TFT-LCD 结构、原理及其制造工艺

TFT-LCD结构、原理及其制造工艺摘要TFT(ThinFilmTransistor)LCDLCD，是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCDCRT21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的结构、基本原理和制造工艺。关键词：TFT；晶体管；显示器；液晶；背光源；偏振片I目 录摘要 I前言 1第1章 TFT-LCD的构造与原理 2液晶材料及其性能特点 2Panel板的结构及其工作原理 3扭曲向列液晶显示器 3薄膜晶体管（TFT）液晶显示器 5背光源的结构及其原理 6背光源的分类及灯管（Lamp）的构造 6背光源的构造 8第2章 TFT-LCD的制造工序 10薄膜晶体管(TFT)制造工序 10坚膜工序 10清洗工序 11Photo工序 11刻蚀工序 12脱膜工序 12检测工序 13成盒/制屏的工序 13模块的工艺流程 15偏光板贴合 16TAB贴合 18PCB贴合 18B/L组装 19老化测试 192.3.6包装 19第3章 结束语 20参考文献 21致谢 22II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。目前从TFT-LCD设备的市场占有率来看，日本、韩国、台湾以及欧美厂商目前占据着市场主导地位。虽然我国在TFT-LCD制造设备方面的基础薄弱，但也有多年来研发各种专用设备积累起来的技术和经验，随着国内多条高世代液晶面板生产线的投建，以及日本、韩国、台湾为主要代表的设备厂商将目光投向中国市场，由此也推动了我国本土TFT-LCD设备产业的发展，加上中国经济发展的大好环境，这为国内企业进入TFT-LCD设备领域提供了发展机遇。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必将有很大的发展。1第1章 TFT-LCD的构造与原理成品主要部件是LCM,LCM是由panel板和背光源(backlight)组成。说的亮点也就是在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。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（具有双折射等光学性能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。Solid固体

LiquidCrystal液晶图1-1固体、液体、液晶的分子排布

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。2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。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。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。Panel扭曲向列（TN）液晶显示器扭曲向列（TN是英文TwistedNematic的字头缩写）液晶是带有90º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。3液晶WhiteITO玻璃液晶WhiteITO玻璃* blackTypicalT-VChar.图1-2扭曲向列（TN）液晶显示器的结扭曲向列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5µm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2—3º的倾斜角如图1-3所示。上下基片摩擦定向方向成90º，使液晶分子扭曲成90º，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30º，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.41.倾斜度是比0°高一些的1.倾斜度是比0°高一些的施加电压LC施加电压LC2.2.0°的情况2-3°施加电压薄膜晶体管（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结构基础上的。图图1-4 TFT-LCDPanel板的结构5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256167090年代形成产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)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。GATE(闸门)

SOURCE(SOURCE(DRAIN(a-si)Glass绝缘膜(Insulator图1-5TFT断面图背光源的结构及其原理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DirectLightType和Side6LightType.SideLight需要起将自侧面的上出射的光向的导光板,但DirectLight是自出射的光直接向正面出光,因此不需要导光板。LampDirectLightType

LampSideLight区分DirectLightTypeSideLightType图1-6 DirectLightType和Side区分DirectLightTypeSideLightType重量辉度轻高辉度重比较低消耗电力大(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)厚度厚薄导光板有无无(扩散板使用)有价格高档低档表1-1 DirectLightType和SideLightType的特性比较TFT-LCD光源使用的灯管是阴极荧光灯(CathodeFluorescentLamp),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。的构造大体由玻璃板、电极、密封气体、荧光体构成。银发生的紫外线扫描在玻璃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.构有CCFL(ColdCathodeFluorescentLamp)HCFL(HotCathodeFluorescentLamp)两种。7背光源的构造

玻璃板电极密封GasNe,Ar,玻璃板电极密封GasNe,Ar,荧光物质Red:Y(PV)O:Eu,YVO:Eu,YO:Eu,CaSiO:Pb,Mn4 4 23 3Green:ZnSiO:Mn,LaPO:Ce,Tb,YSiO:Ce,Tb2 4 4 2 5Blue:CaWO,SrPO:Sn,Sr(PO)Cl:Eu4 227 5 431Lamp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(ColdCathodeFluorescent Lamp).还有HCFL(HotFluorescentLamp)。2Lamphousing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3LightguidePanel(导光板)主要使用丙烯（PMMA)以InjectionMolding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。4Reflector主要是聚醚(PET)器材上为减少导光板入射的光源损失，具有反射功能。5DiffuserDown(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。6BottomPrism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。7TopPrism8具有与BottomPrism同样的功能，以BottomPrism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。8DiffuserUp(ProtectorFilm)Pad(衬垫)DiffuserUpPrismUpPrismDownDiffuserDownLightGuidePanelReflectorSupporterMainLampAssyPlatePad(衬垫)DiffuserUpPrismUpPrismDownDiffuserDownLightGuidePanelReflectorSupporterMainLampAssyPlate图1-8 背光源的构造9第2章 TFT-LCD的制造工序(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。如图所坚膜工清洗工坚膜工清洗工Photo刻蚀工脱膜工检测工序 序PECVDPR涂曝显湿刻溅射干刻GaPLASM图图2-1TFT制造工序图坚膜工序Gate电极、Data(Source/Drain)护膜以及半导体膜,,玻璃)上形成膜的工序。GateData(Source/Drain)(ITOSputtering（溅射）Target(主要是金属)GlassPlasma（离子区）,TargetGlassPlasma（离子区）Gas上施加高电压,GasTarget上冲击,TargetGlass而形成膜10SputteringArArMoMoMoMoMoDCAr+MoTARGETPECVD

Glass NRFRFHSiN图2-2PECVD(PlasmaEnhancedChemicalDeposition)GasPlasma(等离子)Glass上生成膜的方式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、MegaSonicUnit、CJ(CavitationJet)Unit。PhotoPhotoMask通过光Mask感光剂(PR)的作业，包括感光剂涂屏(PRCoating)、曝光及显像等的工序。11PRCoating 曝光 显像图2-3 Photo工序刻蚀工序刻蚀工序是指对去除感光剂(PR)部分的膜,的工序。刻蚀方式有如下的两个方式：1.WetEtching是利用化学溶液刻蚀金属物质()EtchingGasPlasmaSiNx的方式。RGaFPLASMS SWetGaFPLASMS S图2-4 刻蚀工序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。12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。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。/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5～10μm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，会影响总合格率也会造成生产能力的不同。ColorfilteColorfilte4.封口印刷1.初期清2.调准层印刷3.滑动6.Agdotting4.封口印刷1.初期清2.调准层印刷3.滑动6.Agdotting5.Spacer散布AgTFT-array3Glass16.检测12.液晶注入11.切断

8.GAP形成

贴合外观检测研磨

9.激光Marking10.刻蚀图2-5Cell的制造工序13阵 列 玻 璃

彩色率光片C/F清洗涂清洗涂PI及固化摩擦取向摩擦后清洗散布隔垫层转印电极散布

清洗液

清洗涂PI及固化摩擦取向清洗液

清洗液 摩擦后清洗涂封框胶及固化液晶滴下真空贴合真空贴合紫外及固化热切割断屏切割断屏盒终检图2-6 Cell的制造工序14模块的工艺流程最后将TFT-LCD的panel面板与驱动电路（DriveICLCTAB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。CASETOPCASETOPD-ICPANELBACKLIGHTPCBAssyBACKLIGHTSUPPORTMAINSUPPORTMAIN图图2-7 模块工序的部件15偏光板贴合偏光板贴合脱泡B/L组装Aging工序排除清洗TAB贴合PCB贴合检查包装图2-8 模块制造工序详解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。16Chip去掉 表面清洗Chip

Brush异物Brush异物- Knife旋转式(Glass Chip去掉)

-Brush清洗(去掉灰尘、指纹)D.IWater清洗 干燥-冲洗

Nozzle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。决定位置 贴合下板吸附BLOCK图2-10

偏光板

Roller17TABTAB贴合是指利用ACF(AnisotropicConductiveFilm)TAB(TapeAutomatedBonding)Panel板连接。其工序包括ACF附着、TAB定位和本压榨：ACFACFPanelPanelTAB预PanelTABPanel板上并且使得连ACF导通。Transistor

ACFColorFilterPressToolDrive-ICTABColorFilterPressToolDrive-IC

TABPCBPCBTABACFTABACFPCBPanel板内；ACBACFPCB面板上；PCB正式压榨是PCBTABACF导通。18Needle

低温/加压树脂树脂涂屏高温/加压

PCB

ACFPCB正式压榨图2-12B/LB/LCasetopTABPCBPanelBackLightSupportMain用手工的方式连接起来的工序。老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。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。19第3章 结束语TFT-LCD21世纪信息化社TFT-LCDLCD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TFT-LCDTFT-LCD产业的发展。20参考文献[1]田民波.电子显示.清华大学出版社，2006,56-64.[2]黄锡珉.TFT-LCD技术的进步.液晶与显示,2007,14(2):79-88.[3]扬柏梁.世界TFTLCD产业现状.液晶与显示,2008,15(3):154-158．[4]李维/郭