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在TFT-LCD领域 有任何取代AMLCD制程的技术吗?

导读: 在TFT-LCD领域 有任何取代AMLCD制程的技术吗?

         W. den Boer, G. S. Smith, W. C. Wang, L. Lin, H. Kang, S. J. Chen, C. M. Huang

    
   为了进一步降低液晶显示器面板制造成本,许多主动式矩阵液晶显示器(AMLCD)面板厂商正致力于开发足以取代昂贵的薄膜晶体管数组制程(TFT array),而本篇文章将逐一检视几个具有潜力的制程取代技术。

 非晶硅(a-Si)薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCDs)已经成功的应用在许多的平面显示器上,从小型移动电话以至于大型电视机。为了增加这方面商机的利润,AMLCD厂商必须在先进的平面显示器制程设备上投入大笔资金。这些资金大多投注在四或五道光罩制程以及最少蒸镀七层膜之薄膜晶体管数组(TFT array)制程上。为了降低成本以及进一步减少制程复杂度,许多业者不断的发展新技术。举例来说,目前已经有业者提出三道光罩制程的剥离制程(lift-off process)[1]以及激光刻蚀显影技术来消除氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)像素的每一个微影(lithography)步骤。然而,三或四道光罩用于大面积制作的制程条件(process window)相当的严苛,而且将对制程特性产生冲击。因此,以四道或更少的光罩步骤制造薄膜晶体管数组(TFT array)尚未广泛被采用,而这也衍生了一个问题,那就是有任何更为简单且更低成本的制程技术可以取代现今用在主动式矩阵液晶显示器(AMLCDs)的薄膜晶体管(TFTs)制程方法吗?

有任何可取代的制程技术吗?
 主动式数组背光板用途在于精确地把数据电压传递到液晶(LC)像素,然后维持像素电压直到下一个讯号更新。比起TFT背光型面板,我们相信这些目的可藉由更简单的像素电路及制程达到像薄膜晶体管(TFT)的效果。就结构设计上而言,非线性电容器或薄膜二极管(thin-film diode,TFD)比起TFT来说简单许多,且可以用二或三道光罩步骤及三道镀膜程序完成[2]。薄膜二极管液晶显示器(TFD-LCDs)在市场上存在已经超过20年[3],典型的TFD-LCDs在每个像素中有一个薄膜二极管(TFD),且在反向基板上配有讯号线(data lines)。在这个像素电路中,液晶电容与薄膜二极管(TFD)串联在一起,而这缺点在于任何横跨显示画面的二极管特性变化(随着温度或操作时间)将会改变跨越液晶(LC)的电压,甚至于像素的灰阶。除此之外,电阻-电容(RC)在单一的二极管LCDs延迟了列向讯号线(row lines)而造成亮度衰减,单一二极管(Single-diode)的液晶显视器(LCDs),也称为金属-绝缘体-金属(Metal-insulator-metal,MIM)二极管 LCDs因此只能用在有限灰阶数的小型显示器上。

 双重扫描二极管(Dual-Select Diode,DSD) 像素电路结构解决了这些问题,图一的DSD-AMLCD剖面图具有两条横向像素扫描线(select lines),透过薄膜二极管(TFDs)或非线性电阻联结到每一个画数电极。每个像素具有两个二极管的电路会抵消二极管随着时间、温度及整个显示画面的变化,也大为补偿了扫描线(select lines)上RC延迟的问题,因而极具潜力套用在对角尺寸至少40吋的大面积显示器[4]。

 类似于薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD),双重扫描二极管液晶显示器(DSD-LCD)会在某时间下寻址扫描线,而列方向像素扫描分别同时施加大约+15V及-15V反向极性脉冲于S1及S2扫描线,产生ITO像素电极电压偏移(Vs1+ Vs2 )/2,同时,灰阶讯号电压会施加到彩色板上的ITO数据在线。当扫描的脉冲终止时,非线性电阻(TFDs)会停止传导,而且讯号电压会正确的储存在液晶电容器。唯独相同像素间的两个二极管会具有相同的电流-电压特性,这属于正常现象,因为在一个像素间的二极管大部份只有相隔几百微米,而且具有相同的膜厚、温度及老化过程(aging history),整个显示画面中大范围薄膜二极管(TFDs)的操作变化(操作时间或温度)对于像素的灰阶只会有些许影响,甚至是毫无冲击,这因为电路中的两个二极管自动抵消了这些参数变化的结果。

低光罩数数组制程 (Low-Mask-Count Array Process)
 双重扫描二极管(DSD)主动式矩阵背光板可以利用二或三道光罩步骤制造,如图一所示的二极管剖面图。许多非线性导电材料,诸如多硅成份的氮化硅(SiNX)、五氧化二钽(Ta2O5)以及类似钻石的石墨都可用来制作非线性电阻器。其中氮化硅(SiNX)尤其引人瞩目,原因在于标准等离子化学气像沉积设备常用于TFT-LCDs非晶硅(a-Si)及氮化硅。在三道光罩制程中,第一道图形描绘出ITO像素及二极管的下电极,接着镀上SiNX层并图样化,最后镀上金属并以三道光罩形成扫描线(select lines)以及二极管的上电极。在两道光罩制程中,氮化硅(SiNX)及金属层的图样化合并在光微影刻蚀(photolithography)步骤进行,这技术也可以将制程顺序颠倒,先蒸镀及图样化金属导电层,最后再处理ITO像素。

二极管特性及液晶模式 (Diode Characteristics and LC Modes)
 图二中乃是氮化硅(SiNX)二极管之非线性电阻特性量测曲线,数据主要是改变SiNX中的x值,而x值是藉由调整硅甲烷(SiH4)及氨气(NH3)在等离子化学气相沉积(plasma chemical-vapor-deposition,CVD)制程中的比例获得。该二极管组成包含铝金属下电极及透明导电ITO上电极,藉由改变二极管内部薄膜(大约10×10mm)的氮/硅(N/Si)组成比例,开及关电流可以为主动式矩阵液晶显示器(AMLCDs)的开关应用而量身制作,即关闭的电流在±5V时可以达到微微安培(picoampere)范围,而开启的电流在±15V可以超过0.1mA,而这种非线性的电性行为被认定是普尔-夫伦克尔发射(Poole-Frenkel)效应所造成的物理现象。

 有趣的发现是有些最早期的AMLCDs发展中,每一个像素是以氧化锌(ZnO)陶瓷制的非线性电阻器(或称为变阻器(varistors))作为开关[5],但该技术无法成功的商业化的理由之一乃是非透明的陶瓷基板与穿透式的LCDs不相容。氧化锌(ZnO)陶瓷制的变阻器(varistors)在突波抑制电路(surge-suppression circuitry)上的应用已存在好一段时间了。但自从薄膜晶体管(TFTs)以氧化锌(ZnO)作为半导体层时展现出不错的效率后,目前的氧化锌(ZnO)薄膜溅镀制程应用便持续增加。

 然而,考虑到氧化锌(ZnO)原本是套用在电子组件上作为非线性电阻,而氧化锌(ZnO)薄膜在垂直夹集式开关(vertical sandwich-type switches)或侧边间隔式开关(lateral gap-type switches)是否也能作为AMLCDs的开关材料呢?假如后者的功能是可行的,那么以一道光罩制程套用在DSD AMLCDs则是可以预期的,而当中地毯式(blanket)的半导体氧化锌(ZnO)薄膜是仿造图形化的透明导体(如ITO)。ITO扫描线与ITO像素电极之间相隔几微米的间距可作为主动式矩阵背光板之非线性电阻器。

 图一所显示的架构包括了扭转向列型液晶(twisted-nematic liquid-crystal,TN-LC)模式以及各种广视角液晶模式,诸如多象限垂直配向技术(multidomain vertical alignment,MVA)或图形化垂直排列模式(patterned vertical alignment,PVA)。藉由讯号线移到主动式矩阵排列(active-matrix array),横向电场切换模式(in-plane-switching,IPS)就可以套用在薄膜二极管液晶显示器(DSD-LCDs)上。

原型显示器
 数年前,原型扭转向列型-重扫描二极管-主动式矩阵液晶显式器(prototype TN-DSD-AMLCDs)曾在光学影像系统公司(OIS Optical Imaging Systems)生产过,以及最近在胜华科技股份有限公司(Wintek Corp. Images)也把相同原型做在10.4吋VGA DSD原型及小型移动电话DSD显示器(如图三所示)。这些显示器的对比度(contrast ratio)超过200:1,而且展现出262,000以上色彩,其效能(包括反应时间)皆相似于相同液晶材料所做成的薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD),与TFT-LCD并列比较时,观众大致上无法辨别出其中的差异。

制程比较
 在表一中,四道光罩的薄膜晶体管(TFT)制程步骤与两道光罩的双重扫描二极管数组(DSD-array)制程相比较。
双重扫描二极管(DSD)制程非常简单,且具有较高的产量以及更少光罩数的优点。相较于非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)制程方面,双重扫描二极管(DSD)制程中的等离子化学气相沉积(plasma CVD)方法减少了各层膜的总厚度达八个单位,刻蚀次数也有明显的减少,双重扫描二极管数组(DSD array)设计更决定了显示器及像素尺寸大小[5];举例来说,在30吋显示器中,最小外观尺度达到30mm而覆盖误差(overlay tolerance)则是10mm,促成更低成本图样化技术的利用。

 在Display-Search[6]的市场稳定度调查(market-research-firm)研究中归纳出双重扫描二极管数组(DSD arrays)的LCD模块加工成本会比非晶硅薄膜晶体管数组(a-Si TFT arrays)模块低20%,这样的差异主要在于数组制程的投资资本额低了60-70%。该研究推测产能至少会像非晶硅薄膜晶体管液晶显示器(a-Si TFT LCDs)制程一样好。

扫描装置共享(Shared Select Configuration)
 图一电路架构中的每一个横向像素需要搭配两条扫描线(select lines),然而额外添加的扫描线会冲击到像素开口大小(pixel aperture),并且增加两倍的横向联结器(interconnects)数目,不过该问题可藉由图四所示的扫描线共享(shared select line)电路设计而获得解决。该设计中,每一条扫描线透过非线性电阻联结到像素电极的上方及下方。[7]

 在这架构中,对于每一个横向重迭的反向极性扫描脉冲(opposite-polarity select pulses) 大约是扫描一条线的时间,当外围的总线线(bus lines)同时开启时,横向电路就会被扫描,这是可以用电路仿真来表示,藉由正确的讯号电压极性(polarity),当横向漏电流被扫描时,经由先前横向二极管的漏电流可以被忽略。扫描线共享(shared select-line)的设计方法增加了像素开口大小(aperture)并藉由消减50%的扫描线以减少联结器(interconnects)数目。

总结
 原型双扫描二极管-主动式矩阵液晶显示器(prototype DSD-AMLCDs)已经用在小型手提式电子产品及大面积显示器的应用。DSD-AMLCD运用非常低成本的二或三道光罩步骤主动式数组制程以及仅需约40秒的单一等离子辅助化学气相沉积(PECVD)步骤制程,当微影刻蚀(lithography)及等离子辅助化学气相沉积(PECVD)设备被列入AM-LCD生产线主要的设备开支时,采用DSD技术会使得数组制程的投资资本额减少60%,且推测产能与非晶硅薄膜晶体管数组(a-Si TFT arrays)制程相似。针对大型双重扫描主动式矩阵液晶显示器(DSD AMLCDs),该设计主导了像素及显示器尺寸大小[5],利用低分辨率微影技术、无光罩图样化技术(maskless patterning)或喷墨成形(ink-jet patterning)进一步降低图样化成本。双重扫描二极管(DSD)技术成功的关键将是可靠性非线性电阻器以三或更少镀膜层以及三或更少的图样化步骤之简单制程的再现性。这方面的技术发展正由几家主动式矩阵液晶显示器(AMLCDs)面板业者开发中。

参考文献
1. S. S. Yoo, H. L. Cho, O. N. Kwon, S. H. Nam, Y. G. Chang, K. Y. Kim, S. Y. Cha, B. C. Ahn, and I. J. Chung, " The Fabrication of TFTs for LCDs Using the Three-Mask Process," Proc. IMID, 948-951 (2005).
2. Z. Yaniv and W. den Boer, "Addressing AMLCDs with Two-Terminal Switches," Proc. EuroDisplay, 164-169 (1990).
3. H. Ohshima and S. Morozumi, "An MIM LCD with Improved TV Performance," SID Symposium Digest Tech. Papers 21, 518-521 (1990).
4. W. den Boer and G. S. Smith, "Dual-Select-Diode AMLCDs: A Path towards Scalable Two-Mask Array Designs", J. Soc. Info. Display 13/3, 199-204 (2005).
5. D. E. Castleberry, "Varistor-Controlled Liquid-Crystal Displays," IEEE Trans. Electron. Dev. ED-26, No. 8, 1123-1128 (1979).
6. Display Search Report for ScanVue Technologies LLC (June 2003).
7. W. den Boer, G. S. Smith, W. C. Wang, L. Lin, H. Kang, S.J. Chen, and C.M Huang, "Low-Cost Dual-Select-Diode AMLCD Technology," SID Symposium Digest Tech Papers 37, 29-32 (2006).

图一:DSD-LCD的切面图及二极管的设计/剖面图。

图二:氮化硅(SiNX)二极管在200 nm SiNX厚度及改变N/S组成比例(x)下的特性量测。

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