显示背板工艺 #01 — 屏幕背后的半导体：什么是背板

点亮智能手机屏幕的瞬间，数百万个像素各按既定亮度一齐发光。是谁在告诉每一个像素"你现在要亮这么多"？承担这项工作的电路层就藏在屏幕背后——它就是背板（Backplane）。

本文是「显示器背板工艺」系列的第一篇。我们将按照真实晶圆厂（Fab）的工序顺序，从基础讲起，走一遍在玻璃板上制造数百万个肉眼看不见的晶体管的制造工艺。所有内容都只涉及任何人都能在公开资料中核实的层面——教科书、论文、专利、百科全书——并在每篇末尾留下实际出处。

把屏幕放大来看

您是否曾经极近距离地观察过屏幕？只要一个放大镜，甚至一滴水，屏幕的真面目就会显露——看似平滑的画面，其实是红、绿、蓝三色微小发光单元密集排列的格栅，即子像素（sub-pixel）。

放大后显现的子像素格栅。照片：Wikimedia Commons (Politelyinsulting, CC BY-SA 3.0)

常见的 FHD 分辨率（1920×1080）就有约 207 万个像素，换算成子像素则约为 622 万个。这数百万个发光单元各自独立地、每秒数十至数百次地改变亮度。这意味着每个子像素至少要配一个开关。

用数字看清难度

"数百万个"这句话很难有实感。按分辨率算出实际数字，背板究竟是什么性质的问题就一目了然了。子像素数为横×纵×3（RGB），分给一行（row）的时间则为 1 ÷（刷新率 × 行数）——因为每一帧都要自上而下逐行扫过整个画面。

分辨率	像素数	子像素数（＝最少 TFT 数）	120Hz 下每行可用时间
HD 1366×768	约 105 万	约 315 万	10.85 µs
FHD 1920×1080	约 207 万	约 622 万	7.72 µs
QHD+ 3200×1440	约 461 万	约 1,382 万	5.79 µs
4K UHD 3840×2160	约 829 万	约 2,488 万	3.86 µs
8K UHD 7680×4320	约 3,318 万	约 9,953 万	1.93 µs

一块 4K 面板里就有 2,488 万个晶体管，到 8K 更是逼近一亿。而填满其中一行所允许的时间只有 四微秒左右。必须在百万分之四秒内把该行所有像素充电到目标电压，然后交给下一行。

为什么这个时间约束会决定材料的选择，一个简单计算就能说明。把一个像素的存储电容取为 0.5pF、所需电压变化取为 5V，则所需充电电流为 I = C × ΔV ÷ t = 0.5pF × 5V ÷ 3.86µs ≈ 0.65µA。数值本身看似很小，问题在于这股电流要由一个几十微米大小的晶体管来提供，而且 2,488 万个全都要一模一样地提供。若材料中电子难以移动，充电就来不及完成，那个像素便会比目标更暗。

屏幕由两层构成

把显示面板从侧面剖开，大致可见两个部分。上方是真正产生光的前板（Frontplane）——OLED 是有机发光层，LCD 则是液晶与彩色滤光片。下方就是本系列的主角背板，即附着在刚才那些子像素上的开关，也就是薄膜晶体管（TFT, Thin Film Transistor）的庞大阵列。其上再覆盖读取指尖位置的触控层和保护画面的盖板玻璃。

"薄膜（Thin Film）"这个名称的由来也在于此。半导体芯片的晶体管是从厚厚的硅晶圆上刻出来的，而显示器的晶体管则是在玻璃上一层层堆叠数十至数百纳米厚的薄膜做成的。晶圆是直径 30cm 的圆片，而显示器用玻璃基板却是边长达 2~3m 的巨大板材。"在巨大面积上、做得极薄、还要数百万个都一样"——这就是背板制造的本质难度。

主动驱动这项发明——谱系

背板这个概念并非一夜之间产生。公开文献可考的谱系已超过六十年。

薄膜晶体管这个器件本身，最早于 1962 年在学术刊物上被系统提出（P. K. Weimer, "The TFT — A New Thin-Film Transistor"）。不去刻蚀晶圆，而是在绝缘基板上沉积半导体膜来做晶体管——今日背板的原型正在此时提出。

把这个器件装到屏幕上则是 1973 年。有报告显示 6×6 英寸、每英寸 20 线的液晶面板由 TFT 阵列驱动（T. P. Brody 等），这就是今天所说的主动驱动（Active Matrix）的起点。所谓"主动"，是指每个像素都拥有自己的开关与存储电容，因而能在轮到下一次之前自行保持状态。在没有开关的被动驱动方式下，行数越多，单个像素点亮的时间就越短，亮度与对比度随之崩塌。上表中"每行可用时间"为何要紧，答案就在这里。

接下来的问题是"用什么来做"。1979 年有报告表明可用非晶硅制作场效应器件（P. G. Le Comber、W. E. Spear 等），从而打开了在大面积玻璃上廉价铺设晶体管的道路，也造就了 LCD 时代。1986 年又有报告用准分子激光瞬间结晶非晶硅、制成多晶硅 TFT（T. Sameshima 等），为 LTPS 打开了大门。而 2004 年，用非晶氧化物半导体在常温下于柔性基板上制成透明 TFT 的成果被报告（K. Nomura、H. Hosono 等），氧化物背板的谱系由此开始。

1962 年的器件、1973 年的驱动方式、1979 与 1986 与 2004 年的三种沟道材料——我们今天使用的屏幕，就立在这五个事件之上。

为什么背板左右画质

尤其 OLED 是电流驱动器件。流入像素的电流大小即为亮度，所以晶体管的供流能力稍有波动，就会直接表现为亮度斑（mura）。LCD 时代晶体管更接近给液晶施加电压的简单通断开关，而在 OLED 中，晶体管还必须充当模拟电流源。要求的层级完全不同了。

误差的性质也不同。若只是开关，只要"开还是关"正确即可，器件间的特性差异很难体现到画面上。但电流源只要阈值电压偏移 0.1V，流出的电流就会不同，而这会变成肉眼可见的亮度差。人眼对大面积上平缓的亮度差尤为敏感，哪怕几个百分点的离散也会被识别为斑。因此 OLED 背板真正的难题，不是单个器件的性能，而是数千万个器件的均匀性。

市场需求又叠加其上。分辨率越高像素越小，刷新率提到 120Hz 则开关时间越短，要省电池则漏电流必须极小。归根结底，在玻璃上造出更小、更快、更均匀、更不漏的晶体管的能力——这就是背板技术的全部。

背板的三代——材料的岔路

背板材料技术大致沿三条路线发展。它们都是公开文献中已整理的业界标准技术，下列迁移率数值是学术综述所报告的代表值（"Excimer-laser annealing for low-temperature poly-Si TFTs," J. Inf. Disp. 4(1) (2003)）。

• a-Si（非晶硅）——自 1980 年代起与 LCD 一同确立的最古老方式。可在低温下轻易做到大面积、成本低，但原子排列无序，电子难以通行（电子迁移率约 0.5~1 cm²/Vs）。对大型电视、显示器级 LCD 至今仍然够用。
• LTPS（低温多晶硅）——用激光把非晶硅瞬间熔化再凝固为结晶的方式。电子迁移率跃升至约 100 cm²/Vs，达 a-Si 的百倍上下，因而能把高速驱动电路塞进小小的像素里。"低温（Low Temperature）"这一修饰语意指在玻璃不会变形的温度（约 600℃ 以下）完成结晶。它是智能手机 OLED 事实上的标准。
• 氧化物（Oxide, IGZO 系）——由铟、镓、锌氧化物制成的半导体。迁移率约 10 cm²/Vs，低于 LTPS 但比 a-Si 高十倍以上，而最重要的是漏电流极小，画面静止时即使暂停驱动，图像也能保持。它正在平板、笔记本与大型 OLED 中扩大版图。

把三种材料的性格并置于一张表，选择的逻辑便清晰可见。

项目	a-Si	LTPS	氧化物（IGZO 系）	LTPO
沟道结构	非晶硅	多晶硅	非晶氧化物	两种沟道并存
电子迁移率（cm²/Vs）	约 0.5~1	约 100	约 10	按部位取上述两值
最早报告	1979 年	1986 年（ELA）	2004 年	2010 年代商用化
均匀性	良好（无序反而整齐）	晶界导致离散大	良好	以混合设计补偿
漏电流	中等	大	极小	保持段由氧化物承担
工艺最高温度	约 300℃ 级	约 600℃ 以下＋激光	常温~350℃ 级	沿用 LTPS 的温度预算
工序步数	最少	最多	中等	多于 LTPS
主要用途	大型 LCD	智能手机 OLED	平板、笔记本、大型 OLED	可变刷新率手机与手表

表中值得注意的是没有任何一种材料在所有栏目上都获胜。LTPS 在迁移率上压倒性领先，却输在均匀性与漏电流上，工序步数也最多。氧化物在漏电流与均匀性上占优，却因迁移率不足而难以在像素内塞入大电路。a-Si 便宜，却胜任不了 OLED 的电流源角色。

于是最新智能手机中出现了把二者在像素内混用的 LTPO（LTPS + Oxide）混合方案——需要高速开关处交给 LTPS，不许漏电处交给氧化物，从而可将刷新率降至 1Hz 以省电的可变刷新率屏幕成为可能。正如表格最后一列所示，LTPO 并非新材料，而是让二者互相填补表中空格的一种布置。如今已是背板材料的选择直接决定产品性格的时代。

本系列以其中工序步数最多、可学之处最丰富的 LTPS 背板制造工艺为主线前行。理解了 LTPS，a-Si 与氧化物工艺自然可作为它的子集或变体来理解。

玻璃为何越做越大

谈背板绕不开基板世代（Generation）。世代升高，意味着一次处理的玻璃板变大。下列尺寸是某专利说明书作为业界惯例列举的数值（US 8,093,136）。面积与倍数则由该尺寸直接计算得出。

世代	玻璃尺寸（mm）	面积（m²）	相对第 3 代
第 3 代	550 × 650	0.36	1.0 倍
第 4 代	730 × 920	0.67	1.9 倍
第 5 代	1100 × 1300	1.43	4.0 倍
第 6 代	1500 × 1850	2.78	7.8 倍
第 7 代	1870 × 2200	4.11	11.5 倍
第 8 代	2200 × 2400	5.28	14.8 倍
第 10 代	2950 × 3400	10.03	28.1 倍

提高世代的理由很简单。一台工艺设备处理一张玻璃所需的时间并不与面积成正比，因此从一张大玻璃上切出的面板越多，单块面板的成本就越低。同一份专利写明，2200×2500mm 级基板可切出 6 块 55 英寸面板，这一点直接计算也能验证——55 英寸 16:9 面板约为 1218×685mm，故 2500 ÷ 1218 = 2 块，2200 ÷ 685 = 3 块，相乘得 6 块。

不过这个计算是忽略了边缘余量与切割余量的上限值。实际产线上玻璃边缘一定宽度无法使用，面板之间的切割线（scribe）也需要余量，因此常常比上述数字更少。所谓选择世代，归根结底是所欲制造的面板尺寸与玻璃尺寸能否整齐匹配的问题。若匹配得不上不下，即使用大玻璃，废弃面积反而增加，得不偿失。

而这份巨大也决定了工艺难度。若一张第 8 代基板切出 6 块 4K 面板，则那一张玻璃上要制造的晶体管约为 1 亿 4,930 万个（2,488 万 × 6）。即使单个器件出错的概率只有百万分之一（1ppm），每块面板平均也会出现约 25 个不良器件。画面正中的 25 个点就意味着不良品。这正是背板工艺被称为良率产业的原因，也是本系列光是清洗就要写三篇（18~20 篇）的原因。

三个常见误解

• "迁移率高的材料一定好"——迁移率只说明电流流得多顺。OLED 像素中真正重要的是数千万个器件有多一致，而迁移率高的 LTPS 反而因晶界而器件间离散更大。所以像素电路里要放入多个补偿晶体管来抵消这种离散。
• "背板是与画质无关的后段"——如果说发光材料决定颜色与效率，那么背板决定的是该材料所能发挥的性能中，实际取出多少。残像、斑纹、低亮度灰阶糊成一团、刷新率可变范围，全都是背板一侧的问题。
• "每个像素一个晶体管"——LCD 大体上一个就够，但 OLED 像素电路为了补偿而由多个晶体管与电容构成。前表把子像素数标注为"最少 TFT 数"正是这个缘故，实际器件数是其数倍。

本系列的地图——9 个阶段，共 20 篇

从玻璃基板投入晶圆厂到成为完工的背板，大致要经过 9 个阶段的工艺。这张地图就是今后整个连载的目录。

• PI 涂布（2·3 篇）——可折叠屏幕的秘密。在玻璃上涂布聚酰亚胺，做出柔性基板。
• 热处理（4·5 篇）——预先把膜中氢排出的准备运动。跳过这一步，下一道工序中膜就会爆裂。
• ELA 结晶（6·7 篇）——用准分子激光瞬间熔化非晶硅、转变为多晶，这是 LTPS 的心脏。
• 掺杂（8 篇）——在硅中植入杂质，刻下晶体管的极性（N 型、P 型）。
• 沉积（9~11 篇）——真空与等离子体的舞台。金属布线与绝缘膜一层层堆叠。
• 光刻（12·13 篇）——用光刻胶与紫外线"像拍照一样"画出电路图案。
• 刻蚀（14~16 篇）——依次讲共通概念与参数、干法刻蚀、湿法刻蚀。按图案削去的技术，以及与腐蚀的搏斗。
• 去胶（17 篇）——把完成使命的光刻胶（PR）干净地剥除。
• 清洗（18~20 篇）——看不见的颗粒决定良率。颗粒为何附着，又如何去除。

先说明一点：第 5~9 项（沉积→光刻→刻蚀→去胶→清洗）并非只走一圈。每做一层布线，这个循环就重复一次。一块背板要让这个轮子转好几圈——因为晶体管的栅极、源漏极、像素电极各自都是独立的层。

这种重复正是前表中"工序步数"一项的实体。更换材料，实质上就是改变这个轮子要多转几圈，而每转一圈就要附加一张掩模、若干台设备、一次检查。LTPS 之所以贵，不在材料费，而在圈数。

连载开篇

每一篇都遵循同样的三段结构。原理（为何需要这道工序）→ 设备（用什么来做）→ 管理要点（现场盯着什么）。在一篇之内把教科书的原理与现场的手感连接起来，这就是本系列的目标。所有内容都止于公开文献的层面，不谈特定公司、产品或生产线，并在每篇末尾留下所引资料的出处。

下一篇将从第一道工序开始——让可折叠屏幕成为可能的 PI（聚酰亚胺）涂布。那是在玻璃上涂一层液体，从而"制造"出基板的故事。

参考资料

• P. K. Weimer, "The TFT — A New Thin-Film Transistor," Proceedings of the IRE 50(6), 1462 (1962)：在绝缘基板上以沉积膜制作晶体管——薄膜晶体管概念的原典
• T. P. Brody et al., "A 6 × 6 inch 20 lines-per-inch liquid-crystal display panel," IEEE Trans. Electron Devices 20(11), 995 (1973)：以 TFT 阵列驱动液晶画面的早期报告——主动驱动方式的起源
• P. G. Le Comber, W. E. Spear, A. Ghaith, "Amorphous-silicon field-effect device and possible application," Electronics Letters 15(6), 179 (1979)：以非晶硅实现场效应器件的报告——a-Si 背板的起点
• T. Sameshima, S. Usui, M. Sekiya, "XeCl excimer laser annealing used in the fabrication of poly-Si TFT's," IEEE Electron Device Letters 7(5), 276 (1986)：以准分子激光结晶制作多晶硅 TFT 的报告——LTPS 的技术起源
• K. Nomura et al., "Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors," Nature 432, 488 (2004)：以非晶氧化物半导体实现常温、柔性 TFT 的报告——氧化物背板的起源
• T. Kamiya, K. Nomura, H. Hosono, "Present status of amorphous In–Ga–Zn–O thin-film transistors," Sci. Technol. Adv. Mater. 11, 044305 (2010)：整理氧化物 TFT 的均匀性、稳定性与大面积工艺现状的综述
• Excimer-laser annealing for low-temperature poly-Si TFTs — Journal of Information Display (2003)：LTPS 与 a-Si TFT 的迁移率比较、ELA 工艺概要——正文迁移率代表值的依据
• US 8,093,136 — Method for manufacturing SOI substrate：说明书中列举了第 3 代至第 10 代玻璃基板尺寸——正文世代表尺寸的依据
• T. Kamiya, H. Hosono, "Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors," Jpn. J. Appl. Phys. 45, 4303 (2006)：非晶氧化物沟道的电子输运机理与器件特性
• Thin-film transistor — Wikipedia：TFT 的结构、历史与按材料的比较
• Low-temperature polycrystalline silicon — Wikipedia：LTPS 概要与工艺流程
• 照片：LCD subpixels — Wikimedia Commons (Politelyinsulting, CC BY-SA 3.0)