2.4.1 金属箔片衬底

1997 年，普林斯顿大学首先开始研究在金属箔片上制作电子器件，至今已在金属箔片上完成了各式的逻辑IC及CMOS的制造及电路整合研究。里海大学近年来全力发展金属箔片上的TFT 器件性能研究，所得到的器件性能更为优良。金属箔片是用金属延展成的薄金属片，当金属箔片薄至0.1mm以下时，就能表现出优异的柔性。金属箔片衬底与其他衬底的性能比较如表 2-7所示。

金属箔片作为柔性衬底具有以下优势。

（1）金属箔片的耐高温性能远高于塑料与玻璃，可承受的温度在 1000℃以上，一般的半导体制作过程的温度皆低于此温度，而且其热膨胀系数很低，比聚合物材料更接近玻璃的热膨胀系数，所以采用金属箔片衬底可以有效解决TFT制作工艺中的高温问题。

（2）金属箔片阻水氧特性良好，根本不存在水汽和氧气渗透的问题。鉴于水汽、氧气特别容易引起有机材料劣化导致发光器件性能衰退，所以金属箔片特别适合用作柔性OLED显示的衬底材料。

（3）金属箔片采用不锈钢材料，其耐化学腐蚀性及稳定性比聚合物材料更好，不用担心工艺制程中化学溶剂对柔性衬底的腐蚀，较少出现变形和老化等问题，所以用金属箔片制作的柔性显示器件的使用寿命更长。

（4）聚合物及玻璃都是非导体材料，在卷对卷制作过程中易产生静电效应，而金属箔片不容易产生静电效应，更适合卷对卷制程。

（5）在材料成本方面，目前铝、不锈钢等金属箔片的价格远低于特殊耐高温的塑料材料，价格约为塑料的1/3，材料获取也更容易。

如图2-22所示，金属箔片的表面粗糙度在0.6μm左右，要在这样的表面上制作 TFT 器件几乎不可能。如果金属基板表面粗糙度太高，材料表面高低落差太大，会影响器件的性能，降低其寿命，甚至导致器件制作失败。所以，即使金属箔片有众多优点，但实际应用及发展要比其他的材料都慢。因此，解决金属箔片表面粗糙度的问题，是金属箔片取代聚合物或玻璃衬底制作未来柔性显示的关键因素。

利用金属箔片制作TFT阵列，首先需要对金属基板表面进行抛光处理以降低金属表面的粗糙度，代表表面粗糙度的均方根（RMS）的值可以从几百纳米降低到几纳米，同时金属表面可以形成多势垒结构。降低金属表面的粗糙度不仅可以清洁金属表面，使随后的光刻步骤相对容易，而且形成的多势垒结构可以有效防止金属基板和栅极金属之间寄生电容的产生。在完成金属表面的抛光处理后就可以利用传统的工艺制作TFT阵列，TFT阵列完成之后就可以继续完成柔性显示器件的后续工艺。

一般情况下，用金属箔片作为衬底制作柔性显示器件之前，会先在金属箔片表面镀上一层 SiO_x作为缓冲层，以绝缘金属箔片，覆盖粗糙的表面使其平坦，以及避免金属箔片本身的金属离子向显示器件内部渗透。但是，此方法存在几个缺点：①为了确保缓冲层可以覆盖所有表面的缺陷，缓冲层厚度要达到约5μm，这会大大增加制作过程的时间及成本；②SiO_x缓冲层镀得越厚，显示器件的可弯曲特性越差；③金属材料表面的平坦度不够，仍存在凸起，可能会影响显示器件的光电特性。

为了降低金属箔片的表面粗糙度，通常采用传统的机械研磨抛光技术。以不锈钢薄板材料为例，经过机械研磨抛光后表面粗糙度至少降至0.02μm以下才能作为柔性衬底，否则过高的粗糙度可能会影响器件的性能及产品的合格率，如图2-23所示。但采用传统机械研磨抛光对超薄金属材料进行抛光会出现易皱折的问题，而且对大面积的金属箔片表面抛光存在时间久、均匀度难以控制的问题。

电化学抛光（Electro Chemical Polishing，ECP）技术可以避免机械研磨抛光的这些缺点。ECP是指在合适的电解液中以要抛光的金属为阳极，利用金属表面凸起处的尖端放电作用使得凸起处金属的溶解速度快于凹陷处的特点，经过一段时间的处理使得金属表面的粗糙度得以改善。ECP 技术是无应力的抛光，理论上可以处理超薄大面积的金属材料而不会产生应力残留及皱折的问题。经过ECP处理的超薄金属材料表面粗糙度小于0.02μm，且均匀度很高，可以达到目前LCD所使用的玻璃基片的粗糙度规格。同时光滑的金属材料表面可以降低缓冲层的厚度，理论上可以小于 1μm。ECP 技术还可以对不锈钢材料产生表面钝化的作用，使其耐化学侵蚀的性能更好，这是一般机械研磨抛光无法比拟的。

UDC与E-Ink公司已采用金属薄片分别作为OLED和电泳式电子纸的背板。为避免生锈，通常选择不锈钢作为金属箔片，此外金属箔片表面仍需要覆盖绝缘层以避免短路。虽然金属箔片比超薄玻璃有更大的弹性，但仍不适合制作动态弯曲或卷曲的应用。