第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

一、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(dòng)電路三大核心部件組成。

1、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(gè)光刻掩膜板，首先在玻璃基板上連續(xù)淀積ITO膜（厚20～50nm）和Cr膜（厚50～100nm），并光刻圖形，然后連續(xù)淀積絕緣柵膜SiN：（厚約400nm），再本征a-Si（厚50～100nm）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(duì)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(cuò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單制造工藝。下一步是：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(gè)盒，盒間隙一般只有幾個(gè)微米（如10μm），然后抽真空封灌液晶材料。

彩色濾光膜（ColorFilter）簡(jiǎn)稱CF。TFT-LCD的彩色顯示，實(shí)際是通過(guò)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(duì)準(zhǔn)精度非常高，要求CF膜黑白矩陣正好對(duì)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(wú)色偏振片夾住液晶盒。彩色顯示原理可以簡(jiǎn)述為：把TFT-LCD的一個(gè)象素點(diǎn)分割成紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三基色，并對(duì)應(yīng)CF膜的RGB，起光閥作用的LCD對(duì)透過(guò)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(guò)CF膜的入射光如果漏射，則會(huì)影響TFT-LCD的對(duì)比度，所以在間隙處要設(shè)置遮光的黑矩陣（BlackMatrix）簡(jiǎn)稱BM。為了穩(wěn)定性和平滑性，使用丙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂制成厚0.5～2μm的保護(hù)層（oecota）簡(jiǎn)稱OC。然后在這個(gè)保護(hù)層上面形成共用電極，即透明電極膜。BM層通常是由金屬鉻（Cr）制作，為了降低表面反射，也有用氧化鉻（CrOx）或樹(shù)脂。金屬鉻厚度約為1000～1500埃，用樹(shù)脂、染料或顏料，作為著色層來(lái)著色。每個(gè)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(guò)率、色純度、對(duì)比度以及低反射化表示，所以對(duì)CF膜的要求是：高透過(guò)率和色純度；高對(duì)比度和平整性以及極低的擴(kuò)散反射。

液晶材料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，可以作液晶材料的高分子化合物，已超過(guò)1萬(wàn)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(lái)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。這種液晶材料，分子長(zhǎng)軸平行，分子除轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)外，還可以上下移動(dòng)；二是膽甾相液晶。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(zhǎng)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(zhǎng)軸平行，可以相互平行移動(dòng)，但分子在層與層之間不能自由滑動(dòng)。液晶材料的主要特點(diǎn)是：具有細(xì)長(zhǎng)分子結(jié)構(gòu)，在和分子指向矢垂直和平行兩個(gè)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(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度就能加快液晶盒的響應(yīng)速度。

2、TFT-LCD背光源

液晶本身并不發(fā)光，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(duì)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(gè)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(shí)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(méi)有斑點(diǎn)，發(fā)光顏色為綠、藍(lán)、白，亮度為30～100尼特。
TFT-LCD背光源的發(fā)展趨勢(shì)是：大畫(huà)面、高亮度、廣視角以及薄型化、輕量化、低功耗化和低價(jià)格化。

3、TFT-LCD驅(qū)動(dòng)電路

為了顯示任意圖形，TFT-LCD用m×n點(diǎn)排列的逐行掃描矩陣顯示。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，首先要考慮液晶電解會(huì)使液晶材料變質(zhì)，為確保壽命一般都采用交流驅(qū)動(dòng)方式。已經(jīng)形成的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路大致分成：信號(hào)控制電路、電源電路、灰度電壓電路、公用電極驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)電路和尋址線驅(qū)動(dòng)電路（柵極驅(qū)動(dòng)IC）。上述驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是：信號(hào)控制電路將數(shù)字信號(hào)、控制信號(hào)以及時(shí)鐘信號(hào)供給數(shù)字IC，并把控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)供給柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC；灰度電壓電路將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的10個(gè)灰度電壓各自供給數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；公用電極驅(qū)動(dòng)電路將公用電壓供給相對(duì)于象素電極的共用電極；數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)控制電路送來(lái)的RGB信號(hào)的各6個(gè)比特顯示數(shù)據(jù)以及時(shí)鐘信號(hào)，定時(shí)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(hào)，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(dòng)電路將信號(hào)控制電路送來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)移位寄存器轉(zhuǎn)換動(dòng)作，將輸出電路切換成ON／OFF電壓，并順次加到液晶屏上。最后，將驅(qū)動(dòng)電路裝配在TAB（自動(dòng)焊接柔性線路板）上，用ACF（各向異性導(dǎo)電膠膜）、TCP（驅(qū)動(dòng)電路柔性引帶）與液晶顯示屏相連接。

二、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(guò)上偏振片后，變成線性偏振光，偏振方向與偏振片振動(dòng)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(guò)液晶層時(shí)，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(dòng)方向發(fā)生變化。通過(guò)液晶層的光，則被逐漸扭曲。當(dāng)光達(dá)到下偏振片時(shí)，其光軸振動(dòng)方向被扭曲了90度，且與下偏振片的振動(dòng)方向保持一致。這樣，光線通過(guò)下偏振片形成亮場(chǎng)。加上電壓以后，液晶在電場(chǎng)作用下取向，扭曲消失。這時(shí)，通過(guò)上偏振片的線性偏振光，在液晶層不再旋轉(zhuǎn)，無(wú)法通過(guò)下偏振片而形成暗場(chǎng)?？梢?jiàn)液晶本身不發(fā)光，在外光源的調(diào)制下，才能顯示，在整個(gè)顯示過(guò)程中，液晶起到一個(gè)電壓控制的光閥作用。TFT-LCD的工作原理則可簡(jiǎn)述為：當(dāng)柵極正向電壓大于施加電壓時(shí)，漏源電極導(dǎo)通，當(dāng)柵極正向電壓等于0或負(fù)電壓時(shí)，漏源電極斷開(kāi)。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(jiǎn)單工作原理。

三、TFT-LCD的關(guān)鍵技術(shù)

TFT-LCD的關(guān)鍵技術(shù)很多，主要有以下幾個(gè)大的方面：

一是提高開(kāi)口率技術(shù)。開(kāi)口率指TFT-LCD顯示屏光透過(guò)部分和不透過(guò)部分之比，開(kāi)口率越大，亮度越高。影響開(kāi)口率的主要是柵和源總線寬度、TFT尺寸、上下基板對(duì)盒精度、存貯電容尺寸及黑矩陣尺寸等。為了提高開(kāi)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(duì)盒精度引起的開(kāi)口率下降，但成品率不是很高，成本也會(huì)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10μm，開(kāi)口率為35％，微加工達(dá)到5μm時(shí)，開(kāi)口率為80％。第三就是采用自對(duì)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(duì)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(kāi)口率，應(yīng)盡量將總線寬度取小，但要考慮由于總線電阻過(guò)大，輸入信號(hào)延遲，驅(qū)動(dòng)不充分，從而降低對(duì)比度的問(wèn)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(guò)率不同，這是造成顯示對(duì)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，使通過(guò)液晶屏的光均勻漫射，并補(bǔ)償某些角度的光強(qiáng)。另外就是采用多疇技術(shù)，在象元內(nèi)劃分兩個(gè)以上不同液晶分子排列區(qū)域，形成多疇液晶分子取向，從而達(dá)到擴(kuò)大視角的目的。擴(kuò)大視角技術(shù)還有IPS、ASM等方法和措施。

三是簡(jiǎn)化TFT陣列工藝。一般TFT陣列工藝刻蝕次數(shù)為7～9次，工藝流程過(guò)長(zhǎng)，影響產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)能力。國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，已有4次套刻工藝，比常規(guī)的TFT陣列工藝減少了一半。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

TFT-LCD的制造工藝有以下幾部分：在TFT基板上形成TFT陣列；在彩色濾光片基板上形成彩色濾光圖案及ITO導(dǎo)電層；用兩塊基板形成液晶盒；安裝外圍電路、組裝背光源等的模塊組裝。

1、在TFT基板上形成TFT陣列的工藝

現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的TFT類型包括：非晶硅TFT（a-SiTFT）、多晶硅TFT（p-SiTFT）、單晶硅TFT（c-SiTFT）幾種。目前使用最多的仍是a-SiTFT。

a-SiTFT的制造工藝是先在硼硅玻璃基板上濺射柵極材料膜，經(jīng)掩膜曝光、顯影、干法蝕刻后形成柵極布線圖案。一般掩膜曝光用步進(jìn)曝光機(jī)。第二步是用PECVD法進(jìn)行連續(xù)成膜，形成SiNx膜、非摻雜a-Si膜，摻磷n+a-Si膜。然后再進(jìn)行掩膜曝光及干法蝕刻形成TFT部分的a-Si圖案。第三步是用濺射成膜法形成透明電極（ITO膜），再經(jīng)掩膜曝光及濕法蝕刻形成顯示電極圖案。第四步柵極端部絕緣膜的接觸孔圖案形成則是使用掩膜曝光及干法蝕刻法。第五步是將AL等進(jìn)行濺射成膜，用掩膜曝光、蝕刻形成TFT的源極、漏極以及信號(hào)線圖案。最后用PECVD法形成保護(hù)絕緣膜，再用掩膜曝光及干法蝕刻進(jìn)行絕緣膜的蝕刻成形，（該保護(hù)膜用于對(duì)柵極以及信號(hào)線電極端部和顯示電極的保護(hù)）。至此，整個(gè)工藝流程完成。

TFT陣列工藝是TFT-LCD制造工藝的關(guān)鍵，也是設(shè)備投資最多的部分。整個(gè)工藝要求在很高的凈化條件（例如10級(jí)）下進(jìn)行。

2、在彩色濾光片（CF）基板上形成彩色濾光圖案的工藝

彩色濾光片著色部分的形成方法有染料法、顏料分散法、印刷法、電解沉積法、噴墨法。目前以顏料分散法為主。

顏料分散法的第一步是將顆粒均勻的微細(xì)顏料（平均粒徑小于0.1μm）（R、G、B三色）分散在透明感光樹(shù)脂中。然后將它們依次用涂敷、曝光、顯影工藝方法，依次形成RG.B三色圖案。在制造中使用光蝕刻技術(shù)，所用裝置主要是涂敷、曝光、顯影裝置。

為了防止漏光，在RGB三色交界處一般都要加黑矩陣（BM）。以往多用濺射法形成單層金屬鉻膜，現(xiàn)在也有改用金屬鉻和氧化鉻復(fù)合型的BM膜或樹(shù)脂混合碳的樹(shù)脂型BM。

此外，還需要在BM上制做一層保護(hù)膜及形成IT0電極，由于帶有彩色濾光片的基板是作為液晶屏的前基板與帶有TFT的后基板一起構(gòu)成液晶盒。所以必須關(guān)注好定位問(wèn)題，使彩色濾光片的各單元與TFT基板各像素相對(duì)應(yīng)。

3、液晶盒的制備工藝

首先是在上下基板表面分別涂敷聚酰亞胺膜并通過(guò)摩擦工藝，形成可誘導(dǎo)分子按要求排列的取向膜。之后在TFT陣列基板周邊布好密封膠材料，并在基板上噴灑襯墊。同時(shí)在CF基板的透明電極末端涂布銀漿。然后將兩塊基板對(duì)位粘接，使CF圖案與TFT像素圖案一一對(duì)正，再經(jīng)熱處理使密封材料固化。在印刷密封材料時(shí)，需留下注入口，以便抽真空灌注液晶。

近年來(lái)，隨著技術(shù)進(jìn)步和基板尺寸的不斷加大，在盒的制做工藝上也有很大的改進(jìn)，比較有代表性的是灌晶方式的改變，從原來(lái)的成盒后灌注改為ODF法，即灌晶與成盒同步進(jìn)行。另外，墊襯方式也不再采用傳統(tǒng)的噴灑法，而是直接在陣列上用光刻法制作。

4、外圍電路、組裝背光源等的模塊組裝工藝

在液晶盒制作工藝完成后，在面板上需要安裝外圍驅(qū)動(dòng)電路，再在兩塊基板表面貼上偏振片。如果是透射型LCD還要安裝背光源。

第三節(jié) 國(guó)內(nèi)外技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 分析

日本東芝公司已開(kāi)始批量生產(chǎn)10.4英寸（26cm）的UXGAP-Si工藝的薄膜晶體管液晶顯示器。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為：這種技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功，將引起液晶顯示領(lǐng)域的重大變革。

非晶硅薄膜晶體管液晶顯示器（a-SiTFT-LCD）與多晶硅薄膜晶體管液晶顯示器（p-SiTFT-LCD），是液晶顯示器百花園里競(jìng)相開(kāi)放的并蒂蓮花。a-Si薄膜晶體管液晶顯示器是TPBroay博士等人于70年代提出的，經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家二十多年的不懈努力，如今第四代a-SiTFT-LCD生產(chǎn)線已全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相當(dāng)成熟，a-Si薄膜晶體管液晶顯示器已成為當(dāng)今世界液晶顯示器的主流產(chǎn)品。我國(guó)吉林省TFT液晶先導(dǎo)工程13億元引進(jìn)的全套技術(shù)設(shè)備，就是這種a-Si薄膜晶體管液晶顯示器生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備。

但隨著液晶顯示器向大容量、高亮度和高清晰度方向不斷發(fā)展，薄膜晶體管液晶顯示器像元素尺寸越來(lái)越小，單元像元素充電時(shí)間越來(lái)越短，要求TFT器件具有更大的開(kāi)態(tài)電流；另外為解決高密度引線的困難，顯示區(qū)域與周邊驅(qū)動(dòng)電路必須實(shí)現(xiàn)一體化。這些都是傳統(tǒng)a-Si工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。于是在a-Si薄膜晶體管液晶顯示器快速發(fā)展的同時(shí)，科學(xué)家的 研究 熱點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向p-Si薄膜晶體管液晶顯示器，從事p-SiTFT-LCD 研究 的國(guó)家主要是日本、美國(guó)和韓國(guó)。日本起步早，投資大， 研究 水平居世界領(lǐng)先地位。

我國(guó)從事低溫多晶硅有源矩陣顯示器（LTP-SiAM-LCD） 研究 的單位主要有中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所、清華大學(xué)等。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所“九五”期間承擔(dān)了“硅基TFT有源矩陣液晶器技術(shù) 研究 ”課題，先后有5名博士、10多名碩士參加此項(xiàng) 研究 工作，技術(shù)上取得多項(xiàng)重大突破，成功地解決了TFT開(kāi)態(tài)電流大以及高遷移率p-Si材料低溫大面積制作困難等工藝技術(shù)問(wèn)題。近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所研制成功了2英寸p-SiTFT周邊電路集成的AM-LCD樣機(jī)。不久將投入小批量試生產(chǎn)，工藝技術(shù)成熟穩(wěn)定后，將逐步向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移。
 

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