高世代TFT-LCD玻璃基板生产工艺对比及国内产业化发展展望

张启良，靳 松

（1.蚌埠中光电科技有限公司，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，薄膜晶体管液晶显示器）是一类带有被动发光特性的显示器件，该器件是将液晶注入并封存在两个玻璃基板的中间位置并通电，利用电压让液晶显示出画面。与其他显示器件（CRT、PDP、LTPS等）相比，TFT-LCD的能耗数值小、分辨率高、使用寿命长，优势显著，是当今全球最为上主流的显示技术。TFT-LCD的关键核心材料之一为TFT-LCD玻璃基板，其生产工艺主要有两种，一种是以美国康宁为代表的溢流下拉法（Over-FlowProcess），另一种是以日本旭硝子、中国建材集团为代表的浮法（Float Process）。其生产工艺、建设成本、市场适用有着较大的不同。

1 TFT-LCD基板应用概述

信息显示产业是现代工业、生活中不可或缺的技术之一，从20世纪80年代CRT显示技术发明以来，信息显示先后经历了TN/STN、PDP、TFT-LCD、OLED、AMOLED 等不同时代，每一代显示产品都离不开玻璃材料。以TFT-LCD为代表的新型显示技术发展于20世纪末期，首创采用大规模半导体集成电路制造技术生产的一种显示面板。TFT-LCD核心材料包括液晶、玻璃基板、偏光片、滤光片等，其中TFT-LCD玻璃基板成本可以占整个部件的50%以上。该材料制造难度大、工艺要求高、投资资金重，为典型的资本、技术双高产业，目前仅有美国、日本及中国能够自主生产，代表了现代玻璃工业规模化制造的最高水平，被誉为玻璃领域“皇冠上的明珠”。

2 国际、国内玻璃基板行业现状

我国显示产业投资速度弯道超车、异军突起，液晶显示面板一度成为国内名列于芯片、石油、铁矿石之后的第四大进口产品，预计到2020年末国内高世代TFT-LCD玻璃基板需求量约3亿m2，所需缺口依然全部依赖进口，严重威胁产业安全。我国研制TFT-LCD基板起步较晚，2008年才有第一块合格的基板诞生于咸阳，但后起弯道超车，已经能够实现6代及以下的基板玻璃规模化生产，到2019年已有中国建材、彩虹集团两条8.5代玻璃基板线点火投产，打破国外垄断、实现自主生产势在必行。

3 TFT玻璃基板的技术特征

TFT-LCD的核心制程是通过溅射、沉积、曝光和刻蚀等工艺在基板的表面形成透明导电膜、半导体膜等，再通过光刻形成微米级电路和图形。为满足TFT-LCD制程要求，TFT玻璃基板与普通玻璃材料相比其性质和质量要求异常严苛，体现在表面外观指标、热学性能、力学性能、化学/电学稳定性、光学性能等方面。

3.1 化学组成及熔化要求

TFT-LCD玻璃基板成分区别于普通钠钙玻璃，是高铝无碱的硼硅酸盐玻璃，加入少量的SnO2、ZnO、ZrO2等，特殊的成分导致该玻璃原料料性短、粘度大、极为难熔，因此生产玻璃的熔窑耐温较之普通玻璃熔窑高100～200℃，除天然气加热外还需电辅助加热系统，对熔窑的整体要求远高于普通玻璃产线；为减少玻璃中气泡等杂质，满足内外缺陷小于微米级的要求，生产过程中需要通过铂金进行二次加热搅拌均化操作；鉴于料性短，在成型阶段需要进行极其精确的温控，才能形成需要的厚度和理化性质；退火也需要进行精密温控，消除玻璃内应力。

3.2 代次规格及尺寸精度

玻璃基板按照尺寸大小划分为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代及以上尺寸又称为高世代基板玻璃。自从90年代初国内第一片玻璃基板问世，到2000年上半年玻璃基板的面积已经扩大到了4.5代，2019年国内8.5代玻璃基板已投入生产，国际上10.5代也由康宁开始规模化生产。玻璃基板的尺寸越大，带给下游面板厂商的利润空间也就越大，是目前玻璃基板发展的主要方向。

3.3 热/化学稳定性及强度

玻璃材料的热稳定性主要包括热收缩、热膨胀系数和耐热性。在面板的制程中，基板需要经过反复的加热、降温处理，最高温度可达625℃，TFT-LCD基板必须要在这一温度下无形变、不粘滞，基板须高出25℃的保险量，一般应变温度在650℃之上；热膨胀系数与硅相匹配，为（30～40）×107℃；化学稳定性包括耐酸碱腐蚀，在经历面板制程的各种蚀刻后不产生干扰薄膜沉积的残留物；基板厚度一般为0.5mm左右，对其机械强度的要求比盖板玻璃更高。

4 主流生产工艺介绍及对比

目前国际主流的生产工艺主要有溢流下拉法和浮法两种，两种主流工艺在厂房结构、拉引方式、成型原理、表面质量（后加工难度）、面积大小等方面区别较大。

4.1 厂房结构及建设成本

溢流下拉法是垂直工艺，采用重力使得熔融玻璃液水平方向拉出在溢流槽底端汇合均匀下引，其成型过程中玻璃液两面均接触空气，表面性质极佳无须经过研磨抛光等处理即可直接用于面板制程，被国际公认最为适合的工艺方法。浮法是采用液态锡液和玻璃液比重不同浮式成型，锡面需进行研磨抛光，需要匹配后加工生产线方可生产出合格的产品。溢流法厂房为多层结构，窑炉在顶层，一般日拉引量在8～20t；浮法厂房一般为单层，整条产线为水平向前的方向，日拉引量可以做到30～70t。从经济性来说，一条日熔化量30t的浮法线约需20亿元左右建成，一条10t的溢流线建设成本约为8亿元左右。从总产能来看，浮法优于溢流法。

4.2 拉引方式及成型原理

早在20世纪30年代，美国L.O.F.Glass Company就通过溢流法工艺进行玻璃的生产，70年代美国康宁公司研制出溢流熔合装置，20世纪80年代建成第一条工业化生产线，美国拥有最为成熟的溢流法工艺技术及专利池。该种工艺是将熔融玻璃液通过铂金通道澄清后，导入溢流槽，从顶部溢出后均匀顺边部斜面流至底部融为一体，利用重力和拉引辊向下牵引拉动成型。

图1 溢流法工艺

比之溢流法，浮法工艺在目前玻璃生产应用更加广泛。日本AGC公司20世纪90年代将浮法方式应用于基板的制造，中国于2000年初利用此种工艺方式也实现了基板的制造，目前中国建材集团已经可以利用浮法工业化生产8.5代基板。相对比溢流法，浮法生产出来产品板面宽、产能高；退火工艺参数控制精密，玻璃残余应力低、再热收缩率低，而缺陷主要是成型玻璃下表面与锡液接触，表面性质略差，需要进行研磨抛光方可满足下游面板工艺制程要求。从产品质量上来说，在控制好研磨抛光的情况下，两种方式均可以产出合格品。

图2 浮法工艺

5 展望

目前全球面板厂向中国聚集，中国大陆目前已建成在产8.5代及以上面板线21条，集合了全球60%以上的面板生产产能，年需高世代TFT玻璃基板3亿m2以上。中国自20世纪60年代发明洛阳浮法工艺用于玻璃生产以来，在浮法工艺上一直列于世界先进，结合环保、产能、经济效益等方面的要求，中国选用浮法工艺是最为正确的选择，同时也能够规避美国的技术壁垒，未来国内TFT-LCD玻璃基板的发展必然是选用浮法工艺路线。

大尺寸化、薄型化也是TFT玻璃基板发展的必然趋势，目前国内已由中国建材生产出世界上最薄的0.1mm超薄玻璃，具备继续进行技术攻关达成TFT工艺水平的条件；中国应在具备优质高效的前工程工艺的基础上，继续优化料方，开发玻璃表面在线高精度研磨设备，提高产线智能化水平，提高后加工对于前工程产能的匹配性，发挥浮法工艺优势，彻底打破垄断，实现这一高端材料的自主生产。