突破行動OLED顯示器量產(chǎn)瓶頸

OLED顯示器的市場熱度持續(xù)攀升，在行動顯示與微顯示（micro-display）應(yīng)用上，一些特定的技術(shù)挑戰(zhàn)也隨之浮現(xiàn)?，F(xiàn)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)，都還無法滿足新世代顯示技術(shù)的應(yīng)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 : 愛美科在OLED顯示器制造技術(shù)上發(fā)現(xiàn)了重大突破，可望解決次世代行動顯示的技術(shù)瓶頸。

愛美科（imec）證實了光刻技術(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往幾乎無人預(yù)料到的領(lǐng)域。

行動OLED顯示器的趨勢
OLED正逐漸成為行動手機與手表的主流顯示技術(shù)，這類產(chǎn)品的分辨率不太需要再進一步提升，目前落在500ppi以下，可是未來會朝向增加屏幕占比并去除可見機殼的目標發(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(nèi)。要做到這點，就需要一些技術(shù)來讓顯示器在不發(fā)生影像退化（image degradation）的情況下呈現(xiàn)出透明度。
在其他行動應(yīng)用中，例如可用于擴增實境（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投影還是難以實現(xiàn)。利用超高分辨率的2D顯示器，并搭配透鏡數(shù)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）。
而要實現(xiàn)這點，像素大小必須比現(xiàn)況再微縮一個數(shù)量級，也就是3000ppi，甚至是6000ppi。更具體地說，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，F(xiàn)MM技術(shù)在OLED堆棧中廣獲采用，用來產(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)目前有些開發(fā)瓶頸，會阻礙采用更大基板并在高階析度下達到更高開口率的發(fā)展。舉例來說，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(yīng)（shadowing effect）的問題。
此外，利用FMM技術(shù)的制程方法無法制出孔洞結(jié)構(gòu)；走這條制造途徑還有清洗步驟與替換屏蔽的考慮，讓產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)成本難以減省。
現(xiàn)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。多家廠商已展示了150ppi以上的主動式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)。不過目前都還要面對一些技術(shù)挑戰(zhàn)，像是大面積沉積時組件層的厚度均勻度問題，還有這些組件與采用蒸鍍制程的OLED相較，可靠度較低。
過去有很長一段時間，業(yè)界并未將蝕刻技術(shù)納入考慮。具體來說，OLED堆棧先前被認定無法在復(fù)雜且嚴峻的制程環(huán)境下正常運作。就以O(shè)LED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(shù)年的持續(xù)努力，藉由多方合作與內(nèi)部團隊的領(lǐng)域?qū)ｉL，愛美科成功開發(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，而且沒有什么基本限制，不論是對行動顯示器的基板大小，或是對微顯示器采用8吋（200mm）或12（300mm）吋晶圓尺寸，皆無設(shè)限。
這些成果源自于多方面的整合優(yōu)化，包含組件結(jié)構(gòu)、光阻劑和制程環(huán)境。確切來說，愛美科在2020年12月國際顯示技術(shù)研討會（the International Display Workshops）上展示了兩大成果。

 
圖二 : 愛美科展示了如何在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衰減。唯一測到的衰減發(fā)生在連續(xù)蝕刻步驟之后，那就是驅(qū)動電壓增加了。
在發(fā)光亮度為1000nit的情況下，該組件的驅(qū)動電壓約為6.6V，但其實應(yīng)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。然而，該組件的驅(qū)動壓在進行第一次蝕刻后會增加，而且在進行第二次蝕刻后維持穩(wěn)定，這可能表示，衰減現(xiàn)象會發(fā)生，是因為有機半導體組件上方的光阻劑在蝕刻過程中直接曝光。這個可能也提供了研究人員一些有用的研發(fā)見解，并為進一步優(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O(shè)LED堆棧的高分辨率孔洞數(shù)組（hole array），能夠用來實現(xiàn)屏幕內(nèi)嵌感測（in-display sensing）技術(shù)。在第一階段，愛美科制出具備完整孔洞數(shù)組的測試結(jié)構(gòu)，而研究結(jié)果顯示，組件表面的開口率高達81%，而透明度則依照制程選用的材料不同，可以增加20%~70%。
進入第二階段時，這些孔洞可以在OLED功能組件內(nèi)部成形。組件特性在孔洞生成的前后并沒有顯著的衰減現(xiàn)象，除了先前所說的驅(qū)動電壓會微幅增加，不過也僅高出了0.6V，這個程度對OLED像素制程來說其實相當?shù)汀?br/>就產(chǎn)業(yè)相關(guān)性而言，這些研究成果不容小覷。有些輕松點的應(yīng)用場景僅需使用單色顯示，而且驅(qū)動電壓不成問題，這套方案就能考慮納入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。同理可推至其他只需進行單次孔洞數(shù)組圖形化步驟的應(yīng)用。
針對要求低驅(qū)動電壓的全彩行動顯示應(yīng)用，或是需要更復(fù)雜孔洞結(jié)構(gòu)的顯示器制造場景，目前還需要深入研發(fā)。不過，現(xiàn)在的這些成果是相對少數(shù)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(xù)發(fā)展可以加速進行。產(chǎn)業(yè)價值鏈中的材料、設(shè)備、制程和組件廠商，都將對這項技術(shù)邁向成熟的商業(yè)應(yīng)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)花了半個世紀達成。偕同研究伙伴，愛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現(xiàn)。在OLED顯示領(lǐng)域進一步展開光刻技術(shù)的合作開發(fā)，可望能讓這個目標更趨近于現(xiàn)實。
（本文作者Tung-Huei Ke為愛美科研發(fā)主任；編譯／吳雅婷）