液態(tài)半導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(mén)

　　隨著(zhù)材料技術(shù)和加工工藝的成熟，采用涂布(coating)工藝和半導體油墨或漿料，在玻璃等各種基板上制作高精度的薄膜晶體管(TFT)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期。該技術(shù)將比傳統半導體工藝的濺射或者擴散方法更方便和更容易地制作晶體管，將因不需要復雜的真空設備和準備時(shí)間而大幅度減少資本支出和提升生產(chǎn)效率。同時(shí)還因為可以采用更多樣化的材料配方和器件結構，以及可通往可印刷半導體技術(shù)，故具有廣闊的前景。

　　在業(yè)內研究機構和企業(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)等等應用。為此，北京華興萬(wàn)邦首席分析師Sunray Liu走訪(fǎng)了全球液態(tài)電子材料和工藝領(lǐng)先供應商Evonik Industries AG，并深入其實(shí)驗室和工廠(chǎng)了解和學(xué)習了采用液態(tài)技術(shù)來(lái)制作薄膜晶體管的過(guò)程和應用。

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

　　Evonik Industries AG在國內也被稱(chēng)為贏(yíng)創(chuàng )工業(yè)股份有限公司，它是德國第三大化工公司，專(zhuān)注于研究生產(chǎn)各種特色化工產(chǎn)品。該公司研發(fā)中心位于德國馬爾(Marl)市，2013年營(yíng)業(yè)收入為127億歐元。該公司擁有獨特的創(chuàng )新之道，一是對公司認定的未來(lái)科技可以進(jìn)行長(cháng)期大規模投入;二是通過(guò)不斷的兼并收購，整合各種新技術(shù)資源;第三該公司有一套獨特的孵化機制，為內部技術(shù)創(chuàng )新組織設立了從內部“孵化中心”到“應用中心”再到業(yè)務(wù)單元的全方位創(chuàng )新支持系統。

　　而這種可大規模產(chǎn)業(yè)化制作薄膜晶體管的電子油墨和相關(guān)工藝就是Evonik持續投資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)團隊在Evonik內部建立了“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(zhuān)注于研發(fā)可印刷電子技術(shù)、低成本柔性太陽(yáng)能電池、透明導電薄膜以及智能涂布技術(shù)等項目。

　　
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(zhù)其20多人的團隊從科學(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。團隊的研發(fā)工作重點(diǎn)也加上了各種應用工藝和材料的研發(fā)，Anselmann博士的身份也從科學(xué)家轉為涂布與添加劑事業(yè)部負責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在當年的國際顯示器大會(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動(dòng)電路采用半導體油墨制造的4吋QVGA主動(dòng)式有機發(fā)光二極管(AMOLED)顯示屏，同時(shí)也有臺灣平板顯示廠(chǎng)商展示了基于該技術(shù)的先期產(chǎn)品，這代表了iXsenic的液態(tài)半導體技術(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在iXsenic系列材料已可實(shí)現薄膜晶體管和其他薄膜器件的半導體層(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到15cm ^2 /Vs，在理想的條件下可到達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構

　　液態(tài)半導體材料和工藝的優(yōu)勢與應用

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

　　“液態(tài)半導體材料和工藝代表了可印刷電子的下一個(gè)發(fā)展機遇，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)程不需要傳統半導體制造中化學(xué)氣相沉積(CVD)和濺射(Sputter)工藝所需的真空設備和真空準備時(shí)間，從而節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(hù)定制相應的材料成分和工藝，為客戶(hù)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(chǎng)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用，Evonik首先瞄準了包括TFT液晶和OLED在內的各種平板顯示器件和觸摸屏，并與業(yè)內各大廠(chǎng)商及科研機構展開(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)設了可針對iXsenic提供相應支持的辦公室后，Evonik于2014年6月在臺灣開(kāi)設了應用技術(shù)中心(ATC)，該中心的目標對象是亞洲的平板顯示行業(yè)，不僅設有潔凈室等設施，而且還與臺灣工研院合作，使用后者的一條2代平板顯示器件生產(chǎn)線(xiàn)為客戶(hù)進(jìn)行測試和試產(chǎn)。

　　未來(lái)更多的創(chuàng )新與應用

　　Anselmann博士認為液態(tài)電子材料與工藝的產(chǎn)業(yè)化應用才剛剛開(kāi)始，未來(lái)存在著(zhù)巨大的發(fā)展空間。首先液態(tài)電子材料的種類(lèi)、性能和應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的薄膜器件和高性能柔性電子產(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 )在不遠的將來(lái)出現，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。

　　在交流結束之際，Anselmann博士與華興萬(wàn)邦分析師Sunray Liu談及了液態(tài)電子材料和可印刷半導體技術(shù)的未來(lái)機遇，大家都認為微機電系統(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。它們不僅可以與現有的半導體和電子技術(shù)有更多的互補與融合，而且還是一種可以構建更多全新器件結構和功能的基礎材料與技術(shù)。

　　Anselmann博士表示：近年來(lái)快速發(fā)展的中國電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng )新能力得到了不斷提升，Evonik希望與領(lǐng)先的中國廠(chǎng)商合作開(kāi)發(fā)更多的創(chuàng )新器件及應用，中國廠(chǎng)商強大的應用創(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：北京華興萬(wàn)邦管理咨詢(xún)有限公司首席分析師 Sunray Liu)