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液态半导体材料与工艺正在打开产业化和加速创新的大门

发布时间:2020-06-30 19:55:03 阅读: 来源:顶管厂家

随着材料技术和加工工艺的成熟,采用涂布(coating)工艺和半导体油墨或浆料,在玻璃等各种基板上制作高精度的薄膜晶体管(TFT)已经进入产业化初期。该技术将比传统半导体工艺的溅射或者扩散方法更方便和更容易地制作晶体管,将因不需要复杂的真空设备和准备时间而大幅度减少资本支出和提升生产效率。同时还因为可以采用更多样化的材料配方和器件结构,以及可通往可印刷半导体技术,故具有广阔的前景。

本文引用地址:在业内研究机构和企业的推动下,这种液态电子技术目前已经进入早期商用,被用于制作平板显示器件背板上的TFT晶体管阵列、新型触控器件、传感器和柔性电子技术等等应用。为此,北京华兴万邦首席分析师Sunray Liu走访了全球液态电子材料和工艺领先供应商Evonik Industries AG,并深入其实验室和工厂了解和学习了采用液态技术来制作薄膜晶体管的过程和应用。

特有的创新机制推动液态电子技术的产业化

Evonik Industries AG在国内也被称为赢创工业股份有限公司,它是德国第三大化工公司,专注于研究生产各种特色化工产品。该公司研发中心位于德国马尔(Marl)市,2013年营业收入为127亿欧元。该公司拥有独特的创新之道,一是对公司认定的未来科技可以进行长期大规模投入;二是通过不断的兼并收购,整合各种新技术资源;第三该公司有一套独特的孵化机制,为内部技术创新组织设立了从内部“孵化中心”到“应用中心”再到业务单元的全方位创新支持系统。

而这种可大规模产业化制作薄膜晶体管的电子油墨和相关工艺就是Evonik持续投资10年研发出来的成果。2004年,Ralf Anselmann博士离开Merck公司加入了Evonik,带领团队在Evonik内部建立了“纳米电子——科学到业务孵化中心(Science-to-Business Center Nanotronics)”,该中心专注于研发可印刷电子技术、低成本柔性太阳能电池、透明导电薄膜以及智能涂布技术等项目。

图一:Evonik涂布与添加剂事业部电子解决方案副总裁Ralf Anselmann博士

相关研发工作进展顺利,于是在2012年上半年,Anselmann博士又带着其20多人的团队从科学到业务孵化中心“毕业”,进入Evonik的涂布与添加剂事业部,成为了公司业务单元的一个部分而开始产品化和市场化的工作。团队的研发工作重点也加上了各种应用工艺和材料的研发,Anselmann博士的身份也从科学家转为涂布与添加剂事业部负责电子解决方案的副总裁,开始了全球首批液态电子材料与工艺的产业化进程。

2013年,Evonik在当年的国际显示器大会(IDW 13)上发布了一整套品牌名为iXsenic的全新金属氧化物半导体油墨、以及相关的液态电子加工工艺,并展示了全球第一款背板驱动电路采用半导体油墨制造的4吋QVGA主动式有机发光二极管(AMOLED)显示屏,同时也有台湾平板显示厂商展示了基于该技术的先期产品,这代表了iXsenic的液态半导体技术开始进入商用期。

iXsenic系列材料和工艺可以帮助电子器件制造商开发各种薄膜晶体管(TFT),可用于液晶显示(LCD)、有机发光二极管(OLED)、柔性显示器、触控面板和其他印刷电子产品。现在iXsenic系列材料已可实现薄膜晶体管和其他薄膜器件的半导体层(iXsenic S)、钝化层(iXsenic PV)、介电层(iXsenic D)和刻蚀阻挡层(iXsenic ES),以及黑色矩阵油墨(iXsenic BM)。由这些材料制作成的TFT拥有优异的性能,如Evonik已经可量产的iXsenic S的电荷载流子迁移率在通常情况下可达到15cm ^2 /Vs,在理想的条件下可到达60cm ^2 /Vs。

图二:采用Evonik的iXsenic系列材料制作的薄膜晶体管分层结构

液态半导体材料和工艺的优势与应用

在Evonik位于德国马尔市的实验室和小型工厂内,我们看到了整个纳米级薄膜晶体管的“印制”过程。实验人员在玻璃基板上点上半导体油墨并用离心方法实现均匀涂层,然后在一定的高温环境中实现材料固化和性质变化,再借助类似于半导体光刻的技术刻蚀出相应的图形,反复使用不同的油墨和类似的工艺方法,就可以批量生产出包括核心的半导体层和相应的钝化层、介电层和刻蚀阻挡层的各种薄膜晶体管。

“液态半导体材料和工艺代表了可印刷电子的下一个发展机遇,我们创新的iXsenic系列材料和工艺带来了巨大的成本降低和灵活性。” Evonik涂布与添加剂事业部电子解决方案副总裁Ralf Anselmann博士表示:“值得注意的是,整个生产过程不需要传统半导体制造中化学气相沉积(CVD)和溅射(Sputter)工艺所需的真空设备和真空准备时间,从而节省了资本支出并提高了效率;同时,Evonik还可以通过为客户定制相应的材料成分和工艺,为客户的薄膜晶体管产品提供差异化的性能和巨大的灵活性。”

图三:在Evonik工厂里开发的第二代平板显示背板TFT阵列

为了推动iXsenic系列液态电子材料和油墨的应用,Evonik首先瞄准了包括TFT液晶和OLED在内的各种平板显示器件和触摸屏,并与业内各大厂商及科研机构展开了广泛的合作。亚洲是该公司产业化的重点,继在上海开设了可针对iXsenic提供相应支持的办公室后,Evonik于2014年6月在台湾开设了应用技术中心(ATC),该中心的目标对象是亚洲的平板显示行业,不仅设有洁净室等设施,而且还与台湾工研院合作,使用后者的一条2代平板显示器件生产线为客户进行测试和试产。

未来更多的创新与应用

Anselmann博士认为液态电子材料与工艺的产业化应用才刚刚开始,未来存在着巨大的发展空间。首先液态电子材料的种类、性能和应用方向还有巨大的开发空间,未来的一些新材料将带来全新的技术与应用,如在透明玻璃基板上的显示器件或者传感器、可与硅器件性能相当的薄膜器件和高性能柔性电子产品等等。

其次,从液态电子材料到薄膜晶体管,更多全新的加工工艺将会在不远的将来出现,目前的加工方式都基于效率已经大大提升的涂布工艺,但是未来有望发展到真正的印刷工艺,届时不仅可以生产更加精密的薄膜晶体管,而且还将带来更高的生产效率和材料利用率,并大幅度降低生产成本。

在交流结束之际,Anselmann博士与华兴万邦分析师Sunray Liu谈及了液态电子材料和可印刷半导体技术的未来机遇,大家都认为微机电系统(MEMS)近年来取得的巨大成功,为采用更新材料与液态工艺的半导体技术揭示了一条光明的发展之道。它们不仅可以与现有的半导体和电子技术有更多的互补与融合,而且还是一种可以构建更多全新器件结构和功能的基础材料与技术。

Anselmann博士表示:近年来快速发展的中国电子产业的创新能力得到了不断提升,Evonik希望与领先的中国厂商合作开发更多的创新器件及应用,中国厂商强大的应用创新能力,加上Evonik在成熟的材料与工艺组合上的定制与创新,将为合作双方带来巨大的发展空间。

(作者:北京华兴万邦管理咨询有限公司首席分析师 Sunray Liu)

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