高世代TFT-LCD玻璃基板生產工藝對比及國內產業化發展展望

張啟良，靳 松

（1.蚌埠中光電科技有限公司，安徽蚌埠 233030；2.中建材（合肥）新能源有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，薄膜晶體管液晶顯示器）是一類帶有被動發光特性的顯示器件，該器件是將液晶注入并封存在兩個玻璃基板的中間位置并通電，利用電壓讓液晶顯示出畫面。與其他顯示器件（CRT、PDP、LTPS等）相比，TFT-LCD的能耗數值小、分辨率高、使用壽命長，優勢顯著，是當今全球最為上主流的顯示技術。TFT-LCD的關鍵核心材料之一為TFT-LCD玻璃基板，其生產工藝主要有兩種，一種是以美國康寧為代表的溢流下拉法（Over-FlowProcess），另一種是以日本旭硝子、中國建材集團為代表的浮法（Float Process）。其生產工藝、建設成本、市場適用有著較大的不同。

1 TFT-LCD基板應用概述

信息顯示產業是現代工業、生活中不可或缺的技術之一，從20世紀80年代CRT顯示技術發明以來，信息顯示先后經歷了TN/STN、PDP、TFT-LCD、OLED、AMOLED 等不同時代，每一代顯示產品都離不開玻璃材料。以TFT-LCD為代表的新型顯示技術發展于20世紀末期，首創采用大規模半導體集成電路制造技術生產的一種顯示面板。TFT-LCD核心材料包括液晶、玻璃基板、偏光片、濾光片等，其中TFT-LCD玻璃基板成本可以占整個部件的50%以上。該材料制造難度大、工藝要求高、投資資金重，為典型的資本、技術雙高產業，目前僅有美國、日本及中國能夠自主生產，代表了現代玻璃工業規模化制造的最高水平，被譽為玻璃領域“皇冠上的明珠”。

2 國際、國內玻璃基板行業現狀

我國顯示產業投資速度彎道超車、異軍突起，液晶顯示面板一度成為國內名列于芯片、石油、鐵礦石之后的第四大進口產品，預計到2020年末國內高世代TFT-LCD玻璃基板需求量約3億m2，所需缺口依然全部依賴進口，嚴重威脅產業安全。我國研制TFT-LCD基板起步較晚，2008年才有第一塊合格的基板誕生于咸陽，但后起彎道超車，已經能夠實現6代及以下的基板玻璃規模化生產，到2019年已有中國建材、彩虹集團兩條8.5代玻璃基板線點火投產，打破國外壟斷、實現自主生產勢在必行。

3 TFT玻璃基板的技術特征

TFT-LCD的核心制程是通過濺射、沉積、曝光和刻蝕等工藝在基板的表面形成透明導電膜、半導體膜等，再通過光刻形成微米級電路和圖形。為滿足TFT-LCD制程要求，TFT玻璃基板與普通玻璃材料相比其性質和質量要求異常嚴苛，體現在表面外觀指標、熱學性能、力學性能、化學/電學穩定性、光學性能等方面。

3.1 化學組成及熔化要求

TFT-LCD玻璃基板成分區別于普通鈉鈣玻璃，是高鋁無堿的硼硅酸鹽玻璃，加入少量的SnO2、ZnO、ZrO2等，特殊的成分導致該玻璃原料料性短、粘度大、極為難熔，因此生產玻璃的熔窯耐溫較之普通玻璃熔窯高100～200℃，除天然氣加熱外還需電輔助加熱系統，對熔窯的整體要求遠高于普通玻璃產線；為減少玻璃中氣泡等雜質，滿足內外缺陷小于微米級的要求，生產過程中需要通過鉑金進行二次加熱攪拌均化操作；鑒于料性短，在成型階段需要進行極其精確的溫控，才能形成需要的厚度和理化性質；退火也需要進行精密溫控，消除玻璃內應力。

3.2 代次規格及尺寸精度

玻璃基板按照尺寸大小劃分為4.5代（7.3m×9.2m）、6代（13.7m×17.7m）、8.5代（2.2×2.5m）及10.5代（2.94m×3.37m），其中8.5代及以上尺寸又稱為高世代基板玻璃。自從90年代初國內第一片玻璃基板問世，到2000年上半年玻璃基板的面積已經擴大到了4.5代，2019年國內8.5代玻璃基板已投入生產，國際上10.5代也由康寧開始規模化生產。玻璃基板的尺寸越大，帶給下游面板廠商的利潤空間也就越大，是目前玻璃基板發展的主要方向。

3.3 熱/化學穩定性及強度

玻璃材料的熱穩定性主要包括熱收縮、熱膨脹系數和耐熱性。在面板的制程中，基板需要經過反復的加熱、降溫處理，最高溫度可達625℃，TFT-LCD基板必須要在這一溫度下無形變、不粘滯，基板須高出25℃的保險量，一般應變溫度在650℃之上；熱膨脹系數與硅相匹配，為（30～40）×107℃；化學穩定性包括耐酸堿腐蝕，在經歷面板制程的各種蝕刻后不產生干擾薄膜沉積的殘留物；基板厚度一般為0.5mm左右，對其機械強度的要求比蓋板玻璃更高。

4 主流生產工藝介紹及對比

目前國際主流的生產工藝主要有溢流下拉法和浮法兩種，兩種主流工藝在廠房結構、拉引方式、成型原理、表面質量（后加工難度）、面積大小等方面區別較大。

4.1 廠房結構及建設成本

溢流下拉法是垂直工藝，采用重力使得熔融玻璃液水平方向拉出在溢流槽底端匯合均勻下引，其成型過程中玻璃液兩面均接觸空氣，表面性質極佳無須經過研磨拋光等處理即可直接用于面板制程，被國際公認最為適合的工藝方法。浮法是采用液態錫液和玻璃液比重不同浮式成型，錫面需進行研磨拋光，需要匹配后加工生產線方可生產出合格的產品。溢流法廠房為多層結構，窯爐在頂層，一般日拉引量在8～20t；浮法廠房一般為單層，整條產線為水平向前的方向，日拉引量可以做到30～70t。從經濟性來說，一條日熔化量30t的浮法線約需20億元左右建成，一條10t的溢流線建設成本約為8億元左右。從總產能來看，浮法優于溢流法。

4.2 拉引方式及成型原理

早在20世紀30年代，美國L.O.F.Glass Company就通過溢流法工藝進行玻璃的生產，70年代美國康寧公司研制出溢流熔合裝置，20世紀80年代建成第一條工業化生產線，美國擁有最為成熟的溢流法工藝技術及專利池。該種工藝是將熔融玻璃液通過鉑金通道澄清后，導入溢流槽，從頂部溢出后均勻順邊部斜面流至底部融為一體，利用重力和拉引輥向下牽引拉動成型。

圖1 溢流法工藝

比之溢流法，浮法工藝在目前玻璃生產應用更加廣泛。日本AGC公司20世紀90年代將浮法方式應用于基板的制造，中國于2000年初利用此種工藝方式也實現了基板的制造，目前中國建材集團已經可以利用浮法工業化生產8.5代基板。相對比溢流法，浮法生產出來產品板面寬、產能高；退火工藝參數控制精密，玻璃殘余應力低、再熱收縮率低，而缺陷主要是成型玻璃下表面與錫液接觸，表面性質略差，需要進行研磨拋光方可滿足下游面板工藝制程要求。從產品質量上來說，在控制好研磨拋光的情況下，兩種方式均可以產出合格品。

圖2 浮法工藝

5 展望

目前全球面板廠向中國聚集，中國大陸目前已建成在產8.5代及以上面板線21條，集合了全球60%以上的面板生產產能，年需高世代TFT玻璃基板3億m2以上。中國自20世紀60年代發明洛陽浮法工藝用于玻璃生產以來，在浮法工藝上一直列于世界先進，結合環保、產能、經濟效益等方面的要求，中國選用浮法工藝是最為正確的選擇，同時也能夠規避美國的技術壁壘，未來國內TFT-LCD玻璃基板的發展必然是選用浮法工藝路線。

大尺寸化、薄型化也是TFT玻璃基板發展的必然趨勢，目前國內已由中國建材生產出世界上最薄的0.1mm超薄玻璃，具備繼續進行技術攻關達成TFT工藝水平的條件；中國應在具備優質高效的前工程工藝的基礎上，繼續優化料方，開發玻璃表面在線高精度研磨設備，提高產線智能化水平，提高后加工對于前工程產能的匹配性，發揮浮法工藝優勢，徹底打破壟斷，實現這一高端材料的自主生產。