突破行動(dòng)OLED顯示器量產(chǎn)瓶頸

OLED顯示器的市場(chǎng)熱度持續攀升，在行動(dòng)顯示與微顯示（micro-display）應用上，一些特定的技術(shù)挑戰也隨之浮現?，F有的制程，像是精密金屬屏蔽（fine metal mask；FMM）與噴墨印刷（inkjet printing；IJP）技術(shù)，都還無(wú)法滿(mǎn)足新世代顯示技術(shù)的應用需求，例如達到更高的分辨率與像素密度，或是打造出成像質(zhì)量充足的透明顯示器。

 
圖一 : 愛(ài)美科在OLED顯示器制造技術(shù)上發(fā)現了重大突破，可望解決次世代行動(dòng)顯示的技術(shù)瓶頸。

愛(ài)美科（imec）證實(shí)了光刻技術(shù)（photolithography），可望成為克服FMM與IJP技術(shù)瓶頸的首選方法，因此，他們將一套全新的制程導入了過(guò)往幾乎無(wú)人預料到的領(lǐng)域。

行動(dòng)OLED顯示器的趨勢
OLED正逐漸成為行動(dòng)手機與手表的主流顯示技術(shù)，這類(lèi)產(chǎn)品的分辨率不太需要再進(jìn)一步提升，目前落在500ppi以下，可是未來(lái)會(huì )朝向增加屏幕占比并去除可見(jiàn)機殼的目標發(fā)展。因此，整合在屏幕正面的傳感器，包含指紋傳感器、前置鏡頭等，就需隱藏在顯示器內。要做到這點(diǎn)，就需要一些技術(shù)來(lái)讓顯示器在不發(fā)生影像退化（image degradation）的情況下呈現出透明度。
在其他行動(dòng)應用中，例如可用于擴增實(shí)境（AR）裝置的micro-LED顯示器，像素大小和密度也成為技術(shù)考慮。目前有好幾種AR眼鏡正處于研究階段，但真正的3D投影還是難以實(shí)現。利用超高分辨率的2D顯示器，并搭配透鏡數組（lenslet array），這樣的組件配置就可能制造出成像不錯的立體影像方塊（imaging cube）。
而要實(shí)現這點(diǎn)，像素大小必須比現況再微縮一個(gè)數量級，也就是3000ppi，甚至是6000ppi。更具體地說(shuō)，一般手機的像素大小是70微米，那么目標就是縮至7微米以下，甚至是單一微米等級的尺度。

手頭方案全失效 蝕刻又不被看好
在目前的有機異質(zhì)電子組件制造中，FMM技術(shù)在OLED堆棧中廣獲采用，用來(lái)產(chǎn)生發(fā)光層（emission layer）的紅、綠、藍像素圖形。因此，分辨率高于500ppi的顯示器已經(jīng)商業(yè)化，而且目前還在研發(fā)能夠免用FMM的直接圖形化OLED像素，分辨率高達2000ppi以上。
然而，這項技術(shù)目前有些開(kāi)發(fā)瓶頸，會(huì )阻礙采用更大基板并在高階析度下達到更高開(kāi)口率的發(fā)展。舉例來(lái)說(shuō)，在FMM制程中，屏蔽可能發(fā)生下垂，而直接印刷技術(shù)還有遮蔽效應（shadowing effect）的問(wèn)題。
此外，利用FMM技術(shù)的制程方法無(wú)法制出孔洞結構；走這條制造途徑還有清洗步驟與替換屏蔽的考慮，讓產(chǎn)線(xiàn)的運轉成本難以減省。
現在顯示器產(chǎn)業(yè)也在研究利用IJP等印刷制程的其他制造方法。多家廠(chǎng)商已展示了150ppi以上的主動(dòng)式OLED（AMOLED）組件。這些制程受到業(yè)界肯定，因為它們不受基板大小限制。
另外還有幾項研究的目標是提升印刷的分辨率，例如氣溶膠噴涂（aerosol jet）或是靜電噴霧（electrostatic jet）印刷技術(shù)。不過(guò)目前都還要面對一些技術(shù)挑戰，像是大面積沉積時(shí)組件層的厚度均勻度問(wèn)題，還有這些組件與采用蒸鍍制程的OLED相較，可靠度較低。
過(guò)去有很長(cháng)一段時(shí)間，業(yè)界并未將蝕刻技術(shù)納入考慮。具體來(lái)說(shuō)，OLED堆棧先前被認定無(wú)法在復雜且嚴峻的制程環(huán)境下正常運作。就以OLED的材料敏感度為例，就包含了濕度、氧氣、UV光照、有機溶劑和電漿表面處理等考慮因素，這些都是標準蝕刻流程的一部份，但也都有可能會(huì )導致OLED組件發(fā)生不必要的衰減。

新i-line蝕刻制程 產(chǎn)出業(yè)界兼容的OLED像素堆棧
歷經(jīng)數年的持續努力，藉由多方合作與內部團隊的領(lǐng)域專(zhuān)長(cháng)，愛(ài)美科成功開(kāi)發(fā)出新的i-line（365nm）蝕刻制程，能夠產(chǎn)出與業(yè)界兼容的OLED像素堆棧，而且沒(méi)有什么基本限制，不論是對行動(dòng)顯示器的基板大小，或是對微顯示器采用8吋（200mm）或12（300mm）吋晶圓尺寸，皆無(wú)設限。
這些成果源自于多方面的整合優(yōu)化，包含組件結構、光阻劑和制程環(huán)境。確切來(lái)說(shuō)，愛(ài)美科在2020年12月國際顯示技術(shù)研討會(huì )（the International Display Workshops）上展示了兩大成果。

 
圖二 : 愛(ài)美科展示了如何在OLED制程中導入蝕刻技術(shù)。

首項成果是打造出像素大小為10μm、間距為20μm的圖形化組件，而且在電致發(fā)光（electroluminescence；EL）的光譜與組件壽命方面，這些組件和非圖形化組件相比并無(wú)衰減。唯一測到的衰減發(fā)生在連續蝕刻步驟之后，那就是驅動(dòng)電壓增加了。
在發(fā)光亮度為1000nit的情況下，該組件的驅動(dòng)電壓約為6.6V，但其實(shí)應該降至3.8V才是比較能夠接受的范圍，這也是FMM技術(shù)的基準點(diǎn)。然而，該組件的驅動(dòng)壓在進(jìn)行第一次蝕刻后會(huì )增加，而且在進(jìn)行第二次蝕刻后維持穩定，這可能表示，衰減現象會(huì )發(fā)生，是因為有機半導體組件上方的光阻劑在蝕刻過(guò)程中直接曝光。這個(gè)可能也提供了研究人員一些有用的研發(fā)見(jiàn)解，并為進(jìn)一步優(yōu)化指明一條可行的發(fā)展途徑。
第二項成果則是展示功能性OLED堆棧的高分辨率孔洞數組（hole array），能夠用來(lái)實(shí)現屏幕內嵌感測（in-display sensing）技術(shù)。在第一階段，愛(ài)美科制出具備完整孔洞數組的測試結構，而研究結果顯示，組件表面的開(kāi)口率高達81%，而透明度則依照制程選用的材料不同，可以增加20%~70%。
進(jìn)入第二階段時(shí)，這些孔洞可以在OLED功能組件內部成形。組件特性在孔洞生成的前后并沒(méi)有顯著(zhù)的衰減現象，除了先前所說(shuō)的驅動(dòng)電壓會(huì )微幅增加，不過(guò)也僅高出了0.6V，這個(gè)程度對OLED像素制程來(lái)說(shuō)其實(shí)相當低。
就產(chǎn)業(yè)相關(guān)性而言，這些研究成果不容小覷。有些輕松點(diǎn)的應用場(chǎng)景僅需使用單色顯示，而且驅動(dòng)電壓不成問(wèn)題，這套方案就能考慮納入產(chǎn)業(yè)應用。同理可推至其他只需進(jìn)行單次孔洞數組圖形化步驟的應用。
針對要求低驅動(dòng)電壓的全彩行動(dòng)顯示應用，或是需要更復雜孔洞結構的顯示器制造場(chǎng)景，目前還需要深入研發(fā)。不過(guò)，現在的這些成果是相對少數的研究團隊和組織的心血，如果有更多的產(chǎn)業(yè)要角加入，后續發(fā)展可以加速進(jìn)行。產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的材料、設備、制程和組件廠(chǎng)商，都將對這項技術(shù)邁向成熟的商業(yè)應用發(fā)揮作用。
從1970年首度亮相的5微米CPU，到最新一代iPhone的5微米芯片，半導體產(chǎn)業(yè)花了半個(gè)世紀達成。偕同研究伙伴，愛(ài)美科花了不到五年就將OLED像素尺寸從20微米微縮至10微米，目前也已經(jīng)能打造出3000ppi的白光OLED顯示器。
為了研發(fā)出6000ppi甚至更高分辨率的OLED顯示器，約在1微米的像素大小必需實(shí)現。在OLED顯示領(lǐng)域進(jìn)一步展開(kāi)光刻技術(shù)的合作開(kāi)發(fā)，可望能讓這個(gè)目標更趨近于現實(shí)。
（本文作者Tung-Huei Ke為愛(ài)美科研發(fā)主任；編譯／吳雅婷）