薄膜晶體管液晶顯示器技術(shù)簡介

1、薄膜晶體管液晶顯示器技術(shù)簡介15 英口寸的 TFT-LCD薄膜晶體管液晶顯示器英文名是Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD是英文字頭的縮寫。薄膜晶體管液晶顯示器技術(shù)是一種微電子技術(shù)與液晶顯示器技術(shù)巧妙結(jié)合的技術(shù)。把單晶上進(jìn)行微電子精細(xì)加工的技術(shù)，移植到在大面積玻璃上進(jìn)行薄膜晶體管（TFT）陣列的加工，再將該陣列基板與另一片帶彩色濾色膜的基板， 利用與業(yè)已成熟的液晶顯示器（LCD ）技術(shù)，形成一個液晶盒，再經(jīng)過后工序如偏光片貼覆等過程，最后形成液晶顯示器件。TFT-LCD （薄膜晶體管液晶顯示器 ，Thin film transi

2、stor liquid crystal display）是多數(shù)液晶顯示器的一種，它使用薄膜晶體管技術(shù)改善影象品質(zhì)。雖然TFT-LCD被統(tǒng)稱為LCD,不過它是種主動式矩陣 LCD。它被應(yīng)用在電視、平面顯示器及投影機(jī)上。簡單說，TFT-LCD皮膚可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層的玻璃基板是與彩色濾光片（Color Filter）、而下層的玻璃則有晶體管鑲嵌于上。當(dāng)電流通過晶體管產(chǎn)生電場變化，造成液晶分子偏轉(zhuǎn)，藉以改變光線的偏極性，再利用偏光片決定像素（Pixel ）的明暗狀態(tài)。此外，上層玻璃因與彩色濾光片貼合，形成每個像素（Pixel）各包含紅藍(lán)綠三顏色，這些發(fā)出紅藍(lán)綠色彩的像素便構(gòu)成了皮

3、膚上的圖像畫面。TFT-LCD結(jié)構(gòu)。薄膜晶體管液晶顯示器由顯示屏、背光源及驅(qū)動電路 三大核心部件組成。TFT-LCD顯示屏，包括陣列 玻璃基板、彩色濾光膜以及液晶材料。陣列玻璃基板制備工藝是：用三個光刻掩膜板， 首先在玻璃基板上連續(xù)淀積 ITO膜（厚 2050n m）和Cr膜（厚50100nm ）,并光刻圖形，然后連續(xù)淀積絕緣柵膜 SiN ：（厚 約400n m）,再本征a-Si （厚50100n m）和n+a-Si層，并光刻圖形（干法）淀積 Al 膜，光刻漏源電極，最后以漏源電極作掩膜，自對準(zhǔn)刻蝕象素電極上的 Cr膜和TFT源漏之間n+a-Si膜。這就是TFT反交錯結(jié)構(gòu)的簡單制造工藝。下一步

4、是：在玻璃基板上涂布聚酰亞胺取向?qū)?，用絨布沿一定方向摩擦， 使取向?qū)颖砻嫘纬煞较蛞恢碌奈⒓?xì)溝道， 控制液晶 分子定向排列。在保證兩塊玻璃基板上下取向槽溝的槽方向正交的條件下，將兩塊玻璃基板上下密封成一個盒，盒間隙一般只有幾個微米（如 10 dm）,然后抽真空封灌液晶材料。彩色濾光膜（Color Filter）簡稱CF。TFT-LCD的彩色顯示，實(shí)際是通過陣列基板的 光，照射在彩膜上，顯示屏就能顯示顏色。彩色濾光膜（如同著色的玻璃紙）可以制作在透 明的電極之上（透明電極和液晶層之間），也可制作在透明電極之下 （透明電極和玻璃之間）， 上下玻璃基板與 CF膜對準(zhǔn)精度非常高，要求CF膜黑白矩陣正好對

5、準(zhǔn)ITO象素電極的邊緣， CF膜附著在液晶盒表面，然后用兩片無色偏振片夾住液晶盒。彩色顯示原理可以簡述為：把TFT-LCD的一個象素點(diǎn)分割成紅、綠、藍(lán)（ R、G、B）三基色，并對應(yīng) CF膜白RGB, 起光閥作用的LCD對透過CF膜的三色光量，進(jìn)行平衡、調(diào)節(jié)得到所要的彩色。穿過 CF 膜的入射光如果漏射， 則會影響TFT-LCD的對比度，所以在間隙處要設(shè)置遮光的黑矩陣（Black Matrix）簡稱BM。為了穩(wěn)定性和平滑性，使用丙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂制成厚0.52的保護(hù)層（oe cota）簡稱OC。然后在這個保護(hù)層上面形成共用電極，即透明電極膜。BM層通常是由金屬銘（Cr）制作，為了降低表面反射，

6、也有用氧化銘（ CrOx）或樹脂。 金屬銘厚度約為10001500埃，用樹脂、染料或顏料，作為著色層來著色。每個象素點(diǎn)的 著色圖形，因TFT-LCD的用途而不同。如可按條形、瑪賽克形、三角形等排列。CF膜的特性用透過率、色純度、對比度以及低反射化表示，所以對CF膜的要求是：高透過率和色純度；高對比度和平整性以及極低的擴(kuò)散反射。一. 磁控濺射（MCS）濺射是指在反應(yīng)室中，被電離的正離子在暗區(qū)電場的加速下撞擊陰極靶，使靶材濺射而淀積在基板上形成薄膜。磁控濺射（ MCS）則是指在陰極靶背后加裝磁場，使二次電子在洛侖茲力的作用下被束縛在靶表面。延長二次電子運(yùn)動軌跡，使產(chǎn)生更多的正離子來轟擊靶，同時消耗

7、了電子能量，具有淀積速率高和溫度低兩大優(yōu)點(diǎn)。MCS在TFT-LCD生產(chǎn)中，用于淀積柵電極，源 /漏電極和錮錫氧化物（ITO ）像素電極。 也用于彩色濾光片（CF）中的淀積，如黑色矩陣和 ITO共用電極的淀積。淀積的材料則用Ta, Cr, MoTa, MoW, MoAlNd 等。對淀積工藝的要求是：電阻率低，厚度均勻，光滑，和底層粘附好，臺階覆蓋好，應(yīng)力小，沾污少，不形成小丘，電遷移率小，不起弧等。目前TFT-LCD 生產(chǎn)使用的MCS 設(shè)備供應(yīng)商有ULVAC , Unaxis, AKT 等公司。其中ULVAC 公司在2006年占全部市場的94%。靶的供應(yīng)商則有NIKKO 公司。一條7代生產(chǎn)線就需

8、要8臺MCS設(shè)備。每臺的價格大約為 1050萬美元。目前TFT-LCD 生產(chǎn)使用的MCS 設(shè)備供應(yīng)商有ULVAC , Unaxis, AKT 等公司。其中ULVAC 公司在2006年占全部市場的94%。靶的供應(yīng)商則有NIKKO 公司。一條7代生產(chǎn)線就需要8臺MCS設(shè)備。每臺的價格大約為 1050萬美元。液晶材料。據(jù)不完全統(tǒng)計，可以作液晶材料的高分子化合物，已超過 1萬種。用一種 液晶材料通常很難滿足器件要求的溫度范圍、彈性系數(shù)、介電常數(shù)、折射率各向異性以及粘度等主要技術(shù)指標(biāo)，工程上必須用混合液晶來調(diào)制物理性能。 常用的具有代表性的液晶材料，按分子排列方向不同可分成三大類：一類是向列相液晶。 這

9、種液晶材料，分子長軸平行，分子除轉(zhuǎn)動滑動外，還可以上下移動；二是膽管相液晶。這種液晶材料，分子在不同的平面上取向，在同一平面上，分子長軸平行各平面的指向矢，并逐層扭轉(zhuǎn)呈螺旋變化；三是近相晶 液晶。這種液晶材料，分子排列為層狀，各層的分子長軸平行，可以相互平行移動，但分子 在層與層之間不能自由滑動。液晶材料的主要特點(diǎn)是：具有細(xì)長分子結(jié)構(gòu)，在和分子指向矢 垂直和平行兩個方向，其層電率、介電常數(shù)、折射率均不相同，并隨溫度和驅(qū)動頻率等外界條件而變化。另外，折射率各向異性大，在產(chǎn)生同樣光學(xué)效應(yīng)的情況下，可以使液晶盒變薄。相同電壓下的電場強(qiáng)度就能加快液晶盒的響應(yīng)速度。TFT-LCD背光源。液晶本身并不發(fā)光

10、，外部必須施加照射光，這種外部照射光稱為背 光源。液晶顯示器的背光源，按液晶顯示面與光源的相對位置，大體上可分為邊緣式、直下式和自發(fā)光式三種。白熾燈、白鹵素?zé)魹辄c(diǎn)光源，熒光燈（熱陰極、冷陰極）為線光源，電 致發(fā)光（EL）以及矩陣式發(fā)光二極管為面光源。邊緣式背光源是在顯示區(qū)的側(cè)面，裝配線 光源的熒光燈。為了確保顯示區(qū)亮度的均勻性，邊緣式背光源均采取集光和導(dǎo)光措施。集光是為有效地使入射光能從一個側(cè)面射出去，導(dǎo)光是將集光射出的光進(jìn)行反射，使之成為平面光源；直下式背光源是在顯示區(qū)的正下方，裝配 1只或幾只并排的冷陰極燈，在冷陰極燈 的上面同時裝配漫散射板， 以消除冷陰極燈造成的斑點(diǎn)；自發(fā)光式背光源是在

11、顯示區(qū)的下方，裝配電致發(fā)光板。電致發(fā)光為面發(fā)光，可整面均勻發(fā)光且沒有斑點(diǎn)，發(fā)光顏色為綠、藍(lán)、白，亮度為30100尼特。TFT-LCD背光源的發(fā)展趨勢是：大畫面、高亮度、廣視角以及薄型 化、輕量化、低功耗化和低價格化。TFT-LCD驅(qū)動電路。為了顯示任意圖形，TFT-LCD用mn點(diǎn)排列的逐行掃描矩 陣顯示。在設(shè)計驅(qū)動電路時， 首先要考慮液晶電解會使液晶材料變質(zhì)，為確保壽命一般都采用交流驅(qū)動方式。已經(jīng)形成的驅(qū)動方式有：電壓選擇方式、斜坡方式、DAC方式和模擬方式等。由于TFT-LCD主要用于筆記本電腦，所以驅(qū)動電路大致分成：信號控制電路、電源 電路、灰度電壓電路、公用電極驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)線驅(qū)動電路和

12、尋址線驅(qū)動電路（柵極驅(qū)動IC）。上述驅(qū)動電路的主要功能是：信號控制電路將數(shù)字信號、控制信號以及時鐘信號供給 數(shù)字IC,并把控制信號和時鐘信號供給柵極驅(qū)動IC;電源電路將需要的電源電壓供給數(shù)字IC和柵極驅(qū)動IC;灰度電壓電路將數(shù)字驅(qū)動電路產(chǎn)生的10個灰度電壓各自供給數(shù)據(jù)驅(qū)動；公用電極驅(qū)動電路將公用電壓供給相對于象素電極的共用電極；數(shù)據(jù)線驅(qū)動電路將信號控制電路送來的RGB信號白各6個比特顯示數(shù)據(jù)以及時鐘信號，定時順序鎖存并續(xù)進(jìn)內(nèi)部，然 后此顯示數(shù)據(jù)以6比特DA變換器轉(zhuǎn)換成模擬信號， 再由輸出電路變換成阻抗，供給液晶屏的數(shù)據(jù)線；柵極驅(qū)動電路將信號控制電路送來的時鐘信號，通過移位寄存器轉(zhuǎn)換動作， 將輸

13、出電路切換成 ON/OFF電壓，并順次加到液晶屏上。最后，將驅(qū)動電路裝配在TAB （自動焊接柔性線路板）上，用 ACF （各向異性導(dǎo)電膠膜）、TCP （驅(qū)動電路柔性引帶）與液晶顯示屏相連接。TFT-LCD工作原理。首先介紹顯示原理。液晶顯示的原理基于液晶的透光率隨其所施電 壓大小而變化的特性。 當(dāng)光通過上偏振片后， 變成線性偏振光，偏振方向與偏振片振動方向 一致，與上下玻璃基板上面液晶分子排列順序一致。當(dāng)光通過液晶層時，由于受液晶折射， 線性偏振光被分解為兩束光。又由于這兩束光傳播速度不同（相位相同），因而當(dāng)兩束光合成后，必然使振光的振動方向發(fā)生變化。通過液晶層的光，則被逐漸扭曲。當(dāng)光達(dá)到下偏

14、振片時，其光軸振動方向被扭曲了90度，且與下偏振片的振動方向保持一致。這樣，光線通過下偏振片形成亮場。加上電壓以后，液晶在電場作用下取向，扭曲消失。這時，通過上偏 振片的線性偏振光，在液晶層不再旋轉(zhuǎn)，無法通過下偏振片而形成暗場。可見液晶本身不發(fā)光，在外光源的調(diào)制下， 才能顯示，在整個顯示過程中，液晶起到一個電壓控制的光閥作用。 TFT-LCD的工作原理則可簡述為：當(dāng)柵極正向電壓大于施加電壓時，漏源電極導(dǎo)通，當(dāng)柵 極正向電壓等于0或負(fù)電壓時，漏源電極斷開。漏電極與 ITO象素電極連結(jié)，源電極與源 線（列電極）連結(jié)，柵極與柵線（行電極）連結(jié)。這就是 TFT-LCD的簡單工作原理。TFT-LCD的關(guān)

15、鍵技術(shù)。TFT-LCD的關(guān)鍵技術(shù)很多，主要有以下幾個大的方面：一是提高開口率技術(shù)。開口率指TFT-LCD顯示屏光透過部分和不透過部分之比，開口率越大，亮度越高。影響開口率的主要是柵和源總線寬度、TFT尺寸、上下基板對盒精度、存貯電容尺寸及黑矩陣尺寸等。 為了提高開口率，采取的辦法是：將黑白矩陣和彩膜都做在 TFT基板上，此辦法避免了對盒精度引起的開口率下降，但成品率不是很高，成本也會相應(yīng)加大。另外就是柵源總線， 采用集成電路微加工技術(shù)。90年代TFT矩陣微加工約10dm,開口率為35%,微加工達(dá)到5dm時，開口率為80%。第三就是采用自對準(zhǔn)光刻技術(shù)。主 要是消除柵極和源漏極重疊形成的寄生電容。用自對準(zhǔn)光刻技術(shù)， 把柵電極作掩膜板， 光刻n+a-Si和源漏電極，以減少柵源電極之間的重疊。最后是改善柵源材料。為了增加開口率， 應(yīng)盡量將總線寬度取小， 但要考慮由于總線電阻過大，輸入信號延遲，驅(qū)動不充分，從而降低對比度的問題。通常采用Cr或MoTa金屬包Al的辦法，這樣就能得到低電阻總線。二是擴(kuò)大視角技術(shù)。液晶分子的各向異性，決定了液晶分子空間分布的不同，不同的立體角光透過率不同，這是造成顯示對比度不均勻的重要原因。因此，擴(kuò)大視角是液晶顯示技術(shù)的關(guān)鍵課題之一。一般采取的技術(shù)措施有：補(bǔ)償膜技術(shù)。在液晶顯示屏上，貼光漫射膜和光強(qiáng)補(bǔ)償膜，使通