制造商開發(fā)有源矩陣有機(jī)發(fā)光顯示屏（AMOLED）并將其商業(yè)化。


在背板技術(shù)趨勢的推動下，顯示屏制造對特種氣體產(chǎn)生了更大的需求。目前市場上有兩種顯示屏：有源矩陣液晶顯示屏（AMLCD）和AMOLED。AMLCD和AMOLED的顯示屏基本部件相同。顯示設(shè)備有4層：濾色層、薄膜晶體管開關(guān)層（特種氣體主要用于這一層）、用于控制顏色選擇的快門層、RGB（紅綠藍(lán)）顏色過濾器。  

顯示屏的薄膜晶體管設(shè)備主要有三種：非晶硅（a-Si）、低溫多晶硅（LTPS）和金屬氧化物（MO），也稱為透明非晶氧化物半導(dǎo)體(TAOS)。AMLCD面板使用a-Si一般是用于低分辨率顯示屏和電視機(jī)，而高分辨率顯示屏采用LTPS晶體管，不過由于成本較高、可擴(kuò)展性受限，一般用于中小型顯示屏。AMOLED面板使用LTPS和MO晶體管，其中MO設(shè)備通常用于電視機(jī)和大型顯示屏。

MO面臨的挑戰(zhàn)在于OLED步驟后，如何避免IGZO金屬化/潮濕造成的氧化，后者將導(dǎo)致產(chǎn)率下降。制造過程中需使用大量的N2O（氧化亞氮），這意味著可能需要考慮改變傳統(tǒng)供應(yīng)模式。

由于技術(shù)變遷，相比AMLCD面板，生產(chǎn)AMOLED面板所需使用的氣體也要發(fā)生變化，目前生產(chǎn)顯示屏?xí)r采用多種氣體。

這些氣體可分為兩類：電子特種氣體（ESG）和電子大宗氣體（EBG）（圖5）。電子特種氣體包括硅烷、三氟化氮、氟（現(xiàn)場產(chǎn)生）、六氟化硫、氨氣以及磷化氫混合物，占顯示屏制造中使用氣體的52％，而電子大宗氣體包括氮氣、氫氣、氦氣、氧氣、二氧化碳和氬氣，占顯示屏制造中使用氣體的48％。

推動顯示屏制造中使用氣體的主要因素包括PECVD（等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積），占ESG消耗的75％，而干法蝕刻則推動了氦氣的使用。LTPS和MO晶體管的生產(chǎn)推動了氧化亞氮的使用。ESG在MO晶體管生產(chǎn)中的使用情況與圖4所示不同：氧化亞氮占?xì)怏w消耗的63％，三氟化氮占26％，硅烷占7％，六氟化硫和氨一共約占4％。激光氣體不僅用于光刻，也用于LTPS中準(zhǔn)分子激光退火應(yīng)用。

硅烷：SiH4是顯示屏制造中最關(guān)鍵的氣體之一，與氨氣（NH3）結(jié)合使用，形成用于a-Si晶體管的氮化硅層，與氮氣（N2）結(jié)合使用，形成用于LTPS晶體管的預(yù)準(zhǔn)分子激光退火a-Si，或與氧化亞氮（N2O）結(jié)合使用形成MO晶體管的氧化硅層。

三氟化氮：從a-Si和LTPS顯示屏生產(chǎn)中的消耗和使用量來看，NF3是a-Si和LTPS顯示屏生產(chǎn)中使用最多的單種電子材料，而在MO生產(chǎn)中，其使用量不如N2O。NF3用于清潔PECVD腔室。對于這種氣體，需要具備可擴(kuò)展性，才能在競爭激烈的市場中建立所需的成本優(yōu)勢。

氧化亞氮：LTPS和MO顯示屏生產(chǎn)中均使用，從MO生產(chǎn)中的消耗和使用量來看，N2O已超過NF3成為MO生產(chǎn)中用量最多的電子材料。N2O是一種區(qū)域性、本地化的產(chǎn)品，由于其成本低，無法采用物流成本高昂的長供應(yīng)鏈。平均每5.5平方米素玻璃重約2公斤，每月一般需要240噸N2O才能生產(chǎn)120K的8.5 MO顯示屏。最大的N2O壓縮氣體拖車每次只能提供6噸N2O，對于MO生產(chǎn)來說，這種做法成本高，風(fēng)險大。

氮氣：一般的大型顯示屏廠氮氣需求可高達(dá)50,000 Nm3/小時，因此現(xiàn)場發(fā)電機(jī)（如林德 SPECTRA-N®50,000）是一種具有成本效益的解決方案，與傳統(tǒng)的氮氣工廠相比，顯示屏制造中的CO2（二氧化碳）排放減少8％。

氦氣：氦氣用于流程中和流程后冷卻玻璃。由于氦氣是一種不可再生氣體，鑒于其成本和可得性，制造商正在研究減少氦氣的使用。

現(xiàn)場氮氣發(fā)生器：氮氣是工廠消耗最多的氣體，需要在第一批工具入場前提供。大型顯示屏工廠與大型半導(dǎo)體工廠一樣，需要大量的氮氣，只有現(xiàn)場制備才比較經(jīng)濟(jì)。

低溫液體拖車：氧氣、氬氣和二氧化碳非現(xiàn)場生產(chǎn)，作為低溫液體，它們通過特種真空絕緣儲罐短途運輸。

壓縮氣體拖車：氫氣和氦氣等其他大容量的壓縮氣體，通過拖車或ISO儲罐經(jīng)長距離運輸供應(yīng)。

獨立包裝：特種氣體通過獨立包裝供應(yīng)。對于硅烷和三氟化氮等體積較大的材料，可以采用大型ISO包裝供貨，容量可達(dá)10噸，體積較小的材料采用標(biāo)準(zhǔn)氣瓶。

混合氣體：激光氣體和摻雜劑以幾種不同氣體混合物的形式供應(yīng)。要將顯示屏件制造保持在可接受的參數(shù)范圍內(nèi)，混合產(chǎn)品的精度至關(guān)重要。

廠內(nèi)分布：即使在材料交付或生產(chǎn)完成后，仍然需要供應(yīng)氣體。在交付給各生產(chǎn)流程前，需對材料進(jìn)行進(jìn)一步過濾、純化和在線分析。


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