TFT-LCD产业用溅镀靶材市场分析及技术开发

我意江湖 · 发表于 2006-4-21 18:05:02

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随着全世界平面显示器需求不断成长的趋势下，台湾的TFT-LCD平面显示器产业经过过去几年之努力，已有不错之成绩；基本上，平面显示器在生产过程中有许多薄膜制程，相对的，相关溅镀靶材之需求也将随之成长。台湾在平面显示器的发展模式与过去之半导体代工产业雷同，都是以购买国外原物料、原设备开始发展，透过台湾良好之制程管理降低成本，才能在世界高科技产业舞台占有一席之地。然台湾之平面显示器产业历经过去一年来韩国产品不断降价之压力下，尽管出货量并未有大幅度的下滑，但在获利率方面已受到严重之压缩。其中最大的关键在于台湾在相关原材料产业之发展脚步上较日本、韩国为晚，相关重要零组件过度依赖日本。以平面显示器所必须使用之氧化铟锡(ITO)溅镀靶为例，目前韩国及台湾仍以使用日本相关产品为主，而韩国三星公司即于2000年向日本住友公司技术引进其生产技术，建立一年产30吨之产线，以期降低对日本之依赖。本文即针对TFT-LCD平面显示器相关溅镀靶材需求、发展作一简单之介绍。

平面显示器的发展趋势
近几年来，台湾已逐渐成为世界3大平面显示器生产王国之一。根据日本电子及通讯工业技术协会(Japanese Electronics and Information Technology Industries Association，JEITA)之统计及预测，CRT及其它平面显示器(Flat panel Display，FPD)在2000年分别有2.5兆及2.2～2.5兆日圆之市场；而到了2005年则将分别有2.8～3.0兆及5～7兆日圆之产值。届时，CRT显示器在产量上将小幅领先其它平面显示器，但产值将为其它平面显示器所超越。然而在2005年各类平面显示器中，LCD仍将保持期最大市场占有率，其产值将高达4.6～5.8兆日圆，主要应用于笔记型计算机、桌上型计算机显示器及行动电话等。同时，日本Sharp公司也预测在2005年，FPD之市场值将高达7.7兆日圆。其中各种平面显示器之占有率分别为TFT-LCD：66%；STN-LCD：10%；PDP：19%；有机EL：3%。
以显示器之应用别统计，日本JEITA之预测如表一。



[表一]

在平面显示器(FPD)相关产业方面，可大致分为(1)材料产业；(2)制程设备产业；(3)检查设备产业等3大部分。以2000年为例，材料产业之产值约占了FPD总产值之64% (约为6,500亿元日币)，而制程设备的产值约占了30%，因此可见相关材料产业在平面显示器中所占有之份量。

TFT-LCD液晶显示器的市场与机会
在TFT-LCD产能方面，一般预测日本之占有率将从2000年之50.7%下滑至2005年之30.6%；而台湾之市场占有率将从2000年之15.7%成长至2005年之28.7%；韩国则约略保持相近之占有率。表二为以TFT-LCD生产地区区分的生产能量预测。



[表二]

在TFT-LCD面板价格方面，由于在产能上的供过于求，目前面板价格仍处于下滑之趋势；而在市场上，首先发动价格战的则属1999年韩国TFT-LCD面板厂对于13.3吋XGA LCD所进行的策略降价，使得其它面板厂也不得不陆续进行降价以稳住市场之占有率。以15吋TFT-LCD面板为例，其价格在2001年4月已降至250～300美金 / 片，较前一年之价格已大幅缩水53%，表三即为日本对TFT-LCD面板价格之预测。

[表三]

在面板尺寸方面，中小尺寸之TFT-LCD将持续成长，其原因在于数字相机、数字摄影机、PDA及行动电话之应用将大幅成长。以应用别分类，对于TFT-LCD在2000 ~ 2005年之市场分配预测如表四所示。



[表四]

在TFT-LCD的制造成本中，材料约占了50%，一般而言可将TFT-LCD之成本细分如表五。

[表五]

因此，要降低TFT-LCD之成本，唯有从材料成本着手，而这也是台湾在进入世界三大LCD生产王者之列时所必须面对的挑战。
以LCD彩色滤光片(Color Filter)为例，其在TFT-LCD面板之成本中约占30%，为一项极为重要之材料。根据统计，2000年全世界在LCD彩色滤光片之总产值为1,200亿元日币。由于其成本对于面板生产者而言十分重要，因此，有许多面板厂家(如Hitachi、Tottori Sanyo Electric、Kyocera及Seiko Epson等)甚至投入彩色滤光片之生产以供应本身之使用；而此类厂家(In-House Production)之生产量从2000年之35%将成长到2005年之40%。以10吋TFT-LCD所使用之彩色滤光片为例，其价格从1994年的12,000日圆一路下滑至2000年的4,000日圆，其中材料成本即占了2,000～3,000日圆；由此可见，在面板价格(或彩色滤光片价格)逐渐下滑的趋势下，材料成本之比例将逐渐上升。相同的，将10吋TFT-LCD彩色滤光片之材料成本分解，其中玻璃占30%、彩色光阻剂占20%、BM层薄膜占20%、ITO薄膜材料占20%。

平面显示器之相关溅镀靶材
文中所谓平面显示器包括了：(1)液晶型显示器(LCD)；(2)电激发光显示器(EL)；(3)等离子体显示器(PDP)；(4)场发射显示器(FED)。目前除了传统之阴极射线管(CRT)显示器外，虽然市场上主要以液晶型显示器为主，但在显示器庞大之市场诱因及对显示器要求愈来愈高的趋势之下，其它新一代显示器之研发仍持续不断进行；但不管如何，不同的显示器仍会有不同薄膜材料之需求，表六即列出了不同显示器所使用之不同种类溅镀靶材。



[表六：不同显示器所使用之不同种类溅镀靶材]

目前，在平面显示器市场(FPD)中仍以液晶型显示器(LCD)为主(超过85%)，以主动型LCD(AMLCD)为例，其所使用之镀膜材料及其结构如图一所示。



[图一：AMLCD所使用之镀膜材料及其结构图 (注：图中浅色部分系以溅镀方式成膜)]

以所有平面显示器所使用之溅镀靶材做一统计，其使用量如表七所示。
表七中之溅镀靶材使用重量系根据镀膜面积计算而得，若依目前一般溅镀机对于溅镀靶材料使用率约为25 ~ 30%计算，则溅镀靶之生产重量约为表中所述之3 ~ 4倍。以2004年为例，平面显示器将使用900吨 ~ 1,200吨之溅镀靶材。



[表七：平面显示器产业中使用溅镀靶材之总量统计及预测]

若将全世界在平面显示器产业用溅镀靶材依各种不同型式之显示器种类区分，则如表八所示。



[表八：平面显示器产业中使用溅镀靶材之统计]

若将全世界在平面显示器产业用溅镀靶材依各种不同材料种类区分，则如表九所示。



[表九：平面显示器产业中使用溅镀靶材之统计]

材料与制程的新发展
以TFT-LCD为例，相关之溅镀靶材有：
(1)电极层用溅镀靶(铝合金、钼、铬)
(2)BM层使用之溅镀靶(铬、铜合金)
(3)透明导电层溅镀靶(氧化铟锡ITO、氧化铝锌AZO等)。

电极层用溅镀靶
目前一般TFT-LCD相关厂家大都使用铝-硅-铜(Al-Si-Cu)、铝-钕(Al-Nd)及铝-钽(Al-Ta)溅镀靶作为薄膜之溅镀源。其中最大之考量在于其较低之薄膜电阻外，在材料之选用上尚需考虑该薄膜在经过后续热处理时不能产生表面之突起物(Hillock)，而这也是各个溅镀靶制造公司在研发时最重要的指针。台湾目前TFT-LCD产业中，已从早期使用铝-硅-铜材料，至目前已逐渐改用薄膜品质较佳之铝-钕及铝-钽材料。然因其原料中之钕及钽属于稀有金属，单价较高，因此，如何开发较低价之材料系统变成为此类溅镀靶之开发重点。以日本三井矿业公司(Mitsui Mining & Smelting)为例，该公司及开发出铝-碳-锰系列之溅镀靶，代号为ACX合金(Al-1.5 at%C-1.5 at%Mn)，并已申请专利。

BM层溅镀靶
目前在TFT-LCD产业制作BM层之过程中，仍以使用铬(Cr)作为材料，然而因为铬元素对环境之污染问题，使得改用其它对环境较无害之BM材料变成为重要之研发方向。目前日本之Furuya公司即发展一系列铜合金材料，藉由添加元素之调整，希望有朝一日能取代铬作为BM材料。

透明导电层溅镀靶
目前在TFT-LCD产业所使用之透明导电层仍然以氧化铟锡(ITO)为主。以溅镀靶生产厂家而言，其最大之研发目标有(1)超高密度化，(2)溅镀靶大型化，(3)其它替代性材料系统开发等3大主轴。以超高密度化而言，目前日本相关厂家之溅镀靶烧结密度大都已经高达相对密度98%以上，甚至有所谓超高密度(99%相对密度以上者)之ITO溅镀靶；在溅镀靶大型化方面，目前尺寸已高达980 x 11500 mm以上。而随着显示器用LCD面板尺寸逐渐增大之趋势下，其所需之ITO溅镀靶尺寸也必须随着增加；在替代材料方面，由于铟(In)属于一种昂贵之战略材料，在地球之存量有限，目前之研发以氧化铝-氧化锌系列(Aluminum-Zinc Oxide，AZO)最为被看好。另外，在薄膜制备技术方面，有许多研究也朝向ITO低温成膜或以其它较溅镀(Plasma Sputtering)成本低的制程着手，例如日本之住友金属(Sumitomo Metal Co.)即于数年前开始研发奈米级氧化铟锡粉末，其最大目的即在发展一种以奈米级氧化铟锡粉末制备喷涂浆料以便有朝一日取代溅镀制程制备ITO薄膜，目前该公司在研发上已有不错之成绩，并已产生不少专利。