第一章 序論
1-1 研究背景
在 FPD(Flat Panel Display)顯示元件中，薄膜電晶體(Thin Film Transistor，TFT) 的研究發展是相當重要的一環，以矽半導體薄膜材料為基礎製作的 TFT 技術已相當成熟，
具備高度均勻性的非晶結構(amorphous)，在沉積上提供穩定的特性表現，使得在面板 尺寸的技術上可以不斷突破。然而其載子遷移率低(0.1~1 cm2V-1s-1)，且材料的不透光性 限制了未來的發展。
在顯示器發展方向上，材料具備穩定非晶特性°C，可在一般室溫下沉積高載子遷移 率 的 薄 膜 材 料 ， 是 發 展 軟 性 透 光 薄 膜 電 晶 體 (flexible transparent Thin Film Transistor，ft-TFT)元件的主要關鍵。以元件表現來說，標準的 OLED 畫素至少需要 4 cm2V-1s-1 的載子傳輸率，以及大尺寸超過 90 吋的面板，在 120 Hz 的頻率操作下至少需 要 2 cm2V-1s-1 的載子傳輸率，都是舊有非晶矽無法達成的要求。而軟性元件一般製作於 塑膠基板(PET)及不銹鋼基板(Stainless steel substrate)等，基板可耐的溫度一般不 超過 300°C1，在製程流程上受到一定的限制，且必須考慮在彎曲的環境下元件是否穩定 操作，都是未來顯示器所必須探討的議題。
圖 1-1-1 SID 2010 會場所展示透明顯示面板
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1-2 軟性顯示器發展
薄膜電晶體在軟性基板(flexible substrates)的研究上可追朔到 1995 年，首次使 用軟性的玻璃基板製作非晶矽為主的薄膜電晶體，接著在 1996 年，以不銹鋼或是高分 子材料的塑膠基板相繼被提出，而現今在實驗數據以及理論上有了一部分的基礎，從這 一部份來探討研究的方向。
1-2-1 軟性薄膜電晶體發展現況
軟性顯示器具備輕薄可攜帶式的特性，挾著這些優勢能為替代現有產品的有利條件，
其中主動型(active matrix)可撓式顯示器的薄膜電晶體目前處於研發階段，受限在於 元件技術製程溫度以及軟性基板的開發，目前有非晶矽薄膜電晶體、低溫多晶矽薄膜電 晶體、有機薄膜電晶體(OTFT)以及金屬氧化物電晶體(Oxide TFT)，須在克服製程溫度 降低以及薄膜品質與可靠度方面探討，下表 1-1 列出薄膜電晶體技術特性與發展。
表 1-1: 薄膜電晶體技術特性與發展
驅動元件 a-Si TFT LTPS TFT OTFT a-IGZO TFT 載子傳輸率(cm2V-1s-1) 0.5~1 50~450 0.1~1.5 10~50
均勻性 Good Issue Issue Good
製程溫度(°C) 100~200 100~250 80~120 50 製程難易度 Good Difficult N/A Good 塑膠基板相容性 Good Difficult Excellent Good
1-2-2 關鍵技術之軟性製程
軟性製程中可區分為兩種技術，薄化技術(Thinning Technology)以及直接製程技 術(Direct Process Technology)，以下分別詳細介紹其細節。
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薄化技術主要是由面板廠商所主導，在舊有的帄面顯示器市場中，所使用的基板以 玻璃為主，為了使面板達到可攜式輕薄的要求，使用蝕刻或是研磨製程直接將玻璃的厚 度從 1.4 mm 減少到 0.8 mm 以下，當面板的厚度可降至 0.3 mm 以下時，可實現彎曲面 板(Curvature Display)的可能，圖 1-2-1 為 Toshiba 所發表的可彎曲面板技術。
圖 1-2-1 Toshiba 面板薄化技術
直接製程技術是直接在軟性基板進行元件製程，在此技術下可利用軟性基板捲狀特 性，發展出連續的生產方式(roll to roll process)，但由於軟性基板特性不同於目前 玻璃基板，需要新的元件製造技術與設備來完成。故目前研發多半是將軟性基板黏貼在 玻璃基板或矽基板上，以現有的薄膜電晶體或半導體製造設備進行研發，本實驗的製程 方是以直接製程技術為主。圖 1-2-2(a)為 lexICs 所開發出 100 °C 超低溫多晶矽薄膜 電晶體，直接在塑膠基板進行元件製程；圖 1-2-2(b)為 Lehigh University 高溫多晶矽 薄膜元件製程開發，直接在 0.1mm 厚度的薄金屬基板進行，充分展現金屬基板可高溫 製程的優勢，相較其他軟性基板，有更大製程容忍度
圖 1-2-2 (a)FlexIcs 的塑膠軟板技術 (b)Lehigh University 的金屬薄膜技術
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1-2-3 關鍵技術之軟板材料
在軟板材料的選擇上，可分為最常見的為塑膠和超薄玻璃，塑膠基板具有輕薄、耐 衝擊、低成本的優勢；而超薄玻璃的使用主要是站在技術成熟度的角度來考量，在玻璃 基板上製作的元件已有完整的製程經驗及設備搭配，然而在實際應用和製造成本的考量，
塑膠基板和玻璃基板仍有許多的問題無法滿足我們在製造上及使用上的需要，這邊先說 明塑膠基板和超薄玻璃面臨到的問題，以及介紹本實驗室所使用的金屬薄膜(metal foil) 材料上的優勢。
目前所使用的塑膠材料以 PET 及 PES 為主，耐熱溫度約至 250 °C，使得在電晶體 的製程要求上以低溫進行，以免造成基板的破壞及變形，如此需要全新的製程技術及設 備來搭配，例如低溫多晶矽技術（LTPS）等，才能在塑膠基板上實現主動式高性能的顯 示器，同時也產生較高的成本投入。在另一方面，塑膠基板的阻水氧的能力不足 2，發 展到目前最熱門的 OLED 顯示技術，將嚴重影響 OLED 的發光效能和使用壽命，一般要求 基板阻水氣能力需達 10-6 g/m2.day ，阻氧氣能力需達 10-3 cc/m2.day ，因此需於塑膠 基板上額外覆一層保護層，增加製程上的複雜性。
圖 1-2-3 OTFT 製作於(a)PET (b)PES 塑膠基板情形
玻璃基板發展出的耐溫技術約至 500~600 °C，對於已成熟的面板技術而言並不是問 題。而應用可撓式顯示器最大的因難在於玻璃基板如何的薄化，薄化的玻璃基板才具有 可撓性，但只是將玻璃基板薄化，尚不能實現耐衝擊的可撓曲顯示器。
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接下來介紹金屬薄膜的優勢，金屬薄膜材料的耐溫遠高於塑膠以及玻璃，約為 1000
°C 以上，一般半導體製程皆低於這個溫度，沒有耐熱上的問題；且在阻擋水氧能力的問 題上，不像塑膠材料容易讓水氣和氧氣穿透，故十分適合作為 OLED 的基板材料。以本 研究使用的金屬薄膜不銹鋼材料來說，在材料成本方面遠比特殊耐溫玻璃來的低，且製 程上耐酸鹼以及安定性也優越許多，材料取得也較為容易。而在未來量產的連續生產方 式(Roll to Roll)的運用上，金屬薄膜在運送上不會產生靜電效應，遠比塑膠和玻璃材 料更為恰當，下表 1-2 比較基板材質的特性。
表 1-2:金屬薄膜、塑膠、玻璃的比較
1-2-4 製程元件的探討
接下來要從物理和機械的角度來探討製作在軟性基板上的元件，考慮彎曲產生的機 械應力(mechanical stresses)3-4，薄膜承受的應力大小可表示為
Y (1.1) 其中 Y 表示為楊氏係數(Young`s modulus)，單位為 GPa，ε表示薄膜受到外力大小，
是個無單位的常數，一般以百分比表示。就楊氏係數定義來說，表示在彈性限度內，每 單位面積受到相同應力時產生的對應形變，表 3 為常見材料楊氏係數表，一般有機材料 或有機半導體材料約小於 5 GPa，玻璃約為 50-90 GPa 間。
σ應力(stress)來源可分外力所造成的應力σext、製程中所造成的應力σf和因熱膨 造係數不同所造成的熱應力σth，其中製程中所造成的應力σf來自於基板形狀、基板溫
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度和製程中額外的擾動都有可能產生影響，為了減少此應力，在不銹鋼基板的製作上，
先行黏貼在玻璃背板上，減少元件震動或形變的發生。此外不銹鋼基板上旋塗光阻 EOC103B 材料，除了做為帄坦化基板，也可以減少元件在彎曲時所承受到的應力。
表 3 楊氏係數表
Material Young`s modulus (GPa)
PVA5 0.001 化彎曲造成的應力大小，可引入 Stoney formula，式(1.3)，其中κ表示為基板的為曲 率，由 Stoney formula 可得到在固定曲率下量測元件，薄膜的楊氏係數和厚度都不會 改變，元件受到的張力εf隨著跟著曲率的增加上升。而在元件架構上，IGZO 薄膜位於
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介電層之上，介電層的楊氏係數將決定 IGZO 在彎曲時受到的應力大小，在舊有的製程 中採用二氧化矽，二氧化矽除了要透過 PECVD 來完成的外，二氧化矽相對於有機材料具 有較大的 Young`s modulus(50~200 Gpa)，所以在彎曲時所受張力大小會比其他接觸 EOC130B(Young`s modulus~5 Gpa)的介面大，強大的張力會使得介面間產生錯位或形變，
使得二氧化矽和 a-IGZO 薄膜之間的阻抗改變，使得閘極電流在元件經過特定曲率彎曲
從微觀的角度探討，在 TFT 結構中的各個介面，可使用 Stoney formula(1.3)來改 善應力大小，為了減少彎曲造成的應力使用 PVA 或 PVP 等具有較低楊氏係數的有機材料 取代二氧化矽，計畫將朝減少彎曲應力的方向繼續研究以達到彎曲時亦能與帄坦狀態具 有相同的電性和彎曲後元件能保持原始狀態。
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1-3 氧化薄膜電晶體的發展
第一個氧化薄膜電晶體(Oxide TFT)元件是在 1996 年被發展出來，使用的金屬氧化 物為 SnO2:Sb，並以鐵電晶體6。而後這方面的研究不斷展開，在 2003 年使用單晶狀的
非晶狀金屬氧化物(Amorphous oxide semiconductor，AOS)被視為取代非晶矽的材 料，具有以下特性上優點: organics)，主要是由於 AOS 材料本身很穩定，相較於非晶矽在絕緣層接面上的缺陷 較少的緣故。
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例改變，即可控制成膜品質。而目前 AOS 材料的製程發展上，已被證實可使用 DC 濺 鍍系統來製作，對於未來上市量產化，可提供均勻且大面積的沉積。
1-3-1 IGZO 氧化薄膜電晶體
2004 年 IGZO 首次被發表於 Nature 期刊9，由 ZnO 的基礎上發展而來，額外添加的 GaO 及 InO 以增加材料的穩定性，材料本身具有透明且耐彎曲的特性，由下圖 1-3-1 光 譜圖可判斷，在可見光波長 400~700 nm 間的光為幾乎完全穿透的狀態，表示使用 IGZO 材料將可製作出全透明的顯示器電路。
圖 1-3-1 IGZO 薄膜在玻璃基板的光譜圖，在可見光區域幾乎是完全穿透的狀態。
在沉積薄膜製程上，IGZO 可使用在室溫的環境下沉積非晶狀的薄膜，和舊有的非晶 矽特性不同，IGZO 選取的三種金屬 In、Ga、Zn 都具有較大的球型 s 軌域，元素的主量 子數(principal quantum number)至少大於 4，使得 IGZO 材料具有和一般半導體認同的 傳輸特性有所不同，以下圖 1-3-2 比較同屬非晶結構的矽和 IGZO 的差異。非晶矽和矽 間為 sp3 軌域鍵結，連結矽和矽間的載子移動為具方向性的 p 軌域，在非晶無序的排列 下，載子傳輸路徑受到阻礙，影響到外加電場時飄移的移動距離，使得距離下次碰撞時
在沉積薄膜製程上，IGZO 可使用在室溫的環境下沉積非晶狀的薄膜，和舊有的非晶 矽特性不同，IGZO 選取的三種金屬 In、Ga、Zn 都具有較大的球型 s 軌域，元素的主量 子數(principal quantum number)至少大於 4，使得 IGZO 材料具有和一般半導體認同的 傳輸特性有所不同，以下圖 1-3-2 比較同屬非晶結構的矽和 IGZO 的差異。非晶矽和矽 間為 sp3 軌域鍵結，連結矽和矽間的載子移動為具方向性的 p 軌域，在非晶無序的排列 下，載子傳輸路徑受到阻礙，影響到外加電場時飄移的移動距離，使得距離下次碰撞時