TFT-LCD技术、工艺详解

TFT-LCD 液晶显示器的工作原理

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  在薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）中，TFT的功能就是一个开关管。常用的TFT是三端器件。在玻璃基板上制作半导体层，在两端有与之相连接的源极和漏极。并通过栅极绝缘膜，与半导体相对置，利用施加于栅极的电压来控制源、漏电极间的电流。
  

  对于显示屏来说，每个像素从结构上可以看作为像素电极和共同电极之间夹一层液晶。更重要的是从电的角度可以把它看作电容。其等效电路为图1所示。要对j行i列的像素P（i,j）充电，就要把开关T（i,j）导通，对信号线D（i）施加目标电压。当像素电极被充分充电后，即使开关断开，电容中的电荷也得到保存，电极间的液晶分子继续有电场作用。数据（列）驱动器的作用是对信号线施加目标电压，而栅极（行）驱动器的作用是起开关的导通和断开。由于加在液晶层上的电压可存储使液晶层能稳定地工作。这个显示电压通过TFT也可在短时间内重新写入，因此，即使对高清晰度LCD，也能满足图像品质要求。

  显示图像的关键还在于液晶在电场作用下的分子取向。一般通过对基板内侧的取向处理，使液晶分子的排列产生希望的形变来实现不同的显示模式。在电场作用下，液晶分子产生取向变化，并通过与偏振片的配合，使入射光在通过液晶层后强度发生变化。从而实现图像显示。

  薄膜晶体管液晶显示器与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使之显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。而开关单元（即TFT）的特性，则要满足通态电阻低，闭态电阻非常大这一要求。

  薄膜晶体管液晶显示器彩色化则一般是通过加一层彩色滤光片，在显示器的前面板上实现。它要求在每个像素上制作红、绿、蓝三色和遮光用黑矩阵。

TFT-LCD 液晶显示器的主要优点

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  随着九十年代初TFT技术的成熟，彩色液晶平板显示器迅速发展，不到10年的时间，TFT-LCD迅速成长为主流显示器，这与它具有的优点是分不开的。主要特点是：

  （1）使用特性好

  低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高；平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间；低功耗，它的功耗约为CRT显示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右，节省了大量的能源；TFT-LCD产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样，使用方便灵活、维修、更新、升级容易，使用寿命长等许多特点。显示范围覆盖了从1英寸至40英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影大平面，是全尺寸显示终端；显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高对比度，高响应速度的各种规格型号的视频显示器；显示方式有直视型，投影型，透视式，也有反射式。

  （2）环保特性好

  无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。特别是TFT-LCD电子书刊的出现，将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代，引发人类学习、传播和记栽文明方式的革命。

  （3）适用范围宽

  从-20℃到+50℃的温度范围内都可以正常使用，经过温度加固处理的TFT-LCD低温工作温度可达到零下80℃。既可作为移动终端显示，台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显示终端。

  （4）制造技术的自动化程度高

  大规模工业化生产特性好。TFT-LCD产业技术成熟，大规模生产的成品率达到90%以上。

  （5）TFT-LCD易于集成化和更新换代

  是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力很大。目前有非晶、多晶和单晶硅TFT-LCD，将来会有其它材料的TFT，既有玻璃基板的又有塑料基板。

TFT-LCD 液晶显示器制造工艺过程

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  薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）通常采用两个加工过程并行进行加工成成品，如图1所示。其基本工艺如下：

  

  ● 通过前玻璃基板/彩色滤光基板工艺过程形成精确排列的彩色滤光层。

  ● 薄膜基板工艺形成薄膜晶体管液晶（TFT）阵列及显示器像素控制所用其它电子元件。每个像素一般对应三个薄膜晶体管液晶（TFT），每个像素控制一个共同构成一个像素的“色点”。薄膜形成工艺采用与半导体制造技术相类似的CVD、Etch及PVD等工艺技术。此类工艺步骤应反复数次，连续膜层方可形成一个功能元件（图2）。

  ● 两块基板合二为一，中间注入液晶材料。

  ● 最后组装背光及驱动电子元件，制造出TFT-LCD 模块。

TFT-LCD 液晶显示器的工艺技术

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  薄膜晶体管液晶显示器的制造工艺有以下几部分：在TFT基板上形成TFT阵列；在彩色滤光片基板上形成彩色滤光图案及ITO导电层；用两块基板形成液晶盒；安装外围电路、组装背光源等的模块组装。

  1. 在TFT基板上形成TFT阵列的工艺

  现已实现产业化的TFT类型包括：非晶硅TFT（a-Si TFT）、多晶硅TFT（p-Si TFT）、单晶硅TFT(c-Si TFT)几种。目前使用最多的仍是a-Si TFT。

  a-Si TFT的制造工艺是先在硼硅玻璃基板上溅射栅极材料膜，经掩膜曝光、显影、干法蚀刻后形成栅极布线图案。一般掩膜曝光用步进曝光机。第二步是用PECVD法进行连续成膜，形成SiNx膜、非掺杂a-Si膜，掺磷n+a-Si膜。然后再进行掩膜曝光及干法蚀刻形成TFT部分的a-Si图案。第三步是用溅射成膜法形成透明电极（ITO膜），再经掩膜曝光及湿法蚀刻形成显示电极图案。第四步栅极端部绝缘膜的接触孔图案形成则是使用掩膜曝光及干法蚀刻法。第五步是将AL等进行溅射成膜，用掩膜曝光、蚀刻形成TFT的源极、漏极以及信号线图案。最后用PECVD法形成保护绝缘膜，再用掩膜曝光及干法蚀刻进行绝缘膜的蚀刻成形，(该保护膜用于对栅极以及信号线电极端部和显示电极的保护)。至此，整个工艺流程完成。

  TFT阵列工艺是TFT-LCD制造工艺的关键,也是设备投资最多的部分。整个工艺要求在很高的净化条件（例如10级）下进行。

  2. 在彩色滤光片（CF）基板上形成彩色滤光图案的工艺

  彩色滤光片着色部分的形成方法有染料法、颜料分散法、印刷法、电解沉积法、喷墨法。目前以颜料分散法为主。

  颜料分散法的第一步是将颗粒均匀的微细颜料（平均粒径小于0.1μm）(R、G、B三色)分散在透明感光树脂中。然后将它们依次用涂敷、曝光、显影工艺方法，依次形成R. G. B三色图案。在制造中使用光蚀刻技术，所用装置主要是涂敷、曝光、显影装置。

  为了防止漏光，在RGB三色交界处一般都要加黑矩阵（BM）。以往多用溅射法形成单层金属铬膜，现在也有改用金属铬和氧化铬复合型的BM膜或树脂混合碳的树脂型BM。

  此外，还需要在BM上制做一层保护膜及形成IT0电极,由于带有彩色滤光片的基板是作为液晶屏的前基板与带有TFT的后基板一起构成液晶盒。所以必须关注好定位问题，使彩色滤光片的各单元与TFT基板各像素相对应。

  3. 液晶盒的制备工艺

  首先是在上下基板表面分别涂敷聚酰亚胺膜并通过摩擦工艺，形成可诱导分子按要求排列的取向膜。之后在TFT阵列基板周边布好密封胶材料，并在基板上喷洒衬垫。同时在CF基板的透明电极末端涂布银浆。然后将两块基板对位粘接，使CF图案与TFT像素图案一一对正，再经热处理使密封材料固化。在印刷密封材料时，需留下注入口，以便抽真空灌注液晶。

  近年来,随着技术进步和基板尺寸的不断加大,在盒的制做工艺上也有很大的改进,比较有代表性的是灌晶方式的改变,从原来的成盒后灌注改为ODF法,即灌晶与成盒同步进行。另外.垫衬方式也不再采用传统的喷洒法,而是直接在阵列上用光刻法制作。

  4. 外围电路、组装背光源等的模块组装工艺

  在液晶盒制作工艺完成后，在面板上需要安装外围驱动电路，再在两块基板表面贴上偏振片。如果是透射型LCD.还要安装背光源。

具体如下：

Array Process（阵列制程）

实际的工厂生产流程为：

先把制程分为CF和TFT两部分,如图:

TFT-LCD 的具体制作流程

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  一、TFT阵列式基板形成阶段

  TFT array之制程主要清洗,成膜,而后黄光制板,后再经蚀刻制程形成所要的图样,然后依光罩数而作 循环制程,在这循环制程中要先将洗净的玻璃基板送进溅镀机台镀上一层金属后,再用黄光及蚀刻制程形成闸极,区域图样,隋后玻璃基板经光阻剥离洗净,再以薄膜区电浆辅助化学相沉积机台形成用作主动区域,经过一系列的协作.后以薄膜区化学气相沉积杨台上形成TFT区域保护层,挖出接角也洞,再溅镀上一层氧化锢锡膜(ITO),再用黄光及蚀刻区制程形成画素区域图样而在这循环制程中以后通TFT蚀刻制程为主要步骤.

  TFT的结构依闸,源,汲极沉积的先后顺序,大致可分为四类,如图,目前正在产量TFT多是以反转堆叠式结构为主,而因它构造简单及制程容易则广泛被TFT制造业者所采用,又由於制程有差异分为:1)后通道蚀刻TFT,2)后通护TFT或再称为三层结构TFT.TFT的制作流程关键步骤是蚀刻后通道端的N型非晶矽.以形成闸极可控制的通道,这一般是干蚀刻法,而造成漏电流的原因可能后通道在作干鹿记得时容易造成物抟残留.

  

  二、TFT-LCD之形成阶段

  在TFT-LCD玻璃完成所有制程后,再配合上另一擤具有红,绿,蓝彩色滤光膜的玻璃,先配向膜刷,配向处理,间隔物的涂布及上框胶之后再进行两片玻璃上下封组,切割裂片磨边导角,清洗,再进行液晶注入及封口,最后再目检及电测,其中最重要的步骤如下:

  1、配向处理

  目前所采用的配全处理方法是刷磨处理,主要是以卷在金属滚轴的绒布刷磨烧制后的配向膜,使液晶分子能预先朝一定方向的方法.

  2、间隔物的洒布

  目的是为了获得均匀的液晶厚度,它分散的密度高的话可以得到较均匀的CELL GAP,若间隔物有漏光时会降低品质,反之,间隔物分散度越低时便无法得均匀的CELL GAP,也会影响品质.因此适量均匀的间隔物洒布非常重要,目前以洒式散布法较容易控制密度, 要先做好洒上间隔物,固上框胶后才可以进行CF及TFT的封准组合.

  3、面板切割

  以TFT与CF的封准组合再以超硬质钢刀滚轮切割再压裂的方式得到每一片面板.

  以后隋着外型,大小及模组外型的狭框化,薄型化的发展,以超硬质钢刀无法潢足要求,以后以雷射切割的方式.

  4、液晶注入

  I将玻璃在机台上用外框固定好,用直下式的方法注入液晶注入液晶时,应注意避免造成spacer  broken及spacer聚集.)

  II先让CELL内部真空化后,将CELL的液晶注放口浸入液晶槽中,再以氮气 作破真空的动作,内外压力差与毛细现会使液晶注入CELL内部

  当液晶注入时的形状及排列方式

  Spacer  broken:是注入液晶时,液晶颗粒大,两片玻璃压合时产生破裂.