由于液晶顯示器具有輕薄,耗電量低等優點,初期逐漸被消費者當成了計算機螢幕和可攜式產品顯示使用。之后,由于畫質的提高和彩色化的進展,在今天已被廣泛應用於筆記型電腦、桌上型電腦、手機等的顯示器,成為生活中不可欠缺的零組件。近幾年來,利用液晶面板做為作為輕薄型的平面電視普及之后,畫面也逐年持續的擴大。有一段時期,液晶電視的大型化曾經被認為是相當困難,但是經過克服相關的生產技術之后,現在已經可以生產到65寸的面板熒幕了。
對于LCD面板來說,玻璃基板是一個重要的零組件,提供精準維持液晶層厚度的功能,并且由於在玻璃基板的表面,必須提供安置液晶的驅動電路和透明電極由薄膜形成,因此生產過程中,對於玻璃基板的特性有著各式各樣規格和特性要求。
玻璃基板的氣泡控制越來越嚴苛
由于LCD面板已經開始被多方面的產品廣泛應用,整體產量也隨之增加,因此過去幾年來,玻璃基板的大型化更是出現持續增大的趨勢。玻璃基板的尺寸從1990年第1代的300×350mm左右開始,到目前已經開始量產第7代的1950×2200mm,玻璃基板的面積增加了40倍以上。而且,未來第八代2200×2400mm的生產線也即將要正式的量產。
因此隨著大型化的進展,為了期望維持LCD面板的良率,必須要大幅度提高玻璃的品質。例如,第1代的玻璃基板上,如果有一個氣泡的話,就算是不合格品。但是,到了第7代,同樣只要有一個氣泡,還是不能成為合格品。相較之下,從第1代到第7代,似乎沒有什么改變,因為一樣是一個氣泡就被判定為不合格品,但是從另一個角度來看,第7代的玻璃和第1代面積相比,基板的面積卻是第1代的40倍,也就是說,氣泡的數量或體積已經被控制在40分之1以內,超過的話就不能取得相同良率。目前日本電氣硝子已經成功產出了3050×2450mm第9世代生產線用的大型玻璃,這相當產在第1代4.5倍大小的玻璃基板上,只允許有1個100μm的氣泡。
Cell Gap開始出現愈來愈狹窄的趨勢
LCD電視和相同厚度的電漿電視相比,經常被評論家批評出有“視野角度狹窄”、“應答速度遲緩”等等的問題。為了達到寬廣視角目標,LCD面板業者便開發出例如IPS等等新式的液晶排列方式技術。另外,因為液晶電視特別要求具有高速動態影響顯示的效能,所以必須加快液晶的應答速度。就基礎架構上來看,LCD面板中,上玻璃基板和下玻璃基板之間的間隔被稱為Cell Gap,目前為了達到加快液晶的應答速度的目的,Cell Gap開始出現越來越狹窄的趨勢。
為了適應這種新技術的進展,LCD面板業者對于玻璃基板的平坦性、表面品質以及尺寸精密度的要求也不斷提高。目前面板為了實現廣視角目標,而采用了VA、IPS等等新一代的液晶驅動技術。這些廣視角技術與傳統的TN驅動技術相比,是為了防止面板顯示不均勻,而對元件間隙的平均性進行了更嚴格的要求。所以,對於玻璃基板的表面平坦度,在廣視角面板的生產要求也變得更加嚴謹。例如,IPS驅動技術中嚴格要求,所使用的玻璃基板要,要比TN所使用的玻璃高出數倍的表面平坦度。
LCD玻璃基板達到的高平坦性的關鍵點
一般情況下,LCD玻璃基板如果期望達到高度的平坦性,必須有幾個重要的關鍵點。包括,彎曲程度、起伏程度,與表面粗糙等等。
如果在玻璃基板內出現的1~2次大週期彎曲變形(warp)現象的話,這會產生在進行玻璃基板搬送時,會產生破損的情況,以及在進行成膜、蝕刻制程時會出現一些問題,此外還有在進行形成電路制程時,會出現曝光焦點的偏移等有影響。而起伏(waviness)部分的定義是,比warp的周期更短的凹凸現象(約8~20mm左右周期),雖然造成的影響不若彎曲變形那么嚴重,但是如果玻璃基板出現起伏(waviness)的話,會對Cell Gap造成程度不一的影響,而導致出現顯示不均勻的的現象。另外,玻璃基板表面如果出現表面粗糙(roughness)現象時,將會導致表面膜的斷線和點缺陷,其實應該說,表面粗糙的現象是比起伏(waviness)周期更短的凹凸,這對于製程生產中,往往會造成薄膜成形不順利,而增加成本或人力上的負擔。
所以整體來說對于玻璃基板,還是會有一定程度的要求,而目前就玻璃基板的生產技術上,已經可以達到相當性的水準,例如在起伏程度現象上,當然不可能量產出完全平坦無缺的玻璃基板,不過,就可接受的范圍內,目前的要求大約是0.02μm。對于玻璃基板條件的要求,除了上述幾個現象之外,玻璃業者還必須努力達到減少氣泡、異物等玻璃的缺陷等等諸多的問題。
康寧玻璃利用表面非接觸技術 達到玻璃基板最高表面品質
附著在玻璃基板表面的顆粒大小,以及密度是玻璃基板表面品質的代表性指標。為了降低TFT生產製程中的清洗負荷、提高良率,也必須儘量要求在玻璃基板的生產階段就將表面微粒清除掉。所以,在數年前對於TFT LCD業者來說,初期只要進行30μm左右的微粒管理就可以,但是隨著對於品質的高度要求增加,目前玻璃基板表面的顆粒已經嚴格到必須對1~3μm左右的微粒進行清除和管控,而微粒的密度也被要求到,每平方米只能有數百顆微粒。除了微粒之外,玻璃基板表面的刮痕管控也是相當重要的,例如,康寧玻璃就是採用表面非接觸成型、無研磨製程的聚變法,來達到玻璃基板表面品質最大能力的發揮。
日本電氣硝子采用溢流法維持玻璃平坦性
溢流法是目前量產玻璃基板的主流技術之一,這是將熔化后的玻璃,引流到形體槽,然后從兩側平均溢出液態玻璃,最后在模型中形成大尺寸的玻璃基板。而為了維持玻璃的平坦性,必須在更寬廣的范圍內,進行精確的控制溫度,這是因為如果在玻璃基板內產生溫度差,那么將會產生殘留應力,而造成為彎曲等玻璃變形的,或者在切割時讓玻璃出現變形,影響了玻璃基板的穩定性,并且還有可能因為殘留應力的結果,在制程中貼付偏光板之后,會產生光的相位差,造成LCD模組出現漏光的現象。并且應力作用會造成于玻璃表面的傷痕,也會讓基板產生破損的結果。
玻璃基板大型化后 精度要求更嚴格
隨著基板尺寸的大型化發展,玻璃表面相當容易出現裂痕,或者是附著異物等的風險也隨之增加,因此玻璃整體的檢測工作也相對的變得復雜起來,因此為了維持接近半導體制程表面的品質,玻璃業者必須進行清潔度更高的制造流程和生產環境。另外厚度在0.7以下的超薄玻璃基板的大型化,除了會出現因為自重而產生變形線上,也大大的增加制作過程中,因為熱效應破損的風險性。此外,TFT LCD玻璃基板和彩色濾光片貼合時,位置吻合精度也變得越來越嚴格了,因為接下來玻璃基板的尺寸動輒超過了2公尺,所以,需要不僅要達到液晶面板玻璃的貼合精度準確,在制程中的各項條件也需更嚴格的精度要求。
開發新一代搬運系統和相關運材
目前玻璃基板大型化還有一個叫困擾的基本問題,那就是如何將玻璃基板裝箱,并且進行無損和的搬運。目前標準玻璃基板的集裝箱尺寸大小為,寬度2300mm、高度2500mm、深度12m左右。到第8世代生產線所需要玻璃基板(2200~2400mm左右)為止,還是可以想辦法放上去,但是在面對以后第9世代制程以上所需的超大型玻璃基板,預估無法將如此大面積的玻璃基板,放到目前規格的集裝箱上,因此必須開發出新一代的搬運系統和相關運材。
大尺寸玻璃基板在進行搬運時,因為附加在玻璃表面上的物理力量也隨之變大,這會讓整塊的玻璃基板變得容易破損,所以,在面對第7世代以后所需的玻璃基板運送,傳統的包裝、和運送方式已經無法因應所需。所以玻璃基板的業者必須更改為過去包裝玻璃基板時所使用墊片材料,積極開發不會產生傷痕、裂痕、污損的緩沖材料,來達到當進行搬運時,高傳送效率、高空間使用效率,以及不易破損的高密度包裝技術和材料。
玻璃基板對于化學物質使用的法規限制
根據新的環境法規限制化學物質的范圍將會逐漸的擴大,例如歐盟中的RoSH的指令中,所限制使用的元素清單中,包括了砷、銻、汞等等的化學元素。所以,相對的玻璃基板業者也需要因應這些變化,開發在結構成分中不包含砷、銻、鋇等等的玻璃基板。例如,主動式驅動LCD所使用的玻璃基板,為了不損害在玻璃基板上非晶質、聚乙烯硅等薄膜半導體元件的特性,玻璃基板必須使用不含鹼金屬的 “無鹼玻璃”。而日本電氣硝子為了符合這樣的要求,利用提高玻璃熔化技術,降低玻璃中添加劑所含有的微量環境負荷材料。
此外,另一主要玻璃基板供應業者康寧,也開發了相關的應變技術,生產出對環境無污染的EAGLE XG玻璃基板,EAGLE XG的結構成分中除了符合法規的要求之外,還同時能達到業界客戶所要求的,低密度、重量輕、低熱膨脹系數的調特色。
透過技術革新 克服大型玻璃基板的問題
在最近的5年中,玻璃基板的尺寸每1~2年就會擴大一次。因此,玻璃基板的生產中,如果不減少相當于單位面積的缺陷數量,那么與基板面積的擴大成反比例的良率就會大幅度的降低。目前各大玻璃業者都正在努力透過玻璃的溶融、成型的過程中尋找最適合的生產技術,透過技術革新來實現高效率生產的目標。
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