In-Cell触摸屏用掩膜版技术介绍

深圳清溢光电股份有限公司张平

一、前言

据DisplaySearch数据显示，2011年主要的触控传感器，包含电阻式、投射式电容、单片式投射式电容（sensor-on-cover）和面板内嵌式投射式电容（On-Cell）触控感应器的总产量为960万m2，较2010年的580万m2取得了66%的年增长率。NPD DisplaySearch预测，2012年触控感应器将达到1300万m2，并将于2014年上升到1640万m2。触摸屏2011年产值达130亿美元，比上年增长90%，估计2017年将成长到239亿美元。DisplaySearch新兴显示技术研究副总Jennifer Colegrove博士指出：“简易化投射电容触控的设计有两种方式，一种是表面玻璃整合触控（Sensor-On-Cover or Called One Glass Solution），另一种是面板内嵌式触控（In/On-Cell），In-Cell技术的新工艺，可以将触摸屏传感器真正整合到LCD屏幕里，因此使屏幕减少一层，使终端应用更加轻薄化。美国商标暨专利办公室（U.S. Patent and Trademark Office，USPTO）在2012年8月通过了苹果于2007年所申请的In-Cell概念专利，将感应功能嵌入显示器中，苹果最新的iPhone5使用了In-Cell设计，以减少iPhone厚度。一体化触摸屏技术比较如图1所示。

二、In-Cell触摸屏用掩膜版技术与相关设备

1. 掩膜版

如表1所示，随着触摸屏产业的扩大发展与玻璃基板的大型化，掩膜版尺寸也逐步大型化。中尺寸（450mm×500mm～800mm×960mm）主要以On-Cell触摸屏为主，掩膜版基材使用苏打玻璃制作。In-Cell触控制程则进一步整合于显示面板内，即彩色滤光片（Color Filter）玻璃与TFTArray玻璃合起来的Cell内。全新的In-Cell技术由于减少了透明区域造成开口率下降，因此需要更强背光，增加了电耗；Color Filter与Array上增加元件影响面板寿命；增加掩膜版数量及制程会导致面板良品率下降，In-Cell技术对掩膜版有较高要求，而根据In-Cell工艺要求，主要是大尺寸（700mm×800mm以上）石英材料要具有膨胀率小和透过率高等特性。为提高触摸屏的性能及效率，对掩膜版的线路设计、CD、TP精度、缺陷控制和缺陷修补的要求将更加精细。目前部分日本厂商已将In-Cell良品率从40%提升到80%，具备量产水平。

以下是具体的制造流程和检测流程：数据转换→光刻→显影→刻蚀→脱膜→精度测量→初始清洗→缺陷检测→缺陷修补→再次清洗→最后检查→包装出货。

掩膜厂商具备In-Cell用掩膜版技术与量产能力，需要具备光刻、显影、蚀刻、精度测量、清洗、缺陷检测和修补的能力。In-Cell用掩膜版的产品标准与Color Filter和Array用掩膜版的标准基本相同，如表2所示，如CD控制在0.3µm。

2. 掩膜版光刻设备

目前瑞典厂商推出的大型光刻机系列可用于In-Cell和On-Cell触摸屏用掩膜版的制作。

3. 掩膜版后处理技术与设备

完成光刻工序后，需要对半成品进行显影、蚀刻和清洗等处理。中小尺寸On-Cell采用人工化学处理方式可以达到产品标准，而大尺寸On-Cell和In-Cell用掩膜版由于产品精度、缺陷控制和表面洁净度要求非常高，因此需要掩膜供应商在显影、蚀刻及清洗工序采用专业自动化的处理设备，而处理工艺则需要掩膜供应商大量实验的摸索工艺公式和调试程序，形成工艺know-how，指标方能达到稳定量产的要求。

4. 掩膜版缺陷检查技术与设备

触摸屏用掩膜版检查设备主要是采用Lasertec公司的掩膜版缺陷检查设备以及大型光罩使用的基板缺陷检查设备。以51MD为例的检出感度为0.75µm，检查每一枚700mm×800mm掩膜版约需1.9h，此设备能满足In-Cell用掩膜版检查要求。

5. 掩膜版测量技术与设备

触摸屏需要用4～6张掩膜版进行套合生产，In-Cell用掩膜版主要是与TFTCF或ARRAY及AM-OLED面板进行套合，借此掩膜版厂商需要具有CD和TP测量功能的设备，确保产品的CD和TP标准能够符合要求。国际掩膜版厂商采用瑞典TP设备进行TP测量可以达到要求。CD测量设备需要达到0.3µm的CD精度要求，目前清溢公司自己研发的第二代CD测量设备已经用于高精度CD测量生产，实现国产化。

6. 掩膜版修补设备

从良品率角度考虑需要对掩膜版的针孔、凹陷、黑点和毛刺等缺陷进行修复。关于缺陷修补技术，国内部分厂商采用人工金属修补方式进行缺陷修补，优点是成本低，缺点主要是修补均匀性、阻旋光性能和耐清洗能力差，人工金属修补可以用于中小尺寸On-Cell掩膜版。大尺寸On-Cell和In-Cell用掩膜版厂商均采用LCVD设备进行缺陷修补方能达到0.45µm（补）0.2µm（修）的品质标准。目前清溢公司采用自主研发的第二代LCVD修补设备已经用于大尺寸On-Cell和In-Cell用掩膜版修补，实现国产化。

三、总结

生产LCD屏时，触摸屏、CF和Array基板用的掩膜版，需要4～6道；触摸屏与Array、CF或AM-OLED基板组合用的掩膜版，则需要4～8道。因此，量产大尺寸LCD屏产品的过程中，大约共需使用8道的掩膜版。中国大陆地区具备生产中小尺寸On-Cell用掩膜能力的厂商有多家，部分厂商如达到生产大尺寸On-Cell和In-Cell用掩膜版技术与生产能力，则需要加大工艺技术开发和购置配套设备，以此提升中国掩膜版产业的整体产能和技术水平。