OLED显示器的市场热度持续攀升，在微显示（micro-display）应用上，一些特定的技术挑战也随之浮现。现有的制程，像是精密金属遮罩（fine metal mask；FMM）与喷墨印刷（inkjet printing；IJP）技术，都还无法满足新世代显示技术的应用需求，例如达到更高的解析度与像素密度，或是打造出成像品质充足的透明显示器。

图一: imec在OLED显示器制造技术上发现了重大突破，可望解决次世代微显示技术的瓶颈。

imec证实了光刻技术（photolithography），可望成为克服FMM与IJP技术瓶颈的首选方法，因此，他们将一套全新的制程导入了过往几乎无人预料到的领域。

移动OLED显示器的趋势

OLED正逐渐成为移动手机与手表的主流显示技术，这类产品的解析度不太需要再进一步提升，目前落在500ppi上下，可是未来会朝向增加屏幕占比并去除可见机壳的目标发展。因此，整合在屏幕正面的感测器，包含指纹感测器、前置镜头等，就需隐藏在显示器内。要做到这点，就需要一些技术来让显示器在不发生影像退化（image degradation）的情况下呈现出透明度。

在AR/VR应用中，显示器的像素大小和密度成为了技术考量。目前有好几种AR眼镜正处于研究阶段，但真正的3D投影还是难以实现。利用超高解析度的2D显示器，并搭配透镜阵列（lenslet array），这样的元件配置就可能制造出成像不错的立体影像方块（imaging cube）。

而要实现这点，像素大小必须比现况再微缩一个数量级，也就是3000ppi，甚至是6000ppi。更具体地说，一般手机的像素大小是70微米，那么目标就是缩至7微米以下，甚至是单一微米等级的尺度。

手头方案全失效 蚀刻又不被看好

在目前的有机电子元件制造中，FMM技术在OLED堆叠中广获采用，用来产生发光层（emission layer）的红、绿、蓝像素图形。因此，解析度高于500ppi的显示器已经商业化，而且目前还在研发能够免用FMM的直接图形化OLED像素，解析度高达2000ppi以上。

然而，这项技术目前有些开发瓶颈，会阻碍采用更大基板并在高阶析度下达到更高开口率的发展。举例来说，在FMM制程中，遮罩可能发生下垂，而直接印刷技术还有遮蔽效应（shadowing effect）的问题。

此外，利用FMM技术的制程方法无法制出孔洞结构；走这条制造途径还有清洗步骤与替换遮罩的考量，让产线的运转成本难以减省。

现在显示器产业也在研究利用IJP等印刷制程的其他制造方法。多家厂商已展示了150ppi以上的主动式OLED（AMOLED）元件。这些制程受到业界肯定，因为它们不受基板大小限制。

另外还有几项研究的目标是提升印刷的解析度，例如气溶胶喷涂（aerosol jet）或是静电喷雾（electrostatic jet）印刷技术。不过目前都还要面对一些技术挑战，像是大面积沉积时元件层的厚度均匀度问题，还有这些元件与采用蒸镀制程的OLED相较，可靠度较低。

过去有很长一段时间，业界并未将蚀刻技术纳入考量。具体来说，OLED先前被认定无法在复杂且严峻的制程环境下正常运作。就以OLED的材料敏感度为例，就包含了湿度、氧气、UV光照、有机溶剂和电浆表面处理等考量因素，这些都是标准蚀刻流程的一部份，但也都有可能会导致OLED元件发生不必要的衰减。

新i-line蚀刻制程产出业界相容的OLED

历经数年的持续努力，藉由多方合作与内部团队的领域专长，imec成功开发出新的i-line（365nm）蚀刻制程，能够产出与业界相容的OLED，而且没有什么基本限制，不论是对行动显示器的基板大小，或是对微显示器采用8吋（200mm）或12（300mm）吋晶圆尺寸，皆无设限。

这些成果源自于多方面的整合优化，包含元件结构、光阻剂和制程环境。确切来说，imec在2020年12月国际显示技术研讨会（the International Display Workshops）上展示了两大成果。

图二: imec展示了如何在OLED制程中导入蚀刻技术

首项成果是打造出像素大小为10μm、间距为20μm的图形化元件，而且在电致发光（electroluminescence；EL）的光谱与元件寿命方面，这些元件和非图形化元件相比并无衰减。唯一测到的衰减发生在连续蚀刻步骤之后，那就是驱动电压增加了。

在发光亮度为1000nit的情况下，该元件的驱动电压约为6.6V，但其实应该降至3.8V才是比较能够接受的范围，这也是FMM技术的基准点。然而，该元件的驱动压在进行第一次蚀刻后会增加，而且在进行第二次蚀刻后维持稳定，这可能表示，衰减现象会发生，是因为有机半导体元件上方的光阻剂在蚀刻过程中直接曝光。这个可能也提供了研究人员一些有用的研发见解，并为进一步优化指明一条可行的发展途径。

第二项成果则是展示功能性OLED的高解析度孔洞阵列（hole array），能够用来实现屏幕内嵌感测（in-display sensing）技术。在第一阶段，imec制出具备完整孔洞阵列的测试结构，而研究结果显示，元件表面的开口率高达81%，而透明度则依照制程选用的材料不同，可以增加20%~70%。

进入第二阶段时，这些孔洞可以在OLED功能元件内部成形。元件特性在孔洞生成的前后并没有显著的衰减现象，除了先前所说的驱动电压会微幅增加，不过也仅高出了0.6V，这个程度对OLED像素制程来说其实相当低。

就有些轻松点的应用场景仅需使用单色显示，而且驱动电压不成问题，这套方案就能考虑纳入产业应用。同理可推至其他只需进行单次孔洞阵列图形化步骤的应用。

据介绍，imec花了不到五年就将OLED像素尺寸从20微米微缩至10微米，目前也已经能打造出3000ppi的白光OLED显示器。

为了研发出6000ppi甚至更高解析度的OLED显示器，约在1微米的像素大小必需实现。在OLED显示领域进一步展开光刻技术的合作开发，可望能让这个目标更趋近于现实。

   来源：CTIMES

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