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玻璃的藝術與科技:液晶顯示器用玻璃基板

和我們生活息息相關的平面顯示器,在手提電腦和液晶電視上都可看到它的蹤影。其中有一項關鍵性的材料-玻璃基板,它在性能上有什麼特別的要求?又是如何製造的呢?
 
 
 
在政府提倡的「兩兆雙星」政策積極引領下,國內薄膜電晶體液晶顯示器(thin-film transistor liquid crystal display, TFT-LCD)的上、中、下游體系日趨完整,已達垂直整合的功效。其中玻璃基板是平面顯示器的重要關鍵材料之一,本文針對TFT-LCD面板上所使用玻璃基板的基本特性、製程技術、未來發展方向以及可能面臨的挑戰做一個介紹。

玻璃基板的基本特性

玻璃基板主要應用在平面顯示器上的薄膜電晶體及彩色濾光片二處,所需的基本要求有5項:成分中不能含鹼金屬氧化物,以避免鹼金屬離子經由擴散作用移動至電晶體陣列中,造成電路短路;具耐化學性,以承受高溫製程中所使用的化學藥劑;熱膨脹係數須與薄膜電晶體陣列中的矽相近;高玻璃應變點,使熱收縮較小(低),有助於在TFT製程中精確地對準光蝕刻圖形;低的生產成本而能產製高品質的超薄平板玻璃。

其中最後一項要求最難達成,因為要生產不含鹼金屬氧化物的玻璃熔體,本來就不太容易,還要把熔融玻璃體中的不純物、不均質和氣泡完全消除當然更加困難,最後還需要一個能產出超高表面品質的成型製程。既要克服各項技術瓶頸又要兼顧成本因素,這一項要求的困難度不言可諭。

從技術觀點來審視玻璃基板的基本特性,不難發現製造適用於TFT-LCD玻璃基板的門檻相當高,其中包括玻璃本身的材料特性,如材質、品質、耐化學性和熱特性;玻璃成型時的表面特性,像是翹曲、波紋、粗糙度、表面凹凸、平坦度和厚度變化;最後是加工時或運輸過程中所造成的表面損傷。對材料特性而言,其核心技術在找出最合適的玻璃組成和熔解技術,包含澄清和均勻化。對表面特性而言,其核心技術則是尋找最理想的成型技術。

目前全球僅有康寧(Corning)、旭硝子(Asahi Glass Co., AGC)、日本電器硝子(Nippon Electric Glass, NEG)、以及板保科技玻璃公司(NH Technoglass, NHT)4家廠商可以供應TFT-LCD用玻璃基板。在市場需求持續成長下,除了現有廠商積極擴建熔爐增加產量外,新的競爭者也陸續加入,如臺灣碧悠國際光電公司。

製程技術的關鍵

TFT-LCD用玻璃基板的成型製程,主要區分為3大類型:薄板浮式玻璃製程,溢流融合下拉法製程,以及開口下拉法製程。

薄板浮式玻璃製程是把由熔爐流出的玻璃材料,以漂浮方式通過熔融狀態的金屬錫槽,利用液態錫表面光滑的特性拉出玻璃基板。由這個製程產出的玻璃因與液態錫接觸,須再經過拋光、研磨等後段加工步驟,因此對於成品良率、單位成本、量產速度與後續製程所引發的環保問題都較為不利。目前日本旭硝子公司是利用這個製程產製不含鹼金屬的玻璃。

溢流融合下拉法製程於1930年代 由Libbey-Owen-Ford Glass Company開發出來,並先後獲得多項專利。到了1960年代中期,康寧公司為了使產品厚度能更平坦與均勻,改進這個製程的缺點進而獲得多項專利。

這個製程的主要關鍵步驟是使熔爐內熔融狀態的玻璃原料通過耐火導管,再由導管頂部分兩側沿管壁向下溢流而出,並在導管底部匯流融合,以形成單一片狀玻璃基板,利用這種製程所生產的玻璃基板不需再經研磨。因專利早已過期,所以除康寧公司外,NEG及NHT都採用溢流融合下拉法生產TFT-LCD用的玻璃基板。

除上述兩種主要的成型製程外,第3種是德國EPT公司開發的開口下拉法。比較目前3種生產玻璃基板的成型製程,「溢流融合下拉法」是目前的主流。

以溢流融合下拉法生產的TFT—LCD用玻璃基板,具有以下的優點:較高的玻璃應變點,使玻璃基材具有更佳的熱安定性與熱收縮性;較低的密度,可使玻璃基材較輕和較少的重力熱塑成型;更佳的耐化學性,使製程能在較嚴苛的蝕刻條件下進行;與矽晶體有更接近的熱膨脹係數,因而開啟了在玻璃上製備鑲合晶片的可能性;較高的耐崩角和機械強度;不會有鹼金屬離子(如鈉離子等)經由擴散作用,自玻璃表面遷移至電晶體陣列中,因而破壞電晶體元件。

成型時,溫度在掌控玻璃黏度上扮演重要的角色。在玻璃成型的過程中,可透過溫度控制調整玻璃熔體的黏度。例如在成型時,怕黏度太高而無法製成想要的產品,或是希望在改變形狀後仍然有時間消除應力,都可以經由溫度控制來達到。

在成型的過程中,若與外界接觸的玻璃表面溫度比較低,內部的溫度比較高,這樣的溫度差會在玻璃材料內部形成無法預知的應力。在使用這種玻璃材料時,因為有無法預知的應力,對玻璃的安全性無法掌握。因此成型後的玻璃材料,大都需要經過一定的熱處理(退火)程序,以消除玻璃材料內部的應力,確保使用者的安全。

光學品質的技術關鍵

成型後玻璃的光學品質極為重要,當其中含有石頭、脈理或氣泡時,就表示有瑕疵,這些物質會影響玻璃的光學品質。做為LCD玻璃基板及光學玻璃的材料,是不允許有這些雜質存在的。

石頭的出現對玻璃的透明度及強度都有不利的影響,造成的原因是玻璃熔解後碰觸到耐火材料的些許粉末,它是一種結晶的礦物。脈理的存在對玻璃折射率有不良的影響,同時會使透過玻璃的影像變形而失真。造成的原因是耐火材料一併熔融於玻璃中,它是一種非結晶型條紋狀的物質。氣泡的來源包括外界空氣氣泡、一次氣泡(原料所生氣泡)、二次氣泡(因溫度改變所產生的氣泡)、耐火材料氣泡、電解氣泡等,對玻璃的透明度也有不利的影響。

為避免玻璃中石頭和脈理的產生,可使用白金或其合金當耐火材,要避免氣泡的產生,則須在玻璃原料中加入好的澄清劑。雖然綠色環保玻璃是未來產品發展的趨勢,但到目前為止,玻璃材料的製作仍然使用三氧化二砷做為澄清劑,因為三氧化二砷是已知能耐最高溫度的澄清劑。

這意味著即使在很高的熔解溫度(例如攝氏1,450度)下,玻璃熔體中的三氧化二砷仍會持續釋出氧氣,這種在高溫下釋放出氧氣的動作,有助於生產玻璃時在熔解與澄清階段移除內部氣泡。至於熔融初期的較低溫度階段,玻璃中的氧氣極易被三氧化二砷吸附。利用三氧化二砷的特性,分別在高溫及較低溫的狀態下,協助移除玻璃中的氣泡,在兩階段的相互配合下,基本上能產出沒有氣泡的玻璃成品。

玻璃基板的發展與挑戰

玻璃基板的未來發展,會以大型化及高精細化兩個方向為主。由於電視大型化的比重逐漸提高,2005年時大於20英寸的液晶螢幕電視在市場上已超過7成,現階段面板廠商量產的LCD TV產品最大尺寸是47英寸,展示品最大尺寸已達57英寸(南韓三星),並且有朝更大型化發展的趨勢。

為了因應新產品周期縮短,新世代玻璃基板更新的速度也同時加速,新周期由原來的3年縮短為1~2年,基板面積在10年內增加了16倍,尺寸提高到第六代生產線(1,500 × 1,850 mm2)及第七代生產線(1,870 × 2,200 mm2,1,850 × 2,150 mm2)的規格,並已著手第8代生產線的規畫。

以經濟效益而言,五代線(1,100 × 1,250 mm2)基板可切割出3片32英寸面板(16:9),基板利用率是6成,第六代生產線(1,500 × 1,850 mm2)可切割成8片,基板利用率則提高至9成。雖然投資額增加約七成,整體經濟效益的提升卻超過一倍以上,因此追求更大面積的基板生產線,是面板廠商進軍大尺寸電視的必要手段。而玻璃廠商在因應基板大型化的趨勢中,勢會面臨製程與搬運技術、良率提升等的挑戰。

臺灣TFT-LCD平面顯示器產業發展主軸,在早期「進口替代」政策推動下,整體產業的上、中、下游結構已日趨成熟茁壯。惟上游材料玻璃基板仍受到國外廠商策略性缺貨的箝制,以致影響平面顯示器產業的擴廠、技術開發、以及新產品開發,甚至智慧財產權都受到牽制。建議政府制定產業政策,投入更多的資源,扶持玻璃產業所需的周遭設備/高溫材料/元件,使平面顯示器上、中、下游產業結構能更趨健全,期能儘早搶占全球市場商機
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