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在通往可印刷晶體管的發展之道中借材料、器件結構與工藝創新帶來巨大機會 隨著材料技術和加工工藝的成熟，采用涂布（coating）工藝和半導體油墨或漿料，在玻璃等各種基板上制作高精度的薄膜晶體管（TFT）已經進入產業化初期。該技術將比傳統半導體工藝的濺射或者擴散方法更方便和更容易地制作晶體管，將因不需要復雜的真空設備和準備時間而大幅度減少資本支出和提升生產效率。同時還因為可以采用更多樣化的材料配方和器件結構，以及可通往可印刷半導體技術，故具有廣闊的前景。 在業內研究機構和企業的推動下，這種液態電子技術目前已經進入早期商用，被用于制作平板顯示器件背板上的TFT晶體管陣列、新型觸控器件、傳感器和柔性電子技術等等應用。為此，北京華興萬邦首席分析師Sunray Liu走訪了全球液態電子材料和工藝領先供應商Evonik Industries AG，并深入其實驗室和工廠了解和學習了采用液態技術來制作薄膜晶體管的過程和應用。 特有的創新機制推動液態電子技術的產業化 Evonik Industries AG在國內也被稱為贏創工業股份有限公司，它是德國第三大化工公司，專注于研究生產各種特色化工產品。該公司研發中心位于德國馬爾（Marl）市，2013年營業收入為127億歐元。該公司擁有獨特的創新之道，一是對公司認定的未來科技可以進行長期大規模投入；二是通過不斷的兼并收購，整合各種新技術資源；第三該公司有一套獨特的孵化機制，為內部技術創新組織設立了從內部“孵化中心”到“應用中心”再到業務單元的全方位創新支持系統。 而這種可大規模產業化制作薄膜晶體管的電子油墨和相關工藝就是Evonik持續投資10年研發出來的成果。2004年，Ralf Anselmann博士離開Merck公司加入了Evonik，帶領團隊在Evonik內部建立了“納米電子——科學到業務孵化中心（Science-to-Business Center Nanotronics）”，該中心專注于研發可印刷電子技術、低成本柔性太陽能電池、透明導電薄膜以及智能涂布技術等項目。 
圖一：Evonik涂布與添加劑事業部電子解決方案副總裁Ralf Anselmann博士 相關研發工作進展順利，于是在2012年上半年，Anselmann博士又帶著其20多人的團隊從科學到業務孵化中心“畢業”，進入Evonik的涂布與添加劑事業部，成為了公司業務單元的一個部分而開始產品化和市場化的工作。團隊的研發工作重點也加上了各種應用工藝和材料的研發，Anselmann博士的身份也從科學家轉為涂布與添加劑事業部負責電子解決方案的副總裁，開始了全球首批液態電子材料與工藝的產業化進程。 2013年，Evonik在當年的國際顯示器大會（IDW 13）上發布了一整套品牌名為iXsenic的全新金屬氧化物半導體油墨、以及相關的液態電子加工工藝，并展示了全球第一款背板驅動電路采用半導體油墨制造的4吋QVGA主動式有機發光二極管（AMOLED）顯示屏，同時也有臺灣平板顯示廠商展示了基于該技術的先期產品，這代表了iXsenic的液態半導體技術開始進入商用期。 iXsenic系列材料和工藝可以幫助電子器件制造商開發各種薄膜晶體管（TFT），可用于液晶顯示（LCD）、有機發光二極管（OLED）、柔性顯示器、觸控面板和其他印刷電子產品。現在iXsenic系列材料已可實現薄膜晶體管和其他薄膜器件的半導體層（iXsenic S）、鈍化層（iXsenic PV）、介電層（iXsenic D）和刻蝕阻擋層（iXsenic ES），以及黑色矩陣油墨（iXsenic BM）。由這些材料制作成的TFT擁有優異的性能，如Evonik已經可量產的iXsenic S的電荷載流子遷移率在通常情況下可達到15cm ^2 /Vs，在理想的條件下可到達60cm ^2 /Vs。
圖二：采用Evonik的iXsenic系列材料制作的薄膜晶體管分層結構 液態半導體材料和工藝的優勢與應用 在Evonik位于德國馬爾市的實驗室和小型工廠內，我們看到了整個納米級薄膜晶體管的“印制”過程。實驗人員在玻璃基板上點上半導體油墨并用離心方法實現均勻涂層，然后在一定的高溫環境中實現材料固化和性質變化，再借助類似于半導體光刻的技術刻蝕出相應的圖形，反復使用不同的油墨和類似的工藝方法，就可以批量生產出包括核心的半導體層和相應的鈍化層、介電層和刻蝕阻擋層的各種薄膜晶體管。 “液態半導體材料和工藝代表了可印刷電子的下一個發展機遇，我們創新的iXsenic系列材料和工藝帶來了巨大的成本降低和靈活性。” Evonik涂布與添加劑事業部電子解決方案副總裁Ralf Anselmann博士表示：“值得注意的是，整個生產過程不需要傳統半導體制造中化學氣相沉積（CVD）和濺射（Sputter）工藝所需的真空設備和真空準備時間，從而節省了資本支出并提高了效率；同時，Evonik還可以通過為客戶定制相應的材料成分和工藝，為客戶的薄膜晶體管產品提供差異化的性能和巨大的靈活性。”
圖三：在Evonik工廠里開發的第二代平板顯示背板TFT陣列 為了推動iXsenic系列液態電子材料和油墨的應用，Evonik首先瞄準了包括TFT液晶和OLED在內的各種平板顯示器件和觸摸屏，并與業內各大廠商及科研機構展開了廣泛的合作。亞洲是該公司產業化的重點，繼在上海開設了可針對iXsenic提供相應支持的辦公室后，Evonik于2014年6月在臺灣開設了應用技術中心（ATC），該中心的目標對象是亞洲的平板顯示行業，不僅設有潔凈室等設施，而且還與臺灣工研院合作，使用后者的一條2代平板顯示器件生產線為客戶進行測試和試產。 未來更多的創新與應用 Anselmann博士認為液態電子材料與工藝的產業化應用才剛剛開始，未來存在著巨大的發展空間。首先液態電子材料的種類、性能和應用方向還有巨大的開發空間，未來的一些新材料將帶來全新的技術與應用，如在透明玻璃基板上的顯示器件或者傳感器、可與硅器件性能相當的薄膜器件和高性能柔性電子產品等等。 其次，從液態電子材料到薄膜晶體管，更多全新的加工工藝將會在不遠的將來出現，目前的加工方式都基于效率已經大大提升的涂布工藝，但是未來有望發展到真正的印刷工藝，屆時不僅可以生產更加精密的薄膜晶體管，而且還將帶來更高的生產效率和材料利用率，并大幅度降低生產成本。 在交流結束之際，Anselmann博士與華興萬邦分析師Sunray Liu談及了液態電子材料和可印刷半導體技術的未來機遇，大家都認為微機電系統（MEMS）近年來取得的巨大成功，為采用更新材料與液態工藝的半導體技術揭示了一條光明的發展之道。它們不僅可以與現有的半導體和電子技術有更多的互補與融合，而且還是一種可以構建更多全新器件結構和功能的基礎材料與技術。 Anselmann博士表示：近年來快速發展的中國電子產業的創新能力得到了不斷提升，Evonik希望與領先的中國廠商合作開發更多的創新器件及應用，中國廠商強大的應用創新能力，加上Evonik在成熟的材料與工藝組合上的定制與創新，將為合作雙方帶來巨大的發展空間。 （作者：北京華興萬邦管理咨詢有限公司首席分析師 Sunray Liu） |
