低溫多晶矽TFT-LCD專利技術與技術創新之研究

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

低溫多晶矽 TFT-LCD 專利技術與技術創新之研究

計畫類別：個別型計畫計畫編號： NSC93-2212-E-151-011- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日執行單位：國立高雄應用科技大學機械工程系計畫主持人：賴榮哲報告類型：精簡報告處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 94 年 10 月 21 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

低溫多晶矽 TFT-LCD 專利技術與技術創新之研究

計畫編號：NSC 93-2122-E-151-011

執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日

主持人：賴榮哲國立高雄應用科技大學

計畫參與人員：朱世全國立高雄應用科技大學

一、中文摘要本計畫針對低溫多晶矽TFT-LCD進行相關專利內容之檢索、分析與研判，此外，運用叢集分析方法與創意性解決問題理論（ Teorija Reshenija Isobretatelskich Zadatsch, TRIZ）整理出近年來各國的相關技術，並製作專利地圖，提出可能之技術創新途徑，以提供國內發展低溫多晶矽 TFT-LCD之技術資訊。關鍵詞：低溫多晶矽、液晶顯示器、專利分析、專利地圖、TRIZ、技術創新 Abstract

This project aims at the study of technological innovation of LTPS TFT-LCD with the use of patent analysis. Besides, the methods of cluster analysis and inventive problem solving theory（TRIZ）are applied. The patent maps and the ways for technological innovation are put forward to foster the domestic technology development. Keywords: LTPS、LCD、Patent Analysis、 Patent Map、TRIZ、Technological Innovation 二、緣由與目的根據2002年2月經濟部工業局所擬定之「兩兆雙星發展策略」，影像顯示產業之第一階段以平面顯示器為發展重點，設定目標為在2006年時，平面顯示器及液晶顯示器產值達新台幣1兆3700 億元，亦即平面顯示器面板7300 億元，液晶顯示器6400 億元[1]。平面顯示器之分類如圖1所示。其中，薄膜電晶體液晶顯示器（TFT-LCD）之結構是在兩片玻璃基板中間夾一層液晶（LC），上層的玻璃基板（Glass substrate）鑲嵌彩色濾光片 (Color Filter)、而下層玻璃則有電晶體(TFT)，如圖2所示[2]。電流通過電晶體產生電場變化，造成液晶分子偏轉，改變光線的偏極性，再利用偏光片（Polarzier）決定畫素(Pixel)的明暗狀態。 2003 年彩色手機帶動新一波換機需求，在歐洲、大陸及亞洲地區之普及率提高。雖然目前彩色手機的螢幕採用TFT-LCD 及超扭轉向列液晶顯示器（ Super Twisted Nematic-LCD, STN-LCD）的比例約各一半，但TFT-LCD 的影像效果遠高於STN，預期未來具備重量輕、厚度薄及高解析度特性之中小尺寸TFT-LCD 面板將有高度需求[3]。為滿足前項需求，在TFT-LCD 之技術創新中，以低溫多晶矽（ Low Temperature Poly Silicon, LTPS ）的 TFT-LCD，最具潛力 [4]。低溫多晶矽的TFT-LCD 技術有別於一般傳統的非晶矽技術，其薄膜電晶體之電子遷移率更快（可以達到200cm2 /V-sec以上），可直接在玻璃基板上製作驅動電路，以降低成本。同時因為高電子遷移率，可縮小TFT 元件尺寸，增加開口率(aperture ratio)，提昇顯示器亮度，減少功率消耗。此外，低溫多晶系電晶體亦可以提供有機發光二極體顯示面板 (Organic Light-Emitting Diode, OLED)較大之驅動電流，適合主動型OLED 顯示器。由於部份驅動電路可製作於玻璃基板上，因此印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）上的電路相對簡單,可節省PCB之面積，未來將逐漸取代現有非晶矽技術而成為顯示器技術主流。因此，國內廠商如友達、統寶等

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相繼投入LTPS TFT-LCD的研發生產行列。本計畫針對低溫多晶矽TFT-LCD，進行相關專利內容之檢索、分析與研判。藉由專利分析，整理近年來有關低溫多晶矽 TFT-LCD 的相關技術，並製作專利地圖，提出技術創新途徑，以提供國內發展低溫多晶矽TFT-LCD 之技術資訊。三、結果與討論本研究分為三部分：專利資料檢索、專利統計分析與技術創新分析。本研究以美國專利商標局（United States Patent and Trademark Office, USPTO）專利資料庫為檢索對象。透過USPTO所提供之專利進階檢索功能，針對出現在專利摘要（abstract）部分之關鍵字，以布林運算方式（AND/OR）獲得相關專利。所用之檢索式為：( ABST/polysilicon OR ABST/p-Si OR ABST/poly-silicon OR ABST/poly-si OR ABST/"low temperature poly silicon" OR ABST/LTPS ) AND ( ABST/"liquid crystal display" OR ABST/"thin film transistor" )。檢索期間涵蓋1978年1月1日至2004年11月9日，共獲得192件與檢索式相符之專利。將其整理如表1所示。資料顯示：與 LTPS 相關之專利最早由 MOTOROLA公司所取得，出現在1985年，專利內容為利用低壓化學氣相沉積（low pressure chemical vapor deposition, LPCVD）製作高電壓TFT於電鐵陶瓷（Lead Lanthanum Zirconium Titanate）基版上。

完成專利資料的檢索與初步整理後，進入統計分析階段。首先針對歷年取得專利件數分析，如圖 3 所示，以 1997 年為分界點，1988-1996 共 40 件約佔總件數 20％；1997-2004 共 152 件約佔總件數 80％。由此可知，LTPS 技術在 1997 後日益受到重視，亦突顯相關廠商提升非晶系 TFT-LCD 效能的投入。從圖 4 之競爭國家分析得知，我國所獲得專利件數佔總件數的 21％與美國的 29 ％、日本 24％、韓國 24％相去不遠；另透過表 2 可知台灣與美、日、韓各國投入 LTPS 相關研究之時間點幾乎同時，在 1991 年開始產出相關專利，1997 年起有明顯增加趨勢。表 3 所示為前十家主要競爭公司，其中 Micron Technology 與 International Business Machines 兩家是美國公司， Hitachi. 、 Mitsubishi Denki、Sony、Sanyo Electric 與 Sharp 五家是日本公司，而 Hyundai Electronics Industries 與 Samsung Electronics 兩家是韓國公司。日本單一公司表現雖非領先，但總和表現最為突出；美國美光（Micron）公司擁有 17 件專利為最多；我國工研院以 15 件專利緊跟在後，可見工研院在 LTPS 技術方面亦已相當投入。表 4 為擁有五件專利以上之發明人，其中 Monte Manning 為美光公司最重要研發人才，美光公司 17 件專利都參與其中。在引證統計方面，表 5 左邊表該件專利被引證之總次數；表五右邊為該專利被本研究檢索所得專利所引證之次數，透過兩表格間交叉比對得知， 5112764 號與 5286663 號皆多次為其他專利引證，顯示兩專利之重要性，其中 5112764 號為 North American Philips Corporation 所取得，主要目的乃透過化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)方式於半導體或玻璃基材上製作多晶矽電晶體以降低洩漏電流； 5286663 號為 Micron Technology 之專利，提出以寄生二極體(parasitic diode)連接主動區域與半導體區域以降低洩漏電流。此外，透過圖 5 專利交互引證分析可知， 4880753 號專利不但被相關專利引證次數最多，更為另三件專利 5534445 號、5600153 號與 5658807 號所引證，而該三件專利被本研究檢索所得專利引證兩次以上，充分顯示其在 LTPS TFT-LCD 領域影響範圍之廣泛。4880753 號專利為 General Electric 於 1989 年所取得，不使用離子植入(ion implantation)法而改用沉積多晶矽方式製作 TFT，其主要目的為避免產生寄生電容 (parasitic capacitance)。進一步分析專利分佈之技術領域與趨勢。由圖 6、圖 7 與圖 8 可知 LTPS 專利之技術領域大多分佈於 H01L、G02F 與 G09G 中，且 H01L 所佔之比例遠大於另外兩領域。H01L 21/00 於 1994 年開始受到重視，而 H01L 29/00 自 1997 年後專利件數成長緩慢；G09G 中以 G09G 3/36 取得之件數最多而 G02F 分佈較為平均，無特別突出之技

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術類別。如表 6 所示，現今 LTPS 之研發方向集中於製造與處理半導體或固體之方法或設備（H01L 21/00）及使用靜態方法顯示可變資訊之主動矩陣型顯示裝置（G09G 3/36）兩大方向。透過閱讀專利說明書，針對專利功效分析，如圖 9 所示，以減少洩漏電流與簡化製程為主；探究原因在於多晶系之漏電流遠大於非晶系，製程亦較為繁瑣，故減少洩漏電流與簡化製程為 LTPS 最需克服之難題，也是各公司積極投入相關研究之領域。進一步探究為減少洩漏電流與簡化製程所應用之技術發現，透過改變電晶體製程與電晶體結構以減少洩漏電流之技術在 1995 年後大量產出，如表 7 所示，2000 年後其相關技術主要為美國專利分類碼（United State Patent Classification, UPC） 438/149 類，於絕緣基材或絕緣層上製作場效電晶體；另一方面，透過改變電晶體製程來減少洩漏電流者，未見明顯之趨勢變化，如表 8 所示。表 9 為藉由改變電晶體結構來簡化製程者。1996 年起由 UPC257 類（輕摻雜源極結構）漸漸轉為 UPC438 類（於絕緣基材或絕緣層上製作絕緣閘極）。表 10 為利用電晶體製程技術簡化製程者，並無明顯之發展趨勢，各家公司以開發自有生產技術為主。由上述可知，目前 LTPS 之電晶體結構以 UPC438 類為主， LTPS 之結構已日趨固定；然其電晶體製程技術各有不同。在技術創新方面，本研究藉由 TRIZ 理論找出可能之創新途徑。TRIZ 理論將問題區分為物理矛盾與技術矛盾。在物理矛盾方面，透過『時間』、『空間』、『物質的物理狀態』三方面之分離，以解決問題。當問題無法使用物理矛盾方式解決時，則藉由矛盾表所列之 39 個參數及 40 項原則，來解決技術矛盾層面之問題[5]。實際應用情形，乃透過閱讀專利說明書找出相對應之參數，再於矛盾表中找出可能之解決原則。以 4880753 號專利為例，如圖 10 所示，先前技術之問題在於離子佈植製程容易產生寄生電容而降低元件動作速度，此外，離子佈植為主要之製造成本所在且不適合製造大面積的 TFT。換言之，其改善參數為「作用於物體之有害因素」（參數 30）亦即寄生電容、惡化參數為「容易製造」（參數 32）與「生產性」（參數 39）對應於製造成本及面積限制，依據 TRIZ 可以應用之改善原則有「移除」（原則 2）、「反向」(原則 13)、「害處轉為好處」(原則 22)、「媒介」(原則 24)、「改變物質特性」(原則 35)，如表 11 所示。該專利採用六氟化鎢化學氣相沉積製作具傳導性之閘極、源極與汲極以減少寄生電容的產生，相當於「媒介」原則之應用。其餘原則是否可行，適足以為技術創新提供參考方向。最後，依照上述方式，針對具有前後引證關係之專利族群逐一加以分析，並歸納出創新技術原則。 四、參考文獻 [1] 經濟部產業資訊服務網, http://www.itis.org.tw/forum/content3/01if06 c.htm [2] TFT-LCD簡介, 友達光電, 2005/10/12. http://www.auo.com/auoDEV/technology.ph p?sec=tftIntro [3] 2004 年台灣液晶面板產業展望,台壽投信, 2005/10/12 http://www.twfund.com.tw/news/news03103 0.htm [4] 4-10 吋間的LTPS-TFT LCD 應用市場分布趨勢,工研院IEK 中心,2000.9

[5] Altshuller, Genrich, “And Suddenly the Inventor Appeared”, 2nd ed. 1996

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圖 2: TFT-LCD 構造圖 3: 歷年專利活動統計競爭國家分析 28% 24% 24% 21% 1% 1% 1% USA JP KR TW NL DE GB2 圖 4：競爭國家專利比例 4880753 5037766 5112764 5286663 5395804 5534445 5600153 5658807 5827760 5858820 5913113 6083779 6207481 6251715 6614054 6482685 5804472 5985702 6200835 5804838 6204521 6057182 6750086 5733793 6482682 5548132 5904513 5936262 6017782 6214652 6420219 6753576 5658808 5915173 5670794 圖 5：專利交互引證圖 6：IPC 三碼所佔比例圖 7：IPC 五碼歷年件數圖 8：IPC 歷年件數圖 9：LTPS 相關功效件數先前技術創新技術特徵圖 10：4880753 號專利表 1：專利摘要：寄生電容產生處

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表 2：競爭國家歷年專利產出表 3：主要競爭公司（前十名）表 4：發明人統計（擁有專利數 5 件以上）表 5：引證統計表 6：IPC 分類表 7：歷年以電晶體結構減少洩漏電流專利件數表 8：歷年以電晶體製程減少洩漏電流專利件數表 9：歷年以電晶體結構簡化製程專利件數表 10：歷年以電晶體製程簡化製程專利件數表 11：TRIZ 創新原則

低溫多晶矽TFT-LCD專利技術與技術創新之研究

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