烧不出大号靶材,平板显示制造如何突破?

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  一块小小的玻璃,不仅可以导电发光,还可以幻化出形式各异的文字和静态、动态的炫目影像,这就是人们如今已司空见惯的各色平板显示屏。

  玻璃本身不导电,也不发光,奥妙全在于背后涂装的一层薄薄透明导电膜。就是这层不足头发丝直径五百分之一的膜,背后有一块看不见的“靶”。

  “全国有20余家靶材生产制造商,但能做超过32英寸靶材的,我们还是‘零’!” 在这个行当搞了20多年研发的郑州大学教授、河南省资源与材料工业技术研究院原总工程师孙本双告诉科技日报记者。

  问题出在尺寸上

  在有色金属的“朋友圈”里,铟锡的氧化物是实现电学传导和光学透明的绝佳组合。

  作为有色金属氧化物,简称为ITO的氧化铟锡在平板上具有很好的导电性和透明性,它还可切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线,是平板显示器制造的重要原料。在薄膜状时,它是略显茶色的透明物质;在块状时,呈黄偏灰色。

  但它并不是像油漆一样被刷到平板玻璃上使用,而是先被制作成标准尺寸的固体靶材,由操纵磁控溅射的“枪手”,不断“射击”,将其气化溅镀到玻璃基板或柔性有机薄膜上,形成一层ITO膜。这层膜的厚度因功能需求而有不同,一般在30纳米至200纳米。

  ITO靶材不仅用于制作液晶显示器、平板显示器、等离子显示器、触摸屏、电子纸、有机发光二极管,还用于太阳能电池和抗静电镀膜、EMI屏蔽的透明传导镀膜等,在全球拥有广泛的市场。

  ITO靶材外形很像瓷砖,由来却远比瓷砖煅烧复杂得多——人们把氧化铟和氧化锡粉末按严格的比例混合后,经过一系列生产工艺加工成地板砖的形状,再层层摞叠到一个特制的炉子里,经过1700摄氏度高温气氛烧结,形成黑灰色的陶瓷半导体。通常靶材尺寸越大,溅射到平板上的拼缝就越少,价值也越高。

  但就在尺寸的问题上,国内ITO靶材企业一直鲜有突破,而后端的平板显示制造企业也要仰人鼻息。

  技术和工艺是个难迈的坎

  ITO靶材核心技术长期把持在日本三井、东曹、日立、住友、VMC和韩国三星、康宁等大企业手里。

  对国内的企业来说,技术和工艺是个难迈的坎。由于ITO靶材是由高温烧结而成,烧结技术工艺决定了产品质量,功夫不到家的话,最常出现批次质量不稳定的问题。溅射到屏上,有的ITO膜表面出现“麻点”;有的在蚀刻时容易出现直线放射型的缺划或电阻偏高带;还有的会出现微晶沟缝。

  当谈到生产装备与国外的差距时,孙本双教授叹息说:“差远了!”烧结大尺寸ITO靶材,需要有大型的烧结炉。国外可以做宽1200毫米、长近3000毫米的单块靶材,国内只能制造不超过800毫米宽的。“这如同人家已经在烧制大型地板砖,我们还只能烧小瓷砖。” 孙本双说。

  在1700摄氏度的“丹炉”中,靶材烧结需要6至10天。高温气氛烧结需要高浓度氧气参与,这项工艺也不易控制。长时间烧,很容易导致产品不均匀,成品率低。

  在产出效率方面,日式装备“牛气”,月产量可达30吨至50吨,我们年产量只有30吨——而进口一台设备价格要花一千万元,这对国内小企业来说无异于天价。

  目前,也有部分仿制的设备,但耐火材料不过关,难耐烧结工艺所需的烈火考验,烧结炉总体质量差强人意。“这需要生产技术与装备国产化重大专项的支持。”孙本双说。

  质量不稳定、不过关的材料,谁见谁怕。各色终端生产厂家盘算下来还是觉得买国外进口的省事,久而久之,依赖进口成了“瘾”。

  功能性产品:有色金属大国之痛

  每年我国ITO靶材消耗量超过1千吨,一半左右靠进口,用于生产高端产品。受有色金属期货价格波动和技术封锁等因素叠加作用,长期以来价格高企,成品价格最高达每公斤6千至8千元,占据企业不小的成本。

  “资料显示,我国半导体产品的进口花费超过石油”。2017年度何梁何利基金奖获得者、昆明理工大学副校长杨斌教授说。

  在中国,半导体重要原料铟、锡的采选、冶炼水平已处于世界顶尖水平,产量和品级也堪称世界一流。全球近80%的高品质铟、锡来自中国,日企长期购买中国铟锭。

  “但我们缺乏下游功能性产品和足够长的产业链,只能赚取原材料的初级利润,比如高品质、大尺寸的ITO靶材,就是粉末冶金和半导体行业的痛。”杨斌教授说,国内的大尺寸靶材都只在实验室阶段,技术是一个难点,难以实现量产则是关键。

  随着近十年来国内LCD产业的发展和PDA、电子书等触摸式输入电子产品的悄然兴起,尤其是目前,随着有机发光二极管(OLED)以及其他显示器件的发展,对ITO靶材制成工艺和设备有了更新、更高的期待。未来一段时间内,这仍是一个有前景的产业。

  国内小规模、低层次、做了二十年之久的“靶”,因没能走上世界前沿而长期依赖进口,如今得到了“回报”。近年,由于中国市场巨大,“小靶”国产能力有了大幅上升,这时国外垄断企业“釜底抽薪”,开始在价格上进行打压,一下子把ITO靶材价格降到800元一吨,一度接近价格最高点时的十分之一,国内20多个企业蒙受了巨大的损失,部分企业甚至奄奄待毙。

  “但反过来说,价格低建设成本也低,这也是洗牌的机会。”孙本双说,如果有国家扶持,保留五六家重点企业,同时加快技术攻关,将实验室的技术转化量产,我们有望在大尺寸领域突破,并淘汰一部分国外企业。(记者 赵汉斌)

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