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1、液晶显示器基本理论与生产管理技术目录 编写人一 液晶显示器基本理论师少恒二 扭曲向列型液晶显示器（TN-LCD）生产技术师少恒三 前工序（玻璃输入至热压成盒）废品成因及对策师少恒四 中后工序（切割至包装入库）废品成因及对策师少恒五 液晶显示器产品的品质控制师少恒六 液晶显示器生产条件(设备、动力与环境)的要求与维护 师少恒七 液晶显示器的生产图纸绘制师少恒八 公司质量管理体系（ISO9002）师少恒一 液晶显示器基本理论1.1 液晶显示器(LCD)用液晶1.1.1 什么是液晶 最早报告发现液晶的是奥地利植物学家F.Reinitzer，他在研究胆甾醇酯类化合，观察到胆甾醇苯甲酸酯在加热到145.
2、5C时，晶体熔化了，但得到的不是透明的各向同性液体，而是一种浑浊粘稠的液体，具有流动性，同时又象晶体那样表现出各向异性的特征。继续加热，温度升到178.5C时，这种浑浊粘稠的液体变得透明了，各向异性的特征也消失。另外，在加热和冷却过程中还观察到有颜色的变化，液态的胆甾醇苯甲酸酯冷却时，最初呈现浅绿色，随着温度的降低，依次呈现深绿包、深藏青色、黄绿色、黄色、橙红色和鲜红色，凝固后成为无色固体。1888年，他把所观察到的现象和自已的观点写成论文发表在化学杂志上。因此，国际上把发现液晶的时间定为1888年。1988年在北京召开了庆祝液晶发现100周年国际会议。我们把这种既具有液体的流动性，又具有晶体
3、的各向异性特征的物质状态，称为液态晶体或简称液晶。液晶可分为二大类：溶致液晶和热致液晶。前者要加入一定的溶剂，例如水，才呈现液晶性，后者要在一定的温度范围内，才呈现液晶性。在人体内就存在溶致液晶，生物医学工作者对它感兴趣。作为显示应用的主要的热致液晶。显示用的液晶都是一些有机化合物，其分子为棒状，象“香烟”一样。分子的长度约为直径的48倍，分子量一般在200500范围内。棒状分子的基本结构如图1-1所示。图中X为连接两个苯环的基团，位于分子的中心，称为中央基团；Y、Y位于分子的两端,称为末端基团,其特点是具有极性或容易变成极性基团。例如，西佛碱（schiffbase）类液晶的中央基团X为-CH
4、=N-（苯叉基），酯基（ester）类液晶的X为-C02-（酯基），氧化偶氮基（azoxy）类液晶的X为-N=N-（氧化偶氮基），联苯（biphenyl） 0 类液晶和苯基环已烷（PCH）类液晶没有中央基团。常用的末端基团有CH3（CH2）n（正烷基），CH3（CH2）No-（烷氧基）-CN（氰基）-NO2（硝基），-F、-CF3、-OCF3、-OCHF2（含氟基团）等。液晶的各种物理、化学性质完全是这些基团所决定的，因而，可通过改变分子中某个基团的种类改善液晶的某种性质。 图1-1 液晶分子的基本结构1.1.2 液晶的结构类型液晶化合物分子中由于含有极性基团，分子间互相吸引并按照一定的规律有
5、序的排列，这也是液晶为什么具有晶体各向异性牲的原因。按液晶分子排列不同，可将液晶分成以下三种类型： 近晶型(或称近晶相) 棒状分子按分子的长轴方向互相平行或接近平行分层排列(图1-2A)。分子只能在层内转动或滑动，不能在层间移动。分子运动受到的约束较大，因而粘度较大。 向列型(或称向列相) 棒状分子按分子的长轴方向互相平行或接近平行交错排列(图1-2B)。分子除了可以转动，来回滑动外，还可以上下滑动。显然，与近晶型比，向列型液晶的粘度较低，流动性较好。它是目前显示应用的主要类型。 图1-18（A）二次光刻工艺的MIM （B）二次光刻工艺的MIM1.5.3 三端器件AM-LCD三端器件AM-LC
6、D的结构和等效电路如图1-19所示，三端器件（MOS场效应管或薄膜晶体管TFT）的栅极G 接扫描电压，漏极D接信号电压，源极S接ITO象素电极。当扫描脉冲加到G上时，使D-S导通，器件导通电阻RON很小，产生大的ON态电流ION对CLC充电，很快充到信号电压。一旦CLC上充电电压URMS值大于液晶的阈值电压VTH时，该象素单元即显示。当扫描电压移到下行时，原来单元上栅电压消失，D-S不导通，器件断态电阻ROFF很大，CLC上充的电压只能通过RLC缓慢放电。如果设计得当，可维持在此后一帧时间内CLC上的RRMSVTH，使该象素单元在一帧时间内显示，消除了扫描行数增加与对比度降低的矛盾。图1-19
7、 三端器件AM-LCD的结构及等效电路三端器件比二端器年性能更理想，因而其性能也更好。现在，彩色A-SITFT-LCD（非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器）的显示图象质量可做到与彩色CRT媲美。最早开发的三端器件是硒化镉（CDSE）薄膜晶体管，七十年代就研究用于LCD。CDSE能够在玻璃基板上低温成膜，迁移率高，驱动电路与矩阵板可一体化。但由于材料较难控制，性能的稳定性、重复性和可靠性难解决，使CDSE-TFT当时未能获得实际应用。同时，也由于那时哇器件工艺的日趋成熟，研究举就转向了单晶硅MOSFET和非晶硅薄膜晶体管（A-SITFT）。单晶硅MOSFET作为开关元件能得到极高的导通电流和断态
8、电流比；迁移率很高，不仅可把驱动电路与矩囝板一体化，而且还可以把其他电路一体化（例如，香港科技大学多年来就一直在从事这方面的研究工作），但单晶硅技术大面积化和做成透射式LCD有困难，因而目前作为主流技术是A-SI和POLY-SI TFT有源矩阵。A-SI TFT是目前研究最多、技术最成熟、生产投资规模最大的三端器件有源矩阵。A-SI TFT有多种结构类型，最典型的结构是反交错结构，其最简化的制作工艺如图1-20所示，只使用三个光刻掩模板（MASK）。首先，在玻璃基板上连续淀 积ITO膜（厚20-50nm）和CR膜（厚50-100nm），光刻图形（湿法刻蚀），然后，连续淀积栅绝缘膜SINX（厚约
9、400nm）、本征A-SI（厚50-100nm）和N+A-SI层，光刻图形（干法），再淀积A1膜，光刻形成源、漏电极，最后，以源、漏电极作为掩膜，自对准刻蚀象素电极上的CR膜和TFT源漏之间的N+A-SI膜。 图1-20 反交错结构简化制作工艺日本三洋电机公司一切的用3个MASK制作顶栅交错结构TFT（图1-21）也已进入实用化。栅极、栅绝缘膜、A-SI和栅汇线用一个MASK，遮光层和补助电容用一个MASK，象素电极用一个MASK。 图 顶栅交错结构非晶硅的迁移率低（典型值0。5-1。0CM2/VS），可把驱动电路与有源矩阵同时集成在基板上，这是它的最大优点。近年来POLY-SI TFT-LC
10、D，特别是低温POLY-SI TFT技术的研究工作比较活跃，产品已实际用于摄像机的寻象器和大屏幕投影电视。1.5.4 AM-LCD的技术特点从上述介绍看出，AM-LCD工艺是在玻璃基板上大面积成膜技术（溅射、CVD、电子束蒸镀、电阻加热蒸镀等）与类似制造LSI的微米级光刻技术的结合。它与IC技术不同处在于基板是非晶的玻片，不是单晶的SI片（单晶硅MOSFET方案除外）；微细加工精度虽不象IC要求亚微米级这样高，而只要23um，但基板尺寸不是IC的7.512.7CM(直径),而是对角线几十甚至上百CM;虽然图形可能没有IC复杂,但要求全板性能一致.因而,导致一个新的技术观念诞生巨微电子学（GIA
11、NT MICROELECTRONICS），共技术困难性就表现在“巨”与“微”的矛盾上，因为要在面积上解决有源矩阵的无缺陷制作，技术上非常困难。这使得AM-LCD的制造成品率低和成本高。为了提高成品率，降低成本，要求花巨资用于全自动化设备投资和超高洁净度环境投资（工作室洁净度10级，机器内洁净度1级）；不断增大玻璃基板尺寸，提高生产效率。从1992年第一代TFT-LCD生产线投产以来，差不多每2年就升级换代一次，基板尺寸一代比一代大，生产效率一代比一代高，产品成品率一代比一代高。因而使生产成本大幅度下降，成为大面积高档液晶显示器的主流产品。二、扭曲向列型液晶显示（TN-LCD）生产技术2.1扭曲
12、向列型液晶显示器（TN-LCD）的结构和显示原理： 扭曲向列型液晶显示器的结构如图2-1所示，它由上下两片ITO玻璃经密封胶连接成盒，并注满液晶而成，主要构件包括ITO玻璃、液晶和偏光片等。 其显示原理是：由于在制盒过程中，对ITO玻璃表面的PI层，作了特殊的定向处理，相互成90，在基板表面液晶层的分子沿着定向处理的方向排列，这样上下两层PI附近的液晶分子的定向方向互相垂直，使中间层的分子逐渐扭曲，形成了扭曲角为90的螺旋结构。当Dn.dl时，（Dn=ne-no,d为液晶层的厚度）。经过偏振片的线偏振光的偏振方向会顺着液晶分子的扭曲方向旋转90。但当液晶层的两端施加一定电压后，液晶分子由于其极
13、性的特性而顺着电场方向排列，扭曲结构消失，旋光作用也消失。利用液晶盒内液晶薄层的这种特性，我们可以设计出白底黑字和黑底白字的两种液晶显示器。对于白底黑字的显示器，我们将上下偏振片正交贴置，未加电场情况下，通过液晶层的线偏振光如图2-2所示，可以通过另一面的偏振片呈透明状态。当加电场时，通过液晶层的线偏振光刚好垂直在另一面偏振片的偏振方向，光就无法通过，呈黑态，这样我们就可以利用两种不同的光学状态达到显示的目的。2.2扭曲向列型液晶显示器（TN-LCD）的生产流程TN-LCD生产根据其工艺特性可分为前工序和中后工序。前工序包括光刻工序、定向制盒工序。前工序对环境的净化度、温湿度要求相当高，是LC
14、D生产的心脏部分，中后工序主要包括切割、灌晶、检验、贴片等工序，相对来讲，除灌晶外，其它工序对环境的净化度，温湿度就没有特别要求。下面我们详细来看一下TN-LCD生产流程图（图2-3）。2.3扭曲向列型液晶显示器（TN-LCD）的生产 TN-LCD生产过程比较复杂，工序流程多，各工序技术特点各异，同时第微毫 环境净化度、温湿度要求高，尤其对原材料的性能要求苛刻。因而LCD生产可以说是一门技术含量较高,生产难度较大的综合技术.在这里我想着重介绍一下光刻及定向制盒工序的生产技术。2.3.1光刻技术:光刻是液晶显示器制造的关键工序之一，光刻的目的就是根据显示要求，通过涂胶曝光、显影、腐蚀、脱膜工序，
15、得到我们需要的图形。目前，显示屏的图形越来越复杂，粘密度越来越高，所以粘密光刻技术在LCD生产中显得尤为重要。根据光刻的原理。影响光刻的主要因素是：1光刻胶膜的厚度、均匀性；2光密度比较均匀的平行紫外光以及合理的曝光量；3合理的显影、腐蚀条件。2.3.1.1光刻胶膜的厚度、均匀性为提高图形的分辨率，我闪希望得到比较薄的光刻胶膜，这样光的散射和平行射较轻，光刻的细小图形清晰、边缘整齐。但为了经受住较长时间的腐蚀，太薄的光刻胶膜无法腐蚀，我们应该选择合适的胶膜厚度。根据生产的实际情况，各个厂家可以选择0.8um1.5un均匀性155的光刻胶膜为宜，实际生产中，为了达到上面的要求，要注意控制好以下几点：1选择性能稳定的机器和胶辊，其中胶辊的各个参数，如材料种类硬度、沟槽的具体形状尺寸、非常重要。2使用与胶辊相对应的光刻胶的浓度，胶的浓度直接影响胶层的厚度，通常用的胶有60CP、30CP、20CP等几种规格各家工厂可根据自已具体的胶
