TFTLCD的基本原理及其制造工艺

1、tft-lcd的基本原理及其制造工艺摘要液晶显示器是通过液晶盒使光发生变化而产生显示作用的非主动发光型显示器。它是利用液晶特定的分子排布，在施加电压时，局部分子的排列状态发生不同于其它分子排列的变化，由此产生了液晶盒的各项光学性质的变化，再通过偏振片等变换为视觉可感知的变化。tft-lcd是目前使用最为广泛的液晶显示器，本文主要介绍了tft-lcd的基本原理和制造工艺。关键词：tft；液晶；背光源；偏振片目 录摘要i前言1第1章 tft-lcd的构造与原理31.1 液晶材料及其性能特点31.2 panel板的结构及其工作原理41.2.1扭曲向列（tn）液晶显示器41.2.2 薄膜晶体管（tft

2、）液晶显示器61.3 背光源（backlight）的结构及其原理71.3.1背光源的分类及灯管（lamp）的构造71.3.2 背光源的构造9第2章 tft-lcd的制造工序112.1薄膜晶体管(tft)制造工序112.1.1坚膜工序112.1.2 清洗工序122.1.3 photo 工序122.1.4 刻蚀工序132.1.5 脱膜工序132.1.6 检测工序142.2成盒/制屏的工序142.3 模块的工艺流程162.3.1偏光板贴合172.3.2 tab 贴合192.3.3pcb贴合202.3.4 b/l组装212.3.5 老化测试212.3.6 包装21第3章 结束语22参考文献23致谢24

3、前言自人类社会进入信息时代以来，信息显示技术在人们社会活动和日常生活中的作用日益剧增。信息处理、接受及发送等操作均借助于信息系统终端设备与人之间的界面显示来完成,因而显示技术的发展越来越受到人们的重视。近几年显示技术发展迅速，显示产业已成为光电子产业的龙头产业，在信息产业中仅次于微电子产业，成为举足轻重的产业。在美国dis-play search公司世界平板显示(简称fpd)市场评估中。2001年fpd产值为300亿美2001年fpd产值为300亿美元，到2005年将达到700亿美元。这表明平板显示的年增长率为20%以上，crt年增长率为7%，到2004年平板显示产值将超过crt产值。液晶显示

4、占fpd的80%-90%市场，尤其tft-lcd成为主导技术。70060050040030020010020012002200320042005其它pdpoelstntft产值亿美元时间年图1平板显示世界市场2001年fpd300亿$lcd占80%90%2005年fpd700亿lcd占70%90%oel30亿$ 4.2%tft-lcd技术是微电子技术和lcd技术巧妙结合的高新技术。人们利用微电子精细加工技术和si材料处理技术，来开发大面积玻璃板上生长si材料和tft平面阵列的工艺技术。再与日益成熟的lcd制作技术相结合，以求不断提高产品品质，增强自动化大规模生产能力，提高合格率，降低成本，使其

5、性能/价格比向crt逼近。日本西村和北原两位液晶专家归纳了tft-lcd十几年来在玻璃基板尺寸、屏尺寸、分辨率及灰度级等方面的发展速度，得出结果是tft-lcd增长速度为3年增长4倍，称为西村-北原规则。西村-北原规则和微电子领域摩尔规则一样，都是预测技术和产业发展速度的。这些预测表明tft-lcd发展速度与集成电路发展速度相同。近几年tft-lcd、pdp以及led都将有很大的发展。第1章 tft-lcd的构造与原理成品tft-lcd主要部件是lcm,lcm是由panel板和背光源(back light)组成。panel板是整个液晶显示器的核心部分，它的制造工艺也是最复杂的。人们通常所说的亮

6、点也就是在panel板的制造过程中发生的。背光源的好坏能直接影响显示效果，它通常也是影响液晶显示器的寿命的关键所在。1.1 液晶材料及其性能特点液晶是物质存在的一种特殊形态，它既不同于具有固定形状而在光学性质上具有各向异性的固态晶体（具有双折射等光学性能），又不同于没有固定形状在光学性质上具有各向同性的液体，而是一种在光学性质上具有各向异性（具有双折射等光学特性）的粘稠液体。 图1-1 固体、液体、液晶的分子排布* solid固体 * liquid crystal液晶* liquid液体人们认识到存在液晶这类特殊性能的物质已经有一百多年了，人们在研究中发现一些固态晶体在加热到一定温度后能转变成

7、液晶，并把这类液晶称为致热性液晶，在显示技术和光电技术中应用的就是这类液晶。人们在研究中还发现在动植物体中某些固态物质溶解后具有液晶的特性，这些物质往往在生物体的新陈代谢或生命过程中起到重要作用，并把这类液晶称为溶质性液晶。从分子结构上可把液晶分为向列型、层列型和胆甾型三大类。在层列液晶中，棒状分子排列成层状结构，构成分子相互平行排列，与层面近似垂直。这种分子层间的结合较弱，层与层间易于相互滑动，因此，层列液晶显示出二维液体的性质。但与通常的液体相比，其粘度要高得多。在向列液晶中，棒状分子都以相同的方式平行排列，每个分子在长轴方向可以比较自由的移动，不存在层状结构，因此，富于流动性，粘度较小。

8、胆甾相液晶与层列液晶同样形成层状结构，分子长轴在层面内与向列液晶相似呈平行排列。但是相邻层面间分子长轴的取向方位多少有些差别，整个液晶形成螺旋结构。胆甾相液晶的各种光学性质，例如旋光性、选择性光散射、圆偏光二色性等都是基于这种螺旋结构。虽然人们早已发现液晶这种物体的存在，但在发现它之后的很长一段时间里对它的研究仍停留在实验室阶段。，而且未找到实际应用。但从二十世纪三十年代开始经过科学家们坚持不断的探索，对液晶材料的研制、有关理论的研究以及应用都取得了许多重要的成果。平面显示上的应用就是其中重要的成果之一。平面显示上应用的液晶材料需要具有较高的双折射率、有较高的介电各向异性、较低的液态黏度等性能

9、。从目前投入实用的液晶材料的化学结构看，主要有胆甾醇酯类、联苯芳烃类、二苯乙炔类、多炔类等。 1.2 panel板的结构及其工作原理1.2.1扭曲向列（tn）液晶显示器扭曲向列（tn 是英文twisted nematic的字头缩写）液晶是带有90扭曲的向列液晶。扭曲向列液晶显示器是在上世纪七十年代出现的，它除了具备液晶显示所需的基本特点外，还具有对比度高、制作技术简单、成本低等特点。目前在便携式计算器、钟表、仪器仪表中大量使用的多是这种类型的液晶显示器。目前国内液晶显示器厂家生产的也多是这类产品。入射偏振片出射偏振片 white* blacktypical t-v char.ito玻璃液晶图1

10、-2扭曲向列（tn）液晶显示器的结构扭曲向列（tn）液晶显示器是由两块ito玻璃板之间夹着扭曲向列（tn）液晶材料形成的，液晶的厚度一般为5m，其具体厚度与液晶材料的双折射率有关，在上下ito玻璃基板上面涂一层取向层，利用液晶分子与取向层表面的相互作用力，利用液晶分子与表面摩擦定向方向平行排列并带有23的倾斜角如图1-3所示。上下基片摩擦定向方向成90，使液晶分子扭曲成90，同时液晶中掺入少量手性剂材料，起到决定液晶分子扭曲方向的作用。在上下玻璃基片的外侧贴有偏振片，偏振片的光轴与玻璃基片的摩擦方向一致，从而在液晶显示屏上得到常白的显示。当入射光偏振面随液晶分子转动90，使偏振光通过偏振片，即

11、得到亮态。当施加电压时正性液晶分子随电场方向排列，线偏振光偏振面不变，偏振光不能通过出射光一侧的偏振片得到暗态，所以液晶显示器就是一个电控制的光阀。但由于扭曲向列（tn）液晶显示器目前在参数最佳化的条件下，它实际上最大的扫描行数只能达到32，信息容量很小，而且由于它只能做成黑白、单色、低对比度（20：1）的液晶显示器，视角只有30，比较狭窄，面板尺寸最大只有三寸，所以在很大程度上限制了他的应用范围。目前只能用在电子表、计算器、简单的掌上游戏机上。没有倾斜角的话,液晶对电压随机移动的可能性高,因此向一个方向以任意的角度立起来. lc分子向同一方向站立的情况lc分子的站立方向是随机情况施加电压情况

12、2. 倾斜度是0的情况情况1.倾斜度是比0高一些的情况施加电压情况2-3情况图1-3 lc分子转动方向比较情况 1.2.2 薄膜晶体管（tft）液晶显示器薄膜晶体管（tft）液晶显示器是在扭曲向列（tn）液晶显示器中引入薄膜晶体管开关而形成的有源矩阵显示，从而克服无源矩阵显示中交叉干扰、信息量少、写入速度慢等缺点，大大改善了显示品质，使它可应用到计算机高分辨率全色显示等领域。目前采用的薄膜晶体管（tft）是建立在非晶硅薄膜晶体管（-si tftam-lcd）结构基础上的。图1-4 tft-lcd panel板的结构在下层玻璃基板上建有tft阵列，每个像素的ito电极与tft漏电极联结，栅极与扫

13、描总线连结，原源电源与信号总线连结。施加扫描信号电压时，原源电极导通使信号电压施加到存储电容器上并充电，在帧频内存储电容器的信号电压施加到液晶像素上，使之处于选通态。再一次寻址时，由信号电压大小来充电或放电。这样各像素之间被薄膜晶体管开关元件隔离，既防止了交叉干扰又保证了液晶响应速度满足于帧频速度，同时以存储信息大小来得到灰度级，目前灰度已可达到256级，可得到1670万种颜色，几乎可获得全色显示。从上世纪90年代形成产业以来，薄膜晶体管（tft）液晶显示器的生产线已由第一代发展到了第六代，没换代一次基板玻璃的面积都大幅增加，而且产量不断提高、成本不断降低。如第七代薄膜晶体管（tft）液晶显示

14、器生产线的玻璃基板尺寸将达到1870*2200mm，目前可制成的液晶电视屏94cm(37inch),笔记本电脑屏幕的最大尺寸为38.1cm(15inch),监视器屏幕最大尺寸达63.5cm(25inch)。薄膜晶体管（tft）液晶显示器的另一种发展趋势是薄型化、轻量化、低功耗化。基于新型材料的开发、制造工艺技术的革新、设备精度和自动化程度的提高及软件技术的进步，使得薄膜晶体管（tft）液晶显示器产品的更新换代的速度非常快。图1-5 tft断面图glass(玻璃)gate(闸门)drain(漏电)source(信息)绝缘膜(insulator)a-sipixel(像素) 1.3 背光源（back

15、light）的结构及其原理1.3.1背光源的分类及灯管（lamp）的构造backlight (以下称为b/l)按lamp(灯管)的排列方式分direct light type和side light type. side light type需要起将自侧面的lamp上出射的光向b/l正面出光作用的导光板,但direct light type是自lamp出射的光直接向b/l正面出光,因此不需要导光板。 lamp lamp side light type direct light type 图1-6 direct light type和 side light type区分direct light t

16、ypeside light type重量轻重辉度高辉度比较低消耗电力大(10ccfl以上)小(6ccfl以上)画面尺寸中、大画面(mnt, tv)中、小画面(全模型可使用)价格高档低档导光板有无无(扩散板使用)有厚度厚薄表1-1 direct light type和side light type的特性比较tft-lcd b/l光源使用的灯管是阴极荧光灯(cathode fluorescent lamp),自外部供应一定的电压,在阴极上放出电子, 扫描荧光体而作出可视光线的光源。cfl的构造大体由玻璃板、电极、密封气体(hg,ar,ne)、荧光体构成。cfl是将自密封的水银发生的紫外线扫描在玻璃

17、管内壁涂的荧光体而发生可视光。为使少量的水银易启动，并为抑制阴极物质的蒸发，在玻璃管內密封氩. cfl的种类按放出电子的机构有ccfl (cold cathode fluorescent lamp)和 hcfl (hot cathode fluorescent lamp)两种。 荧光物质 red : y(pv)o4:eu, yvo4:eu, y2o3:eu, casio3:pb, mn green : zn2sio4:mn, lapo4:ce,tb, y2sio5:ce, tb blue : cawo4, sr2p2o7:sn, sr5(po4)3cl:eu 密封gasne, ar, hg 电

18、极 玻璃板图1-7 ccfl的构造1.3.2 背光源的构造lamp是自inverter(反向交流器)接收高电压而发生可视光线的光源。主要使用ccfl(cold cathode fluorescent lamp).还有hcfl(hot cathode fluorescentlamp)。lamp housing反射自lamp出光的光源, 入射到导光板上。使用黄铜、铝以及黄铜上附合ag等材料的薄膜反射light guide panel (导光板)主要使用丙烯（pmma)以injection molding或casting的方法而制作的，导光入射的光源，并且具有均匀分布光源的作用。reflector主

19、要是聚醚(pet)器材上为减少导光板入射的光源损失，具有反射功能。 diffuser down (扩散sheet)主要是聚醚(pet)器材上以丙烯类树脂形成球形的形状，均匀扩散自导光板出光的光源，同时起集光的作用。 bottom prism主要是聚醚(pet)器材上以丙烯类树脂起规则地形成棱柱形状而集光的作用.辉度增加率为user表面的1.55倍。top prism具有与bottom prism同样的功能，以bottom prism表面的1.33倍增加辉度.prism以相互十字交叉布置，收集x轴和y轴方向的光源。diffuser up (protector film)具有与diffuser d

20、own同样的构造，以保护prism的作用为主要目的，亦称为保护膜。要使用透过性的diffuser，由此，多少带来top prism集光的光源损失，但为减少prism特性的不良而使用。pad(衬垫)diffuser upprism upprism downdiffuser downlight guide panelplatesupporter mainlamp assyreflector图1-8 背光源(backlight)的构造 第2章 tft-lcd的制造工序2.1薄膜晶体管(tft)制造工序 tft的制造工序分坚膜、清洗、photo、刻蚀、脱膜、检测六大工序。如图所示清洗工序坚膜工序脱膜工

21、序检测工序湿刻蚀干刻蚀刻蚀工序photo工序显影r fhsisinsinhsihhhnnhhhhhpecvdmodcmomomomo ar+mo ar+溅射pr涂屏曝光fosisif4siplasmagasrf图 2-1 tft制造工序图2.1.1坚膜工序坚膜工序是指将gate电极、data(source/drain)电极、像素电极、绝缘膜、保护膜以及半导体膜, 以物理或化学方法,使其在glass(玻璃)上形成膜的工序。gate电极、data(source/drain)电极、像素电极是金属物质(铝、铬、ito、钼)，利用sputtering（溅射）物理方法，再target(主要是金属)和gla

22、ss之间的plasma（离子区）, 将target物质贴在glass上。plasma（离子区）是两个电极之间注入的不活性gas上施加高电压, 从而离子化生成。离子化的不活性gas在target上冲击, 然后脱掉的target物质移到glass而形成膜ndcglassmomomomomomo ar+targetsputteringarmo r fhsisinsinhsihhhnnhhhhhpecvdsih 图2-2绝缘膜、保护膜、半导体膜是利用化学方式的pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition)工序，即利用两个电极之间注入gas之后施加高频率

23、电源而生成的plasma(等离子)，在glass上生成膜的方式2.1.2 清洗工序 清洗工序是指将初期投入或工序中glass或膜表面的污染、particle事先除去，以免发生不良的工序。对确保膜与膜之间的黏着性有所帮助。主要unit有uv清洗unit、brush清洗unit、mega sonic unit、cj( cavitation jet) unit。2.1.3 photo 工序 photo 工序是指用膜上形成要制作形态的mask通过光, 其形态从mask移到感光剂(pr)的作业，包括感光剂涂屏(pr coating)、曝光及显像等的工序。pr coating曝光显像图2-3 photo

24、工序2.1.4 刻蚀工序 刻蚀工序是指对去除感光剂(pr)部分的膜, 利用物理、化学方法有选择地去除的工序。刻蚀方式有如下的两个方式：1.wet etching是利用化学溶液刻蚀金属物质(铝，铬， ito，钼)的方式；2.dry etching利用gas plasma刻蚀 sinx ，a-si 的方式。 fosisif4siplasmagasrfdry etchingwet etching图2-4 刻蚀工序2.1.5 脱膜工序 脱膜工序是指刻蚀工序后，去除为形成pattern而留下的感光剂(pr)的工序。脱膜工序的必须条件是完全除去pr,下部膜不应有损伤，还要维持为进行下一工序的均匀的表面状态

25、。2.1.6 检测工序检测工序是指调查/评价工序、半成品，产品的质量判定良、 不良的工序。 2.2成盒/制屏的工序 tft-lcd 的面板（屏）的组装过程，是首先将洗净后的彩膜基板与tft 的阵列基板涂布上配向膜涂液，并摩擦定向。然后在tft 的阵列基板四周涂上封框胶，并散布510 m 大小的间隔物于其上作支撑点，再将阵列基板与彩膜基板组合，以封框胶封合形成空的盒（cell）。再以两种方式注入液晶，一种方式是先将此空的cell基板裁切断、裂片、取最终显示器产品所需尺寸大小，经检查后，以真空方式注入液晶材料并加以封合；另一种方法是先注入液晶，再进行裁切断片后再封合。这两种方式所需的制作时间不同，

26、会影响总合格率也会造成生产能力的不同。tft-arraysubstratecolor filtersubstrate31.初期清洗2.调准层印刷3.滑动4.封口印刷5.spacer散布agglass6.ag dotting7.贴合11.切断12.液晶注入8.gap形成9.激光marking10.刻蚀16.检测13.清洗14.外观检测15.研磨图2-5 cell的制造工序清洗涂pi及固化摩擦取向摩擦取向摩擦后清洗涂pi及固化清洗摩擦后清洗散布隔垫层液晶滴下转印电极散布涂封框胶及固化阵列玻璃array彩色率光片c/f清洗液清洗液清洗液清洗液真空贴合紫外及固化热切割断屏切割断屏盒终检图2-6 cel

27、l的制造工序2.3 模块的工艺流程 最后将tft-lcd的panel面板与驱动电路（drive ic）、印刷电路板连接，并装上背光源以及固定框架就完成了液晶显示模块（lcm）。其工序一共有偏光板贴合、tab贴合、pcb贴合、b/l组装、老化测试、包装如图（）所示。另外每块lcm在老化的前后都要进行一次检查。case toppanelbacklightsupport mainpcb assyd-ic图2-7 模块工序的部件图2-8 模块制造工序详解2.3.1偏光板贴合主要分为清洗和偏光板的贴合两大工序。清洗包括刀洗、刷洗、冲洗、干燥：刀洗是用旋转刀片去除玻璃碎屑；刷洗是用毛刷去除灰尘和指纹；冲洗

28、是用纯水去除残留的杂质；干燥以高、低温的热风去掉微细水气。 图2-9 偏光板贴合是指利用panel板和偏光板上的信息将上下偏光板分别贴附panel板的上板和下板。 图2-102.3.2 tab 贴合tab贴合是指利用acf(anisotropic conductive film)将tab(tape automated bonding)和panel板连接。其工序包括acf附着、tab定位和本压榨：acf附着是指将acf贴附在panel板上；tab定位是利用panel板上的定位信息将tab预压在panel板上；本压榨是在高温高压下将tab完全压在panel板上并且使得连接部位的acf导通。tab贴

29、合简化图 图2-112.3.3pcb贴合 pcb贴合与tab贴合一样都是利用acf来连接，不同的是这里连接的是tab与pcb，所以由于材质的不同所使用的acf也不同，同样工程条件也不同。具体工序分为树脂涂屏，acf贴合和pcb正式压榨：树脂涂屏是为了防止水分和其它异物进入panel板内；acb贴合是将acf贴附在pcb面板上；pcb正式压榨是将pcb与tab在高温高压下压榨，并且使得连接部位的acf导通。 图2-12 2.3.4 b/l组装b/l组装是把case top、连接好tab和pcb的panel、back light以及support main用手工的方式连接起来的工序。2.3.5 老

30、化测试老化测试是把组装好的液晶模块放置在50的老化房内检测模块的连接状况，根据客户要求其老化时间各有长短。2.3.6 包装同样是利用手工的方式将测试合格的液晶模块包装出厂。第3章 结束语tft-lcd是科技含量、经济效益及社会效益都很高的技术，是现代通信和计算机等信息产业最重要的基础之一。电子计算机的普及应用，对21世纪信息化社会将产生深远的影响，而tft-lcd是电子计算机重要的人机接口。近几年来，lcd的性能提高很快，已优于crt，今后的发展前景及市场潜力很大，已成为近年来东南亚地区投资热点之一。大力发展彩色tft-lcd产业不仅可缩短与经济发达国家在信息产业上的技术差距，同时还可带动一大批相关产业的发展。目前困扰我国tft-lcd产业发展的主要因素是人才与资金的不足。故要想方设法使科研生产趋于合理，必须调整资产结构，增强投入力度，进行企业重组，形成集团优势，实现强强联合，使科研成果能迅速地转化为生产力，无疑将会加快我国tft-lcd产业的发展参考文献1田民波.电子显示.清华大学出版社，2001，56-64.2黄锡珉.tft-lcd技术的进步.液晶与显示,1999,14(2):79-88.3扬柏梁.世界tftlcd产业现状.液晶与显示,2000,15(3):154-1584李维 ，郭强，液晶显示应用技术.北京:电子