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新世代彩色濾光片之發展趨勢 (半導體科技 NO.16, 2000/10)

"林松香,李榮哲 /工研院材料所 光阻材料計劃

目前台灣LCD平面顯示器產業正是開始蓬勃發展的階段,政府及民間都投入相當龐大的人力、物力與財力,從事相關產業的材料開發與生產,而相關的材料產業供應鏈也正在成型中。本文即針對新世代彩色濾光片之發展趨勢及相關重要材料作介紹,內容包括積層式彩色濾光片(Integrated Color Filter)、樹脂型黑色矩陣(Black Matrix)以及感光型間隙控制材料(Photo-Spacer),另外亦概略說明新世代彩色濾光片所使用之相關感光材料。工研院材料所在經過多年的LCD相關材料研究開發經驗下,目前亦積極進行新世代彩色濾光片用相關感光材料之研究開發。

平面顯示器將是下世代的主流,它會逐漸取代CRT顯示器之地位。國內對於LCD相關產業的投資已超過2000億台幣,相信在未來的幾年將可看到豐碩的成果。台灣廠商在TFT-LCD產業上的投資正積極進行,其上游產業的投資也高達數百億元。
從TFT-LCD面板成本結構分析(如圖一),可以大概推算出材料成本佔了約57%比例之高,而近來隨著TFT-LCD面板國際價格快速下滑,為提高台灣與日、韓TFT-LCD大廠的價格競爭力,國內TFT-LCD面板生產廠商對於原料成本的控管也就益形重要,因此也給了國內想要投入相關原物料生產領域的廠商極佳的機會。但由TFT-LCD面板結構剖面圖(圖二)來看,目前重要的關鍵零組件幾乎都被外商掌握,因此關鍵零組件的國產化也是降低製造成本的一大課題。
#F#圖一:TFT-LCD Panel成本結構分析
#f#圖二:LCD彩色濾光片之構造

彩色濾光片的原材料除了玻璃基板(Glass Substrate)所佔成本最高以外,彩色光阻(Color Resists)、黑色矩陣(Black Matrix)以及間隙控制材料(Spacer)都佔材料成本相當的比重,感光材料是液晶平面顯示器及攝像系統彩色化的必要材料。由於佔有成本高,佔彩色濾光板生產材料成本15%以上,因此是LCD產業系統中,不可或缺的自主材料。為了因應產業對關鍵材料的未來需求,材料所也加強在結合顏料分散,光阻微影及有機合成的專業技術,加速開發積層式彩色濾光片用彩色光阻、黑色矩陣以及間隙控制材料(Spacer),未來可促成LCD產業上、下游整合的技術完整性。

#p#積層式彩色濾光板(Integrated Color Filter)
濾光板的構造
彩色濾光板的基本構造如圖二,透明玻璃基板依STN或TFT的使用可為Sodaline或Borosilicate。為了顯示器的輕量化,也有使用塑膠片。基板厚度也從1.1mm逐漸降為0.7mm。黑色遮光框,是以金屬鉻或鉻氧化物組合層為主流,最近因要求低成本及低反射,碳黑和顏料分散法,亦有在研究。保護膜是提供平坦化、附著性、及保護硬度,在TFT-LCD通常已省略不用。透明導電膜在STN是作為相對電極,要求極牧瑣伄q性,在TFT-LCD則為共同電極。
彩色層是樹脂中添加染料(可溶解)或顏料(顆粒型式存在)混合而成,一般彩色層的製作方式可分為染色法及顏料分散法,顏料分散法的有感光顏料分散型光阻及蝕刻法顏料分散型材料。由於染料因其耐熱性,耐藥品及耐光性等的可靠度均較顏料差,現今主流的濾光板色料均為顏料分散型。
另外在塗料的製作中,樹脂亦會影響最終特性,聚亞醯胺的耐性最佳,價格也最高,Toray公司的彩色材料即屬這一種。聚乙烯醇的耐熱性差,製程特性佳,壓克力樹脂的透光性最佳,Fuji Hunt的CF材料屬於這一種。
顏料分散法彩色光阻以壓克力樹脂的設計為最多,其次為聚亞醯胺、環氧樹脂及PVA。壓克力樹脂因有最佳的光學特性、適當的耐性及光阻配方中與其他原料的相容性,而為最佳選擇。
顏料分散型感光性組合物可提供彩色濾光膜之製造,此種彩色濾光膜可使用於彩色液晶顯示器(Color LCD)或電荷偶合元件(CCD)及C型金氧半導體(CMOS) 型影像感測元件上。不僅能達成良好的顯影品質,減少顯影殘留的發生,形成陡直的畫素邊緣。

積層式TFT-LCD的製作方法
一般市面上所販賣之彩色濾光板其製作方法如圖三所示。由圖三可看到傳統彩色濾光板的製作方法,含透明玻璃基板、黑色遮光框、彩色層、保護膜及透明導電膜。圖四右邊部分是未來最新發展趨勢之積層式彩色濾光板的製作方法,即是直接將彩色光阻塗佈在TFT Array上面,稱之為積層式彩色濾光片(Integrated Color Filter,簡稱ICF) 。
傳統彩色濾光板結構所能達成之開口率只有50%,這也造成光線使用率不高,同時在彩色濾光片和TFT黏合時也有對位之問題,造成製程較不易控制。而最新開發之積層式TFT-LCD彩色濾光片是直接將彩色光阻塗佈在TFT上面,其結構如圖四所示,此結構可將開口率提高至80%以上,並將LCD之製造過程更加簡單化。
積層式彩色濾光板中所使用之彩色光阻會與傳統彩色濾光板要求不同,由於積層式彩色濾光板是直接將彩色光阻塗佈在TFT Array上面,除了一般現行使用之規格水準外,彩色光阻其介電常數要小至3.5才不至影響到TFT之正常運作。
#F#圖三:彩色濾光板的結構:CF與ICF之比較。
#F#圖四:積層式TFT-LCD的製作方法。

彩色光阻(Color Resists)的市場
目前彩色光阻全球產值約30億元,在國內則約有6億市場總值,而顏料分散型彩色光阻的供應商則有Fuji Film-Olin、JSR和Toyo Ink,前兩者為市場的主要供應者,後者則只提供給特定的合約彩色濾光片生產廠商,並不對外銷售。因此,若國內廠商想要投入彩色光阻材料生產者,最好的切入方式,就是在國內彩色濾光片生產廠商(如表一)剛起步試量產階段就與之密切合作配合,確立最適化製程參數,培養彼此的信賴感與合作默契,另外則是切入新用途,如反射式彩色光阻,來與目前主要用途穿透式彩色光阻做市場區隔,如此才會增加成功的機會。
#F#表一:台灣彩色濾光片設廠投資現況(domestic 2000-07)

材料所結合顏料分散、光阻微影及有機合成專業技術,開發達到商品化規格水準的彩色光阻,並建立了小型量產研究的製造控制技術,並且已經將技術移轉給國內數家廠商從事最後大量生產的準備工作。
而在顏料分散型樹脂種類方面,則有聚亞醯胺(polyimide)、聚乙烯醇(poly-vinyl alcohol)及壓克力(acrylate)系。聚亞醯胺系有最佳的耐化性,但是成本較高;聚乙烯醇系耐熱性較差,但是製程特性佳;壓克力(acrylate)系則擁有最佳透光性。
材料所研發的彩色光阻組成成份(如表二),主要包含了顏料分散液、壓克力樹脂、感光性單體、感光性起始劑及大量的溶劑,而顏料分散型彩色光阻的期望規格值則如表三,但實際規格則因個別廠商略有差異。
#F#表二:材料所研發的顏料分散型彩色光阻阻成成份。

台灣廠商在TFT-LCD產業上的投資正積極進行,其上游產業的投資也在數百億元之譜。其中彩色濾光片佔TFT-LCD總成本之15%,佔有舉足輕重之地位,所以國內廠商在今年也大舉投入彩色濾光片的生產,預計明年將可提供彩色濾光片給國內TFT-LCD廠使用。圖五為1998-2003年全球彩色濾光片市場預估。因此,上下游的廠商、顏料供應商及彩色濾光板製者亦同時列出。彩色光阻1995年的銷售額為70億日圓,每年以30%成長,圖六為1998-2003全球彩色濾光片市場預估。
彩色光阻在銷售管道上分成兩種,一為光阻商與濾光板商合約銷售,此以東洋油墨為主約佔50%,另外為在公開市場上販售,較大者為Fuji Hunt佔有40%,其他如日本合成橡膠及新日鐵化學等後起的製造者,則嚐試從新興的濾光板製造者切入。
#f#圖五:1998-2003全球彩色濾光片市場預估。
#F#圖六:彩色光阻市場預估。

材料所開發彩色光阻,未來在市場切入點上可能從兩管道著手。一、台灣及其他亞洲週邊國家的新濾光板製造廠在新廠開工試用時,提供光阻試用,確立製程參數。二、彩色光阻的新用途,反射式彩色LCD使用的光阻在塗佈特性及分光圖上與泛用彩色光阻會有所不同。

#P#環保型彩色濾光片
在目前TFT-LCD面板中的彩色濾光片所使用的黑色矩陣來源,不外乎是在玻璃基板上形成如鉻(Cr)、鎳(Ni)、鋁(Al)的金屬薄膜層,其形成的方法則有濺鍍及真空蒸鍍,黑色矩陣的主要功能如下:
*防止彩色光阻(R、G、 B)混色。
*提高R、G、B顏色對比值。
*對驅動電極如TFT具有遮光性。

金屬鉻(Cr)黑色矩陣
目前以使用重金屬鉻(Cr)所形成的黑色矩陣為主流,但是卻有以下幾個缺點:
*鍍鉻金屬薄膜層的成本高。
*鉻金屬薄膜層的反射率高。
*製作黑色矩陣pattern所產生重金屬鉻的廢棄物對環境的汙染。

相對的,金屬鉻(Cr)所形成黑色矩陣具有以下特點:
*高遮光性(Optical Density大)。
*所形成的膜厚很薄。
*所形成的薄膜反射率範圍可高可低。
*優良耐候耐藥品性。
*可得到較佳的pattern形狀及斷面的sharpness

現今金屬鉻(Cr)黑色矩陣所必須面對的技術問題便是低反射化的要求,以及玻璃基板大型化趨勢之後成膜設備的更改所造成成本之提高。

無電解電鍍鎳黑色矩陣
無電解電鍍鎳所形成的黑色矩陣有以下特點,其製作方法則如圖七所示:
*高遮光性(光學濃度高)。
*在可見光波長範圍內反射率低。
另外還有利用石墨(Graphite)所形成的黑色矩陣,製作方法則有lift-off法及蝕刻法,其特點是具有高光學濃度(O.D=3.0膜厚0.6mm),但缺點是反射率偏高(6%)且對環境造成污染。
綜合以上種種形成黑色矩陣優劣點及特性的差異,可以得到一項結論。一個優良的樹脂型黑色矩陣是現在LCD產業極為期待的,其組成必須具有高光學濃度(O.D.≧.0)、感光性佳、良好耐熱性、耐光性及儲存安定性,而且擁有低製造成本、快速生產時間及對於環境的低危害性。
#f#圖七:PI系樹脂型黑色矩陣加工流程。

樹脂型黑色矩陣
而為了克服使用重金屬鉻(Cr)所形成黑色矩陣的缺點,一種以有機高分子為主體的樹脂型黑色矩陣也因此被廣泛的加以研究。這類黑色矩陣可使用旋轉塗佈方式形成,對環境的汙染也較重金屬鉻輕微,而且可以使用微影的方式得到。其中樹脂型黑色矩陣系統又可細分為以染料為主或者以顏料為主,黑色染料吸光性較差,且對高分子樹脂或溶劑溶解性較差,對耐熱、耐光及耐化性也比黑色顏料差,而以顏料為主的配方則往往容易為了達到高碳黑含量而犧牲了產品的安定性,表三是樹脂型黑色矩陣特性要求。
#F#表三:樹脂型黑色矩陣特性要求。

樹脂型黑色矩陣的組成不外乎以PI系為主體的樹脂(加上黑色paste),其加工流程如圖九,或者以感光性acrylate系為主體的樹脂(加上感光起始劑、感光性單體、溶劑及其它添加劑-如有機或者無機顏料)。高分子樹脂提供彩色濾光片必要之附著性、耐熱性及足夠的機械強度等特性。
但是,樹脂型黑色矩陣目前所存在的最大技術障礙就是高光學濃度值的達成。一般LCD用彩色濾光片要求的O.D值要大於2.5,高對比的TFT-LCD則要求達到3.0以上。而且玻璃基板大型化之後,高性能塗佈設備(coater)及優良的可塗佈黑色矩陣材料以達成均勻的膜厚及良好的密著性也益形重要。
#F#圖九:環保/先進型彩色濾光片的結構剖面圖。

#P#先進型LCD間隙控制材料(Photospacer)
液晶顯示器的製作過程,主要是由兩片具有偏光膜、玻璃基板、透明電極、彩色濾光層、配向膜、薄膜電晶體等各項功能的基板組合而成,再於兩片基板中間灌入液晶材料。當通入電流時,即可趨動液晶材料使其產生on/off效應,但是液晶材料層的厚度、均勻性等將會影響顯示器的顯示速度、視角、明亮對比等特性,而間隙控制材(spacer)即扮演著控制兩片基板間厚度大小與均勻性的角色。藉由間隙控制材形成液晶槽(Liquid Crystal Cell),使液晶穩定地注入槽中,再將注入口用封膠(sealant)封住,並使液晶材料在槽中有良好的配向性,如圖十所示。然而傳統的間隙控制材容易造成漏光,降低光穿透率(Transparency)及對比(contrast)差等缺點,使顯示板面之缺陷畫素增加,影響液晶顯示器產品品質。為了控制液晶在槽內的流動性,槽內的Spacer數量與分散均勻性亦很重要,故須盡量避免顆粒因靜電而聚集,導致Spacer分散不均。另外,由於溫度變化亦將導致熱脹冷縮的緣故,因而影響液晶槽厚度,故Spacer須具有熱尺寸安定的特性。因此,為了改善上述缺點,未來先進型LCD間隙控制材料(即所謂的Photo-spacer)將會是發展重點。
#F#圖十:傳統間隙控制材料(Spacer)。

#P#傳統間隙控制材料(Spacer)
間隙控制材料主要是用來控制LCD面板兩片玻璃的間隙(cell gap),而LCD面板的間隙均一性是由球型(bead)間隙控制材料的大小均一性及在面板的分佈位置來決定。目前以silica或是塑膠為主體的球型間隙控制材料主要缺點如下:
*球型間隙控制材料容易導致漏光而造成LCD面板對比值降低。
*球型間隙控制材料的機械強度不足會造成LCD面板強度不夠。
*由於球型間隙控制材料是灑在LCD面板上,所以會自由流動或者發生凝集現象,因此間隙的不均一性將造成面板無法預測的顏色變化。

一般spacer依據材料不同,可區分為下列三種:
*球狀(Plastic Bead):一般材料有Melamine、Urea、Benzoquanamine resin、 Acrylate等高分子材料製成球體形狀的間隙控制材(如圖十一所示)。
*球狀(Silica):由Silica材料製成球體形狀的間隙控制材。
*棒狀(Glass fiber,non-alkaline):由Silica材料裁製成棒狀的間隙控制材。
#f#圖十一:球狀spacer。

傳統球狀Spacer的缺點
由於Spacer並非固著在基板上,因此,若對液晶顯示器的面板施以壓力時(如手壓) ,則傳統球狀的Spacer會有位移(Migration)情形,而液晶槽內的液晶也會跟著流動,導致液晶槽厚度不均勻,進而造成顯示器面板亮光不均或顏色改變等現象。
相較於非球狀間隙控制材料,球狀Spacer亦較容易造成漏光、降低光穿透率(Transparency)及對比(contrast)差等缺點,使顯示板面之缺陷畫素增加。另外,球狀Spacer顆粒尺寸不一或大小分佈不均,導致過小顆粒的Spacer如同粉塵般散佈在液晶槽內,將會影響產品品質。
由於一般球狀或棒狀的Spacer普遍有上述缺點,且在基板上灑佈Spacer的過程中,易產生靜電效應,造成Spacer容易聚集等問題,導致Spacer無法均勻地分佈在兩片基板中形成穩定的液晶槽。因此,如何均勻地將Spacer噴灑在基板上、消除球狀Spacer因磨擦產生的靜電導致球體凝聚現象、控制Spacer噴灑密度、Spacer粒徑分佈範圍、控制液晶槽厚度精度及均一性等各項技術無一不影響品質甚鉅,而上述各項控制因素也一直是液晶顯示器製作過程中極重要的課題。

先進型LCD間隙控制材料(Photo-spacer)將是未來發展趨勢
綜合以上所述,為改善球狀Spacer所產生的漏光(對比低)現象、機械強度差及位移等缺點,近來已漸朝向先進型LCD間隙控制材料(Photo- Spacer)發展,以取代目前使用的球狀Spacer,尤其是大面積液晶顯示面板,更需要均勻性佳的間隙控制材料,而先進型LCD間隙控制材料(Photo-spacer)將會是未來的發展趨勢。
Photo-Spacer為一種光反應性材料,即所謂的光阻材料(Photo Resist,PR) 。一般光阻材料依據化合物對光反應機構不同,可分為正型光阻與負型光阻,兩者均可適用於Photo-Spacer。其製作方法係利用光微影製程(Photo lithography porcess)方法,直接將光阻材料塗佈在ITO玻璃基板上,經過曝光、顯影、烘烤等光微影步驟得到所需厚度的基板間隙控制材,即所謂Photo-Spacer。然後再將具有Spacer的基板與另一基板直接貼合(Cross-Section),兩個Spacer之間即形成液晶槽,如圖九所示。
#f#圖九:環保/先進型彩色濾光片的結構剖面圖。

由於Photo-Spacer為柱狀體,光穿透或遮蔽效果佳,沒有球狀Spacer的漏光現象,且Photo-Spacer是直接在基板上形成,柱狀體的Spacer與基板的接著性亦較好,更不會在施以壓力時有位移現象。由於Photo-Spacer係利用光微影製程方法製作,故厚度均勻性佳,且厚度可依據需求來選擇塗佈條件,或更改光阻材料組成,使其塗佈後得到適當的厚度。柱狀體Spacer與Spacer之間的間隔密度亦可依需要而調整區間大小,液晶槽尺寸即可因需求而調整。液晶顯示面板製作過程中不需噴灑Spacer,亦不必擔心Spacer產生靜電及凝集等問題,製程自主性高。
感光間隙控制材料必須具備以下特性:
1.足夠的機械強度
2.對液晶分子不會造成污染
3.膜厚的均一性
4.良好密著度
5.良好耐熱耐化性

Photo-Spacer用光阻材料
在Photo-Spacer光阻之組成物中,高分子樹脂提供彩色濾光片或玻璃基板必要之附著性、耐熱性及足夠的機械強度等特性。在設計上,其單體通常包括一個可以跟感光化合物作用之官能基、其他單体可設計成具有羥基使其跟玻璃的附著力增加,苯基則可得到較佳的耐熱性。常用的高分子樹脂為酚醛樹脂或壓克力高分子,而用於Photo-Spacer之光阻材料中,高分子樹脂的基本要求為透光率高、耐熱性好、介電常數要低。
感光化合物主要是在曝光區因光化學作用產生酸或質子酸(正型光阻),在曝後烤的過程中,酸或質子酸與高分子樹脂發生反應,使得曝光區和非曝光區與顯影液之溶解度不同而達到圖案轉移目的。

結語與展望
相對於電子硬體的大量化生產需要龐大的資本投資,生產電子材料的研究開發具有較高的進入門檻,需要較長時間的經驗與技術的累積,而且電子材料的資本支出相對較低,風險也就相對降低。綜觀國內有許多傳統的中小型化學化工企業正是轉型為電子高科技業的最好切入點,藉由先期的研究參與或者技術移轉,開始培育自有的研發人才與經驗,而且目前台灣LCD產業正是開始蓬勃發展的階段,相關的產業供應鏈正在成型中,感光材料便是其中一項關鍵材料,相當值得國內廠商的投入,工研院材料所也極樂意將相關研究經驗與成果和國內廠商一同分享,以達到產業升級的目標。SST-T

作者
林松香,為中原大學化學碩士,曾於工研院材料所航太中心擔任研究員,目前為工研院材料所光阻材料計劃研究員。
李榮哲,為成功大學化工碩士,曾擔任工研院材料所研究員,目前則為工研院材料所光阻材料計劃研究經理經理。"

 
 
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