第一节 产品技术发展现状
一、TFT-LCD结构
薄膜晶体管液晶显示器由显示屏、背光源及驱动电路三大核心部件组成。
1、TFT-LCD显示屏
包括阵列玻璃基板、彩色滤光膜以及液晶材料。阵列玻璃基板制备工艺是：用三个光刻掩膜板，首先在玻璃基板上连续淀积ITO膜（厚20～50nm）和Cr膜（厚50～100nm），并光刻图形，然后连续淀积绝缘栅膜SiN：（厚约400nm），再本征a-Si（厚50～100nm）和n＋a-Si层，并光刻图形（干法）淀积Al膜，光刻漏源电极，最后以漏源电极作掩膜，自对准刻蚀象素电极上的Cr膜和TFT源漏之间n＋a-Si膜。这就是TFT反交错结构的简单制造工艺。下一步是：在玻璃基板上涂布聚酰亚胺取向层，用绒布沿一定方向摩擦，使取向层表面形成方向一致的微细沟道，控制液晶分子定向排列。在保证两块玻璃基板上下取向槽沟的槽方向正交的条件下，将两块玻璃基板上下密封成一个盒，盒间隙一般只有几个微米（如10μm），然后抽真空封灌液晶材料。
彩色滤光膜（ColorFilter）简称CF。TFT-LCD的彩色显示，实际是通过阵列基板的光，照射在彩膜上，显示屏就能显示颜色。彩色滤光膜（如同着色的玻璃纸）可以制作在透明的电极之上（透明电极和液晶层之间），也可制作在透明电极之下（透明电极和玻璃之间），上下玻璃基板与CF膜对准精度非常高，要求CF膜黑白矩阵正好对准ITO象素电极的边缘，CF膜附着在液晶盒表面，然后用两片无色偏振片夹住液晶盒。彩色显示原理可以简述为：把TFT-LCD的一个象素点分割成红、绿、蓝（R、G、B）三基色，并对应CF膜的RGB，起光阀作用的LCD对透过CF膜的三色光量，进行平衡、调节得到所要的彩色。穿过CF膜的入射光如果漏射，则会影响TFT-LCD的对比度，所以在间隙处要设置遮光的黑矩阵（BlackMatrix）简称BM。为了稳定性和平滑性，使用丙烯基树脂和环氧树脂制成厚0.5～2μm的保护层（oecota）简称OC。然后在这个保护层上面形成共用电极，即透明电极膜。BM层通常是由金属铬（Cr）制作，为了降低表面反射，也有用氧化铬（CrOx）或树脂。金属铬厚度约为1000～1500埃，用树脂、染料或颜料，作为着色层来着色。每个象素点的着色图形，因TFT-LCD的用途而不同。如可按条形、玛赛克形、三角形等排列。CF膜的特性用透过率、色纯度、对比度以及低反射化表示，所以对CF膜的要求是：高透过率和色纯度；高对比度和平整性以及极低的扩散反射。
液晶材料。据不完全统计，可以作液晶材料的高分子化合物，已超过1万种。用一种液晶材料通常很难满足器件要求的温度范围、弹性系数、介电常数、折射率各向异性以及粘度等主要技术指标，工程上必须用混合液晶来调制物理性能。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类：一类是向列相液晶。这种液晶材料，分子长轴平行，分子除转动滑动外，还可以上下移动；二是胆甾相液晶。这种液晶材料，分子在不同的平面上取向，在同一平面上，分子长轴平行各平面的指向矢，并逐层扭转呈螺旋变化；三是近相晶液晶。这种液晶材料，分子排列为层状，各层的分子长轴平行，可以相互平行移动，但分子在层与层之间不能自由滑动。液晶材料的主要特点是：具有细长分子结构，在和分子指向矢垂直和平行两个方向，其层电率、介电常数、折射率均不相同，并随温度和驱动频率等外界条件而变化。另外，折射率各向异性大，在产生同样光学效应的情况下，可以使液晶盒变薄。相同电压下的电场强度就能加快液晶盒的响应速度。
2、TFT-LCD背光源
液晶本身并不发光，外部必须施加照射光，这种外部照射光称为背光源。液晶显示器的背光源，按液晶显示面与光源的相对位置，大体上可分为边缘式、直下式和自发光式三种。白炽灯、白卤素灯为点光源，荧光灯（热阴极、冷阴极）为线光源，电致发光（EL）以及矩阵式发光二极管为面光源。边缘式背光源是在显示区的侧面，装配线光源的荧光灯。为了确保显示区亮度的均匀性，边缘式背光源均采取集光和导光措施。集光是为有效地使入射光能从一个侧面射出去，导光是将集光射出的光进行反射，使之成为平面光源；直下式背光源是在显示区的正下方，装配1只或几只并排的冷阴极灯，在冷阴极灯的上面同时装配漫散射板，以消除冷阴极灯造成的斑点；自发光式背光源是在显示区的下方，装配电致发光板。电致发光为面发光，可整面均匀发光且没有斑点，发光颜色为绿、蓝、白，亮度为30～100尼特。
TFT-LCD背光源的发展趋势是：大画面、高亮度、广视角以及薄型化、轻量化、低功耗化和低价格化。
3、TFT-LCD驱动电路
为了显示任意图形，TFT-LCD用m×n点排列的逐行扫描矩阵显示。在设计驱动电路时，首先要考虑液晶电解会使液晶材料变质，为确保寿命一般都采用交流驱动方式。已经形成的驱动方式有：电压选择方式、斜坡方式、DAC方式和模拟方式等。由于TFT-LCD主要用于笔记本电脑，所以驱动电路大致分成：信号控制电路、电源电路、灰度电压电路、公用电极驱动电路、数据线驱动电路和寻址线驱动电路（栅极驱动IC）。上述驱动电路的主要功能是：信号控制电路将数字信号、控制信号以及时钟信号供给数字IC，并把控制信号和时钟信号供给栅极驱动IC；电源电路将需要的电源电压供给数字IC和栅极驱动IC；灰度电压电路将数字驱动电路产生的10个灰度电压各自供给数据驱动；公用电极驱动电路将公用电压供给相对于象素电极的共用电极；数据线驱动电路将信号控制电路送来的RGB信号的各6个比特显示数据以及时钟信号，定时顺序锁存并续进内部，然后此显示数据以6比特DA变换器转换成模拟信号，再由输出电路变换成阻抗，供给液晶屏的数据线；栅极驱动电路将信号控制电路送来的时钟信号，通过移位寄存器转换动作，将输出电路切换成ON／OFF电压，并顺次加到液晶屏上。最后，将驱动电路装配在TAB（自动焊接柔性线路板）上，用ACF（各向异性导电胶膜）、TCP（驱动电路柔性引带）与液晶显示屏相连接。
二、TFT-LCD工作原理
首先介绍显示原理。液晶显示的原理基于液晶的透光率随其所施电压大小而变化的特性。当光通过上偏振片后，变成线性偏振光，偏振方向与偏振片振动方向一致，与上下玻璃基板上面液晶分子排列顺序一致。当光通过液晶层时，由于受液晶折射，线性偏振光被分解为两束光。又由于这两束光传播速度不同（相位相同），因而当两束光合成后，必然使振光的振动方向发生变化。通过液晶层的光，则被逐渐扭曲。当光达到下偏振片时，其光轴振动方向被扭曲了90度，且与下偏振片的振动方向保持一致。这样，光线通过下偏振片形成亮场。加上电压以后，液晶在电场作用下取向，扭曲消失。这时，通过上偏振片的线性偏振光，在液晶层不再旋转，无法通过下偏振片而形成暗场。可见液晶本身不发光，在外光源的调制下，才能显示，在整个显示过程中，液晶起到一个电压控制的光阀作用。TFT-LCD的工作原理则可简述为：当栅极正向电压大于施加电压时，漏源电极导通，当栅极正向电压等于0或负电压时，漏源电极断开。漏电极与ITO象素电极连结，源电极与源线（列电极）连结，栅极与栅线（行电极）连结。这就是TFT-LCD的简单工作原理。
三、TFT-LCD的关键技术
TFT-LCD的关键技术很多，主要有以下几个大的方面：
一是提高开口率技术。开口率指TFT-LCD显示屏光透过部分和不透过部分之比，开口率越大，亮度越高。影响开口率的主要是栅和源总线宽度、TFT尺寸、上下基板对盒精度、存贮电容尺寸及黑矩阵尺寸等。为了提高开口率，采取的办法是：将黑白矩阵和彩膜都做在TFT基板上，此办法避免了对盒精度引起的开口率下降，但成品率不是很高，成本也会相应加大。另外就是栅源总线，采用集成电路微加工技术。90年代TFT矩阵微加工约10μm，开口率为35％，微加工达到5μm时，开口率为80％。第三就是采用自对准光刻技术。主要是消除栅极和源漏极重叠形成的寄生电容。用自对准光刻技术，把栅电极作掩膜板，光刻n＋a-Si和源漏电极，以减少栅源电极之间的重叠。最后是改善栅源材料。为了增加开口率，应尽量将总线宽度取小，但要考虑由于总线电阻过大，输入信号延迟，驱动不充分，从而降低对比度的问题。通常采用Cr或MoTa金属包Al的办法，这样就能得到低电阻总线。
二是扩大视角技术。液晶分子的各向异性，决定了液晶分子空间分布的不同，不同的立体角光透过率不同，这是造成显示对比度不均匀的重要原因。因此，扩大视角是液晶显示技术的关键课题之一。一般采取的技术措施有：补偿膜技术。在液晶显示屏上，贴光漫射膜和光强补偿膜，使通过液晶屏的光均匀漫射，并补偿某些角度的光强。另外就是采用多畴技术，在象元内划分两个以上不同液晶分子排列区域，形成多畴液晶分子取向，从而达到扩大视角的目的。扩大视角技术还有IPS、ASM等方法和措施。
三是简化TFT阵列工艺。一般TFT阵列工艺刻蚀次数为7～9次，工艺流程过长，影响产品合格率和生产能力。国外文献报道，已有4次套刻工艺，比常规的TFT阵列工艺减少了一半。
第二节 产品工艺特点或流程
TFT-LCD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-SiTFT）、多晶硅TFT（p-SiTFT）、单晶硅TFT（c-SiTFT）几种。目前使用最多的仍是a-SiTFT。
a-SiTFT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RG.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。
第三节 国内外技术未来发展趋势 分析
日本东芝公司已开始批量生产10.4英寸（26cm）的UXGAP-Si工艺的薄膜晶体管液晶显示器。业内人士认为：这种技术的开发成功，将引起液晶显示领域的重大变革。
非晶硅薄膜晶体管液晶显示器（a-SiTFT-LCD）与多晶硅薄膜晶体管液晶显示器（p-SiTFT-LCD），是液晶显示器百花园里竞相开放的并蒂莲花。a-Si薄膜晶体管液晶显示器是TPBroay博士等人于70年代提出的，经过各国科学家二十多年的不懈努力，如今第四代a-SiTFT-LCD生产线已全部实现自动化，工业生产技术相当成熟，a-Si薄膜晶体管液晶显示器已成为当今世界液晶显示器的主流产品。我国吉林省TFT液晶先导工程13亿元引进的全套技术设备，就是这种a-Si薄膜晶体管液晶显示器生产技术设备。
但随着液晶显示器向大容量、高亮度和高清晰度方向不断发展，薄膜晶体管液晶显示器像元素尺寸越来越小，单元像元素充电时间越来越短，要求TFT器件具有更大的开态电流；另外为解决高密度引线的困难，显示区域与周边驱动电路必须实现一体化。这些都是传统a-Si工艺无法实现的。于是在a-Si薄膜晶体管液晶显示器快速发展的同时，科学家的 研究 热点开始转向p-Si薄膜晶体管液晶显示器，从事p-SiTFT-LCD 研究 的国家主要是日本、美国和韩国。日本起步早，投资大， 研究 水平居世界领先地位。
我国从事低温多晶硅有源矩阵显示器（LTP-SiAM-LCD）
研究
的单位主要有中国科学院长春光机所、清华大学等。中国科学院长春光机所“九五”期间承担了“硅基TFT有源矩阵液晶器技术
研究
”课题，先后有5名博士、10多名硕士参加此项
研究
工作，技术上取得多项重大突破，成功地解决了TFT开态电流大以及高迁移率p-Si材料低温大面积制作困难等工艺技术问题。近日，中国科学院长春光机所研制成功了2英寸p-SiTFT周边电路集成的AM-LCD样机。不久将投入小批量试生产，工艺技术成熟稳定后，将逐步向产业化转移。
