發(fā)展我國有源選址顯示產(chǎn)業(yè)的點滴思考

孟志國，吳春亞，熊紹珍

南開大學(xué) 光電子所暨天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點實驗室

（天津市南開區(qū)衛(wèi)津路94號，300071）

摘要：有源選址平板顯示已成為信息產(chǎn)業(yè)的重要支柱。目前，我國的技術(shù)根源多取自于外，何時、如何能達(dá)到自主創(chuàng)新？

1、引言

平板顯示已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钆c生產(chǎn)中不可或缺的必需品之一。其產(chǎn)業(yè)地位、技術(shù)含量以及對國民經(jīng)濟發(fā)展的帶動作用，已經(jīng)可與集成微電子學(xué)的地位相比擬，成為新興的產(chǎn)業(yè)和學(xué)科。它的技術(shù)或?qū)W科基礎(chǔ)，是以薄膜晶體管（TFT）為單元的大面積薄膜微電子學(xué)。圖1示出[1]以晶體管為基本器件單元的微電子技術(shù)的發(fā)展歷程與以薄膜晶體管為基本概念的技術(shù)發(fā)展歷程的比較。該圖清晰看出兩者起步的時間相隔并不遙遠(yuǎn)。然而薄膜材料與器件技術(shù)的難度，使得它進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的時間，卻比晶體硅集成電路的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展歷程要艱難得多。

是非晶硅材料的研究及其特性的日益改善，催生了非晶硅薄膜晶體管（a-Si TFT）的發(fā)展[2]。自1979年非晶硅薄膜晶體管（a-Si TFT）誕生待走向產(chǎn)業(yè)化，在非晶硅太陽電池技術(shù)發(fā)展的帶動下，TFT-LCD產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，從1992年第一代線的建立到2007年夏普宣稱擬建十代線，用了不到15年的時間。圖2示出超大規(guī)模集成電路技術(shù)[3]（以摩爾定律為代表）和以有源選址液晶顯示（AMLCD）的母板尺寸為代表的大面積薄膜微電子學(xué)技術(shù)[4]發(fā)展歷程（Roadmap）的比較。兩者的發(fā)展趨勢非常相近。只不過薄膜微電子學(xué)發(fā)展之路，起步晚于大規(guī)模集成電路幾乎20多年而已。因此可以說，在薄膜微電子領(lǐng)域似乎也存在著一個“摩爾”定律，它們的發(fā)展方向雖然完全相反，但是卻都是向極限挑戰(zhàn)：一個是向著“超微型——納米級”極限挑戰(zhàn)，一個是向“大規(guī)?！椒矫准墶钡奶魬?zhàn)。面對兩者如此的相似性，如何思考與借鑒，是本文擬討論問題的出發(fā)點。

2、有源選址平板顯示的技術(shù)特色

有源選址平板顯示（AMFPD）技術(shù)的基礎(chǔ)，是以TFT為器件單位構(gòu)建的大面積薄膜集成電路，它包括選址電路和周邊驅(qū)動集成電路[5]，正如圖3所顯示的那樣。該結(jié)果采用的是多晶硅薄膜晶體管（poly-Si TFT）的技術(shù)。多晶硅材料是由日本夏普和半導(dǎo)體能源實驗室聯(lián)合開發(fā)成功的連續(xù)晶粒技術(shù)。鑒于poly-Si的高遷移率能力，故可將周邊驅(qū)動電路與圖象選址電路集成于一體、構(gòu)建全集成型SOP-LCD，甚至將CPU亦集成于其中。因此我們說有源選址平板顯示的技術(shù)特色，是屬于薄膜微電子學(xué)的范疇。綜合分析先進(jìn)的有源選址的顯示屏（無論是LCD還是OLED）都離不開起開關(guān)（或驅(qū)動）作用的TFT。而TFT的結(jié)構(gòu)和工作原理與單晶硅MOS管基本相似。這就使得可以借鑒MOS器件的某些技術(shù)，然而它們有源材料的不同，又帶給TFT自身獨有的特點：

它的優(yōu)點是：非晶硅材料，易于大面積、均勻、低溫制備；可選用連續(xù)沉積，自動化程度高；進(jìn)而成本低。這正是AM-LCD的發(fā)展，能夠遵從第二個“摩爾”定律那樣，使產(chǎn)業(yè)化的母板尺寸，幾乎也是每兩年就能翻一番。

然而它的缺點也是很明顯的：

⑴ TFT-LCD制備在一種外來的非硅襯底之上，如玻璃，塑料等，這些襯底與硅結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致生長的材料是一種原子排列為無序網(wǎng)絡(luò)式的非晶態(tài)或者微晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，因此它的性能顯然會比單晶硅差的很多，就遷移率來說，可差到兩至三個量級。如此低劣的性能，在工藝技術(shù)以及器件設(shè)計上，需要賦予足夠的智力。

⑵ 硅基薄膜材料的結(jié)構(gòu)無序化，使得描述器件的物理模型，與單晶硅器件的模型相差甚遠(yuǎn)，可以借鑒一些概念，但是不能照搬，必須建立薄膜器件自己的模型以及制備規(guī)則。

⑶ 隨母板尺寸的不斷升級，出現(xiàn)了大尺寸帶來的新的問題，如相應(yīng)大小加工設(shè)備的制造問題；襯底加工過程中受溫的形變、大面積自身重力導(dǎo)致的形變等不均勻問題，大面積系統(tǒng)沉積的均勻問題（如薄膜沉積過程中引入的應(yīng)力導(dǎo)致襯底最大6mm的形變[6]，參見圖4）；搬運過程中的其他問題，都將隨尺寸的增大問題越多，越來越顯現(xiàn)，圖4僅是一個非常簡單的示例（未計入重力問題）。

母板尺寸的增大，會不會像超大規(guī)模集成電路中因尺寸效應(yīng)而引入一個極限問題那樣，十代線之后，還是什么？大面積也會有極限嗎？它的極限在哪里？我們認(rèn)為，物理極限總是會存在的，也相信隨科技的進(jìn)步，能不斷地克服或抑制限制因素、并開創(chuàng)新的途徑解決極限問題。但是對于極限，還面臨另一個因素，那就是資金的投入，會不斷減少競爭者的參與。就像現(xiàn)在微電子產(chǎn)業(yè)上仍大規(guī)模投資的代表人物越來越少，只有在技術(shù)上掌握絕對實力公司，如Intel，意法半導(dǎo)體，才不斷為新技術(shù)的需要在大量投資。繼日本夏普、韓國三星與LG，以及臺灣的友達(dá)光電，相繼宣布建十代線的計劃；也見到韓國三星正與日本索尼討論籌建十一代線的報道。相信隨十代線之后，參與母板繼續(xù)擴大的公司會屈指可數(shù)。大量擴產(chǎn)帶來的結(jié)果會是什么？由清華大學(xué)主辦的平板顯示文摘上近期給出的消息，隨面板價格的下降、或供過于求的可能，一些公司正在縮小每月的產(chǎn)能（～10％）。讓我們看一下現(xiàn)在微電子線的“代工”的工作模式，可能得到些許啟發(fā)。隨世界產(chǎn)能大到某個程度，“代工”可能是一個較好的出路。這或許是一個信號：AMFPD也有一天會走上“代工”之路！

3、對發(fā)展我國AMFPD產(chǎn)業(yè)的點滴思考

IT產(chǎn)業(yè)的特點是全球化。我國已經(jīng)引進(jìn)了3條5代或5.5代的TFT線。各有各自的引進(jìn)技術(shù)或歸屬的合資公司。在信息產(chǎn)業(yè)部大力推動下的沸沸揚揚的全國大整合，歷經(jīng)約兩年時間最終告吹。其原因是什么？那些源自各自的技術(shù)屬性、屬于不同國家的技術(shù)（或合資）公司利益，在其中起著多大的、某些微妙的作用？這正鮮明地顯示出某些應(yīng)該可供思考的問題。在全球TFT事業(yè)發(fā)展日益趨于成熟的今天，即使國外的公司，站在各自國家利益上，也在興起技術(shù)互補合作的浪潮。例如，一向是你追我趕的韓國三星和LG，2006年LG剛報道82英寸TFT-LCD，同年底，三星就報出100英寸的。這種技術(shù)的精彩常在每年5－6月間于美國召開的SID國際會議上飽人眼福。而去年卻有消息顯示，為了應(yīng)付與日本的競爭，兩家正探討技術(shù)合作。另外，有跡象表明，低端的TFT平板顯示產(chǎn)業(yè)正逐漸擴散至發(fā)展中國家。如何改變我國上世紀(jì)末在無源LCD顯示時期所遇到的景象——產(chǎn)品個數(shù)占全球的80％以上，而產(chǎn)值僅占不到1％。還有CRT方面曾經(jīng)的經(jīng)驗教訓(xùn)……。面對當(dāng)前平板顯示興旺發(fā)達(dá)的斑斕景象，聰慧的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)，我們應(yīng)該思考些什么？[!--empirenews.page--]

面對國外在中小尺寸上已經(jīng)解禁，陸續(xù)往外推銷、以收回前期研究成本的新形勢，從國家和企業(yè)兩個層面上，我們瞅準(zhǔn)的方向應(yīng)該在哪里？如何針對源于國外的技術(shù)，何時、如何能達(dá)到自主創(chuàng)新？如何有目的、分層次、抓重點地研發(fā)突破？十一五期間，國家投入了很多資金，下大力氣安排了“863”重大計劃，真心想壯大有源選址平板顯示產(chǎn)業(yè)，改變現(xiàn)在的技術(shù)仍依賴國外的狀況，用心非常良苦。此時如何避免各有關(guān)公司切塊瓜分之嫌，真正能夠在推進(jìn)TFT-FPD產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)上下功夫，用國家的錢，達(dá)到863項目任務(wù)的初衷，在我國自主開發(fā)的帶前瞻性的項目研究突破限制方面則顯得更為重要，以使我國TFT產(chǎn)業(yè)的整體實力攀登上新臺階。

深入分析TFT-FPD的特點以及各國各地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷程，對于后起的產(chǎn)業(yè)，最關(guān)鍵的在于設(shè)備的科學(xué)配置以及再開發(fā)的能力。也就是說前者是前提，后者是后勁，兩者缺一不可。臺灣平板顯示產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，從“學(xué)生”到“領(lǐng)軍”不到10年，關(guān)鍵在于最先由臺灣省政府所屬工研院組織的計劃與采購團隊，對政府級研究線的正確配置；再加上大批從美國歸國的優(yōu)秀科技人才發(fā)揮的再創(chuàng)能力。技術(shù)、資金、人才，三者相得益彰！其中臺灣省政府對此項產(chǎn)業(yè)從一而終的強有力的掌控作用更顯首位，這種實質(zhì)性的政府的領(lǐng)導(dǎo)作用，對重大計劃，請多方科技專家討論，充分討論再做決定，拿人民的錢辦實事，產(chǎn)業(yè)界也就容易依從安排，這一點非常值得我們的領(lǐng)導(dǎo)借鑒和學(xué)習(xí)。

引進(jìn)是一門藝術(shù)。如何在引進(jìn)中獲得最大效益，確實需要巧妙的策略以及專業(yè)人才遠(yuǎn)見卓識的分辨真?zhèn)蔚哪芰?。在我國下一?代線的引進(jìn)浪潮中，但愿能上一高臺階，不僅引進(jìn)了技術(shù)而且在知識產(chǎn)權(quán)上，也要想辦法維護(hù)自身更多的利益，就像909工程建設(shè)時，與比利時IMEC談判中所獲得的效益那樣，不僅引進(jìn)了設(shè)備，更獲得再創(chuàng)能力。

考慮到在薄膜微電子發(fā)展歷程中“代工”的必然趨勢，我們認(rèn)為，盡快為“代工”做好準(zhǔn)備，已經(jīng)是時候了。所謂“代工”，是按照用戶的設(shè)計，請代工的工廠代為實施之意。它的前提是，要有一個標(biāo)準(zhǔn)的、代工廠能夠共識的規(guī)則。然而這個規(guī)則又是建立在對薄膜TFT器件及其電路具有公認(rèn)的模型基礎(chǔ)上的。單晶硅集成電路的設(shè)計業(yè)，當(dāng)前已經(jīng)是一非常興旺的產(chǎn)業(yè)，正是由代工的需求所帶動的。單晶硅從上世紀(jì)60年代產(chǎn)業(yè)化逐漸成熟以來，已有近半個世紀(jì)的歷史，加上單晶硅自身的規(guī)則化、標(biāo)準(zhǔn)化，集成電路設(shè)計學(xué)以及相應(yīng)的代工規(guī)則，早已經(jīng)成熟，近20來年的代工實踐，使其更趨完整、極盡達(dá)到了完美。如何將一個自身結(jié)構(gòu)不規(guī)則性、器件模型尚未嚴(yán)格建立的薄膜微電子集成電子學(xué)的設(shè)計學(xué)建立起來，是一個任重而道遠(yuǎn)的任務(wù)?，F(xiàn)在還不做，到時候就會措手不及了。因此我們說，現(xiàn)在是要創(chuàng)建我國AM-FPD設(shè)計平臺的時候了。AM-FPD設(shè)計平臺的建立，并與863計劃建立的TFT技術(shù)研制平臺的緊密結(jié)合，就可把從器件設(shè)計、工藝設(shè)計到驅(qū)動電路設(shè)計（甚至可包含顯示屏所需的驅(qū)動電路IC和周邊集成電路的設(shè)計、模塊的設(shè)計一體化）全面建立起來，與工藝平臺的實施相結(jié)合，進(jìn)行驗證、補充與完善。逐步建立我國自己的IP核設(shè)計以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫，盡早為代工的到來做好準(zhǔn)備。其作用，同時還可為現(xiàn)有TFT-FPD公司，在引進(jìn)的基礎(chǔ)上，提供多方位的技術(shù)服務(wù)，促進(jìn)產(chǎn)品更新與升級換代。

我們說“是時候了”，還有另一層含義，那就是在我國已經(jīng)有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。早在90年代初期、TFT-LCD產(chǎn)業(yè)剛剛興起的時候，發(fā)改委的前身——國家計委，就遠(yuǎn)見卓識地經(jīng)過近兩年的醞釀，于1992年正式組建了以南開大學(xué)為牽頭單位的攻關(guān)隊伍，實施“八五”科技攻關(guān)。國家科委也安排了以55所為牽頭單位的科技攻關(guān)。在計委的支持下，南開大學(xué)聯(lián)合清華大學(xué)、北京大學(xué)組成新時期的“西南聯(lián)大”似的攻關(guān)隊伍，不到兩年，TFT的特性參數(shù)可與當(dāng)時的國際水平相當(dāng)，并于1995年研制出2英尺無線缺陷的單色a-Si TFT-LCD模塊以及投影樣機。圖5(a,b)示出南開大學(xué)1995年前后取得成績一覽。55所亦獲得良好成績，圓滿完成科委攻關(guān)任務(wù)。可惜當(dāng)時國力不足，企業(yè)也沒有能力涉足如此高投入的產(chǎn)業(yè)。已有的研究沒有后援支持，處于自生自滅狀態(tài)，錯失了繼續(xù)發(fā)展的良機，把好不容易縮小的與國外的差距喪失殆盡。南開大學(xué)并沒有懈怠，加強了與香港科技大學(xué)的合作、繼續(xù)著相關(guān)研究。由非晶硅TFT研究發(fā)展至微晶硅、多晶硅TFT及其顯示驅(qū)動電路的全面研究。圖5(c,d,e) 分別示出，于2003年和2005年與香港科技大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)以及信利半導(dǎo)體公司合作、為完成國家863任務(wù)所取得的成果，以及現(xiàn)在周邊驅(qū)動電路進(jìn)行的模擬設(shè)計。這只是顯示了南開與國內(nèi)單位合作研究的實例。其他單位，如吉林大學(xué)，長春物理所與吉林省建立的彩晶公司等，都在TFT研究方面作出了很好的成績，為我國自主開發(fā)奠定了前期基礎(chǔ)。我們相信，產(chǎn)學(xué)研的有效合作，定能使我國這一興旺的產(chǎn)業(yè)發(fā)展得更加鼎盛與輝煌。

4、結(jié)語

顯示產(chǎn)業(yè)已成為可與大規(guī)模集成電路齊平的支柱產(chǎn)業(yè)，國家應(yīng)該對其進(jìn)行全方位的整體規(guī)劃，不能僅僅看作是公司自己的事。面對國際化競爭態(tài)勢以及TFT平板顯示產(chǎn)業(yè)逐漸擴散至發(fā)展中國家，借鑒上世紀(jì)末我國在無源顯示產(chǎn)業(yè)的窘境，新一輪的引進(jìn)要注重引進(jìn)“藝術(shù)”以及知識產(chǎn)權(quán)的效益。隨母板尺寸不斷增大，最終的轉(zhuǎn)型趨勢會走上“代工”之路，為及早做好我國自己的“代工”，現(xiàn)在是到了創(chuàng)建我國自主AMFPD設(shè)計平臺的時候了。南開大學(xué)為此做好了準(zhǔn)備，愿與國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界廣泛合作。

感謝：感謝美國德州農(nóng)工大學(xué)薄膜微電子研究實驗室主任郭育（Yue KUO）教授的有益討論。感謝科技部十五期間863項目的大力支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yue KUO, ” Thin-Film Transistor and Ultra-Large Scale Integrated Circuit: Competition or Collaboration”, Japanese Journal of Applied Physics , Vol. 47, No. 3, 2008, pp. 1845–1852

[2] 熊紹珍,“薄膜微電子學(xué)”，pp.480-523, “半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)”一書中的第十四章，何杰和夏建白主編，科技出版社，北京，2007年9月第一版[!--empirenews.page--]

[3] H. Rong, Silicon Photonics: Recent Advancement in Silicon Based Laser, Amplifier and Wavelength converter, J. of Optoelectronics?Laser, 2006 (17- suppl): p.11

[4]Chunya Wu, Xuedong Li, Shuyun Zhao, Juan Li, Zhiguo Meng, Man Wong, Hoi Sing Kwok and Shaozhen Xiong, “Solution-based Metal Induced Crystallization of a-Si”, Proceedongs of ASID’07, p. , Shanghai, Match, 2007

[5]T.Ikeda, Y. Shionoiri, T. Atsumi, A. Ishikawa, H. Miyake, Y. Kurokawa, K. Kato, J. Koyama and S. Yamazaki, “Full-Functional System Liquid Crystal Display Using CG-Silicon Technology”, SID’04 Digest, p.860, 2004

[6]S. F. Hoysa nand P. O. Johnson, “Impact of CVD Film Deposition on Pitch Change”, SID 05 DIGEST, p.72

(該文章出自2008中國光電產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集)