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液態(tài)半導(dǎo)體材料與工藝正在打開(kāi)產(chǎn)業(yè)化和加速創(chuàng)新的大門

—— 在通往可印刷晶體管的發(fā)展之道中借材料、器件結(jié)構(gòu)與工藝創(chuàng)新帶來(lái)巨大機(jī)會(huì)
作者: 時(shí)間:2014-07-10 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  隨著材料技術(shù)和加工工藝的成熟,采用涂布(coating)工藝和半導(dǎo)體油墨或漿料,在玻璃等各種基板上制作高精度的(TFT)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期。該技術(shù)將比傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝的濺射或者擴(kuò)散方法更方便和更容易地制作晶體管,將因不需要復(fù)雜的真空設(shè)備和準(zhǔn)備時(shí)間而大幅度減少資本支出和提升生產(chǎn)效率。同時(shí)還因?yàn)榭梢圆捎酶鄻踊牟牧吓浞胶推骷Y(jié)構(gòu),以及可通往可印刷半導(dǎo)體技術(shù),故具有廣闊的前景。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/249539.htm

  在業(yè)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的推動(dòng)下,這種液態(tài)電子技術(shù)目前已經(jīng)進(jìn)入早期商用,被用于制作平板顯示器件背板上的TFT晶體管陣列、新型觸控器件、傳感器和柔性電子技術(shù)等等應(yīng)用。為此,北京首席分析師Sunray Liu走訪了全球液態(tài)電子材料和工藝領(lǐng)先供應(yīng)商Evonik Industries AG,并深入其實(shí)驗(yàn)室和工廠了解和學(xué)習(xí)了采用液態(tài)技術(shù)來(lái)制作的過(guò)程和應(yīng)用。

  特有的創(chuàng)新機(jī)制推動(dòng)液態(tài)電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

  Evonik Industries AG在國(guó)內(nèi)也被稱為贏創(chuàng)工業(yè)股份有限公司,它是德國(guó)第三大化工公司,專注于研究生產(chǎn)各種特色化工產(chǎn)品。該公司研發(fā)中心位于德國(guó)馬爾(Marl)市,2013年?duì)I業(yè)收入為127億歐元。該公司擁有獨(dú)特的創(chuàng)新之道,一是對(duì)公司認(rèn)定的未來(lái)科技可以進(jìn)行長(zhǎng)期大規(guī)模投入;二是通過(guò)不斷的兼并收購(gòu),整合各種新技術(shù)資源;第三該公司有一套獨(dú)特的孵化機(jī)制,為內(nèi)部技術(shù)創(chuàng)新組織設(shè)立了從內(nèi)部“孵化中心”到“應(yīng)用中心”再到業(yè)務(wù)單元的全方位創(chuàng)新支持系統(tǒng)。

  而這種可大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作的電子油墨和相關(guān)工藝就是Evonik持續(xù)投資10年研發(fā)出來(lái)的成果。2004年,Ralf Anselmann博士離開(kāi)Merck公司加入了Evonik,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在Evonik內(nèi)部建立了“納米電子——科學(xué)到業(yè)務(wù)孵化中心(Science-to-Business Center Nanotronics)”,該中心專注于研發(fā)可印刷電子技術(shù)、低成本柔性太陽(yáng)能電池、透明導(dǎo)電薄膜以及智能涂布技術(shù)等項(xiàng)目。

  
圖一:Evonik涂布與添加劑事業(yè)部電子解決方案副總裁Ralf Anselmann博士

  相關(guān)研發(fā)工作進(jìn)展順利,于是在2012年上半年,Anselmann博士又帶著其20多人的團(tuán)隊(duì)從科學(xué)到業(yè)務(wù)孵化中心“畢業(yè)”,進(jìn)入Evonik的涂布與添加劑事業(yè)部,成為了公司業(yè)務(wù)單元的一個(gè)部分而開(kāi)始產(chǎn)品化和市場(chǎng)化的工作。團(tuán)隊(duì)的研發(fā)工作重點(diǎn)也加上了各種應(yīng)用工藝和材料的研發(fā),Anselmann博士的身份也從科學(xué)家轉(zhuǎn)為涂布與添加劑事業(yè)部負(fù)責(zé)電子解決方案的副總裁,開(kāi)始了全球首批液態(tài)電子材料與工藝的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

  2013年,Evonik在當(dāng)年的國(guó)際顯示器大會(huì)(IDW 13)上發(fā)布了一整套品牌名為iXsenic的全新金屬氧化物半導(dǎo)體油墨、以及相關(guān)的液態(tài)電子加工工藝,并展示了全球第一款背板驅(qū)動(dòng)電路采用半導(dǎo)體油墨制造的4吋QVGA主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光二極管(AMOLED)顯示屏,同時(shí)也有臺(tái)灣平板顯示廠商展示了基于該技術(shù)的先期產(chǎn)品,這代表了iXsenic的技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入商用期。

  iXsenic系列材料和工藝可以幫助電子器件制造商開(kāi)發(fā)各種薄膜晶體管(TFT),可用于液晶顯示(LCD)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、柔性顯示器、觸控面板和其他印刷電子產(chǎn)品?,F(xiàn)在iXsenic系列材料已可實(shí)現(xiàn)薄膜晶體管和其他薄膜器件的半導(dǎo)體層(iXsenic S)、鈍化層(iXsenic PV)、介電層(iXsenic D)和刻蝕阻擋層(iXsenic ES),以及黑色矩陣油墨(iXsenic BM)。由這些材料制作成的TFT擁有優(yōu)異的性能,如Evonik已經(jīng)可量產(chǎn)的iXsenic S的電荷載流子遷移率在通常情況下可達(dá)到15cm ^2 /Vs,在理想的條件下可到達(dá)60cm ^2 /Vs。

  
圖二:采用Evonik的iXsenic系列材料制作的薄膜晶體管分層結(jié)構(gòu)

  材料和工藝的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

  在Evonik位于德國(guó)馬爾市的實(shí)驗(yàn)室和小型工廠內(nèi),我們看到了整個(gè)納米級(jí)薄膜晶體管的“印制”過(guò)程。實(shí)驗(yàn)人員在玻璃基板上點(diǎn)上半導(dǎo)體油墨并用離心方法實(shí)現(xiàn)均勻涂層,然后在一定的高溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)材料固化和性質(zhì)變化,再借助類似于半導(dǎo)體光刻的技術(shù)刻蝕出相應(yīng)的圖形,反復(fù)使用不同的油墨和類似的工藝方法,就可以批量生產(chǎn)出包括核心的半導(dǎo)體層和相應(yīng)的鈍化層、介電層和刻蝕阻擋層的各種薄膜晶體管。

  “材料和工藝代表了可印刷電子的下一個(gè)發(fā)展機(jī)遇,我們創(chuàng)新的iXsenic系列材料和工藝帶來(lái)了巨大的成本降低和靈活性。” Evonik涂布與添加劑事業(yè)部電子解決方案副總裁Ralf Anselmann博士表示:“值得注意的是,整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不需要傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造中化學(xué)氣相沉積(CVD)和濺射(Sputter)工藝所需的真空設(shè)備和真空準(zhǔn)備時(shí)間,從而節(jié)省了資本支出并提高了效率;同時(shí),Evonik還可以通過(guò)為客戶定制相應(yīng)的材料成分和工藝,為客戶的薄膜晶體管產(chǎn)品提供差異化的性能和巨大的靈活性。”

  
圖三:在Evonik工廠里開(kāi)發(fā)的第二代平板顯示背板TFT陣列

  為了推動(dòng)iXsenic系列液態(tài)電子材料和油墨的應(yīng)用,Evonik首先瞄準(zhǔn)了包括TFT液晶和OLED在內(nèi)的各種平板顯示器件和觸摸屏,并與業(yè)內(nèi)各大廠商及科研機(jī)構(gòu)展開(kāi)了廣泛的合作。亞洲是該公司產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn),繼在上海開(kāi)設(shè)了可針對(duì)iXsenic提供相應(yīng)支持的辦公室后,Evonik于2014年6月在臺(tái)灣開(kāi)設(shè)了應(yīng)用技術(shù)中心(ATC),該中心的目標(biāo)對(duì)象是亞洲的平板顯示行業(yè),不僅設(shè)有潔凈室等設(shè)施,而且還與臺(tái)灣工研院合作,使用后者的一條2代平板顯示器件生產(chǎn)線為客戶進(jìn)行測(cè)試和試產(chǎn)。

  未來(lái)更多的創(chuàng)新與應(yīng)用

  Anselmann博士認(rèn)為液態(tài)電子材料與工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用才剛剛開(kāi)始,未來(lái)存在著巨大的發(fā)展空間。首先液態(tài)電子材料的種類、性能和應(yīng)用方向還有巨大的開(kāi)發(fā)空間,未來(lái)的一些新材料將帶來(lái)全新的技術(shù)與應(yīng)用,如在透明玻璃基板上的顯示器件或者傳感器、可與硅器件性能相當(dāng)?shù)谋∧て骷透咝阅苋嵝噪娮赢a(chǎn)品等等。

  其次,從液態(tài)電子材料到薄膜晶體管,更多全新的加工工藝將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)出現(xiàn),目前的加工方式都基于效率已經(jīng)大大提升的涂布工藝,但是未來(lái)有望發(fā)展到真正的印刷工藝,屆時(shí)不僅可以生產(chǎn)更加精密的薄膜晶體管,而且還將帶來(lái)更高的生產(chǎn)效率和材料利用率,并大幅度降低生產(chǎn)成本。

  在交流結(jié)束之際,Anselmann博士與分析師Sunray Liu談及了液態(tài)電子材料和可印刷半導(dǎo)體技術(shù)的未來(lái)機(jī)遇,大家都認(rèn)為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)近年來(lái)取得的巨大成功,為采用更新材料與液態(tài)工藝的半導(dǎo)體技術(shù)揭示了一條光明的發(fā)展之道。它們不僅可以與現(xiàn)有的半導(dǎo)體和電子技術(shù)有更多的互補(bǔ)與融合,而且還是一種可以構(gòu)建更多全新器件結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)材料與技術(shù)。

  Anselmann博士表示:近年來(lái)快速發(fā)展的中國(guó)電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力得到了不斷提升,Evonik希望與領(lǐng)先的中國(guó)廠商合作開(kāi)發(fā)更多的創(chuàng)新器件及應(yīng)用,中國(guó)廠商強(qiáng)大的應(yīng)用創(chuàng)新能力,加上Evonik在成熟的材料與工藝組合上的定制與創(chuàng)新,將為合作雙方帶來(lái)巨大的發(fā)展空間。

  (作者:北京管理咨詢有限公司首席分析師 Sunray Liu)

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