液態(tài)半導體材料與工藝正在打開產(chǎn)業(yè)化和加速創(chuàng)新的大門

　　隨著材料技術(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)進入產(chǎn)業(yè)化初期。該技術(shù)將比傳統(tǒng)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(shè)備和準備時間而大幅度減少資本支出和提升生產(chǎn)效率。同時還因為可以采用更多樣化的材料配方和器件結(jié)構(gòu)，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(nèi)研究機構(gòu)和企業(yè)的推動下，這種液態(tài)電子技術(shù)目前已經(jīng)進入早期商用，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，北京華興萬邦首席分析師Sunray Liu走訪了全球液態(tài)電子材料和工藝領(lǐng)先供應商Evonik Industries AG，并深入其實驗室和工廠了解和學習了采用液態(tài)技術(shù)來制作薄膜晶體管的過程和應用。

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

　　Evonik Industries AG在國內(nèi)也被稱為贏創(chuàng)工業(yè)股份有限公司，它是德國第三大化工公司，專注于研究生產(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科技可以進行長期大規(guī)模投入;二是通過不斷的兼并收購，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(nèi)部技術(shù)創(chuàng)新組織設(shè)立了從內(nèi)部“孵化中心”到“應用中心”再到業(yè)務單元的全方位創(chuàng)新支持系統(tǒng)。

　　而這種可大規(guī)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(xù)投資10年研發(fā)出來的成果。2004年，Ralf Anselmann博士離開Merck公司加入了Evonik，帶領(lǐng)團隊在Evonik內(nèi)部建立了“納米電子——科學到業(yè)務孵化中心(Science-to-Business Center Nanotronics)”，該中心專注于研發(fā)可印刷電子技術(shù)、低成本柔性太陽能電池、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)工作進展順利，于是在2012年上半年，Anselmann博士又帶著其20多人的團隊從科學到業(yè)務孵化中心“畢業(yè)”，進入Evonik的涂布與添加劑事業(yè)部，成為了公司業(yè)務單元的一個部分而開始產(chǎn)品化和市場化的工作。團隊的研發(fā)工作重點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家轉(zhuǎn)為涂布與添加劑事業(yè)部負責電子解決方案的副總裁，開始了全球首批液態(tài)電子材料與工藝的產(chǎn)業(yè)化進程。

　　2013年，Evonik在當年的國際顯示器大會(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(qū)動電路采用半導體油墨制造的4吋QVGA主動式有機發(fā)光二極管(AMOLED)顯示屏，同時也有臺灣平板顯示廠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)開始進入商用期。

　　iXsenic系列材料和工藝可以幫助電子器件制造商開發(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。現(xiàn)在iXsenic系列材料已可實現(xiàn)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(jié)構(gòu)

　　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驗室和小型工廠內(nèi)，我們看到了整個納米級薄膜晶體管的“印制”過程。實驗人員在玻璃基板上點上半導體油墨并用離心方法實現(xiàn)均勻涂層，然后在一定的高溫環(huán)境中實現(xiàn)材料固化和性質(zhì)變化，再借助類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發(fā)展機遇，我們創(chuàng)新的iXsenic系列材料和工藝帶來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，整個生產(chǎn)過程不需要傳統(tǒng)半導體制造中化學氣相沉積(CVD)和濺射(Sputter)工藝所需的真空設(shè)備和真空準備時間，從而節(jié)省了資本支出并提高了效率;同時，Evonik還可以通過為客戶定制相應的材料成分和工藝，為客戶的薄膜晶體管產(chǎn)品提供差異化的性能和巨大的靈活性。”

　　
圖三：在Evonik工廠里開發(fā)的第二代平板顯示背板TFT陣列

　　為了推動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(nèi)的各種平板顯示器件和觸摸屏，并與業(yè)內(nèi)各大廠商及科研機構(gòu)展開了廣泛的合作。亞洲是該公司產(chǎn)業(yè)化的重點，繼在上海開設(shè)了可針對iXsenic提供相應支持的辦公室后，Evonik于2014年6月在臺灣開設(shè)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(shè)有潔凈室等設(shè)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)線為客戶進行測試和試產(chǎn)。

　　未來更多的創(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)化應用才剛剛開始，未來存在著巨大的發(fā)展空間。首先液態(tài)電子材料的種類、性能和應用方向還有巨大的開發(fā)空間，未來的一些新材料將帶來全新的技術(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?shù)谋∧て骷透咝阅苋嵝噪娮赢a(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在不遠的將來出現(xiàn)，目前的加工方式都基于效率已經(jīng)大大提升的涂布工藝，但是未來有望發(fā)展到真正的印刷工藝，屆時不僅可以生產(chǎn)更加精密的薄膜晶體管，而且還將帶來更高的生產(chǎn)效率和材料利用率，并大幅度降低生產(chǎn)成本。

　　在交流結(jié)束之際，Anselmann博士與華興萬邦分析師Sunray Liu談及了液態(tài)電子材料和可印刷半導體技術(shù)的未來機遇，大家都認為微機電系統(tǒng)(MEMS)近年來取得的巨大成功，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(xiàn)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(gòu)建更多全新器件結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)材料與技術(shù)。

　　Anselmann博士表示：近年來快速發(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)先的中國廠商合作開發(fā)更多的創(chuàng)新器件及應用，中國廠商強大的應用創(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，將為合作雙方帶來巨大的發(fā)展空間。

　　(作者：北京華興萬邦管理咨詢有限公司首席分析師 Sunray Liu)