液晶顯示器

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液晶顯示器

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自 1970 年代以來，液晶顯示器 (LCD) 已在市場上銷售。它們通常用於手錶、計算器、收音機和其他需要指示器和三個或四個字母數字字符的產品。液晶材料的最新改進允許製造大型顯示器。雖然 LCD 僅佔半導體行業的一小部分，但隨著它們在便攜式計算機、超輕型膝上型計算機和專用文字處理器的平板顯示器中的使用，它們的重要性已經增長。隨著 LCD 最終取代電子產品中常用的最後一種真空管——陰極射線管 (CRT)（O'Mara 1993），預計 LCD 的重要性將繼續增長。

LCD 的製造是一個非常專業的過程。工業衛生監測結果表明，所監測的各種溶劑暴露的空氣污染物水平非常低（Wade 等人，1981 年）。一般來說，與其他類型的半導體製造相比，使用的有毒、腐蝕性和易燃固體、液體和氣體化學品以及危險物理試劑的種類和數量是有限的。

液晶材料是棒狀分子，例如圖1中的氰基聯苯分子。這些分子具有旋轉偏振光通過方向的特性。雖然分子對可見光是透明的，但液體材料的容器看起來是乳白色或半透明的，而不是透明的。發生這種情況是因為分子的長軸以隨機角度排列，因此光線隨機散射。液晶顯示單元被佈置成使得分子遵循特定排列。這種排列可以通過外部電場改變，從而改變入射光的偏振。

圖 1. 基本液晶聚合物分子

在平板顯示器的製造過程中，兩個玻璃基板分別加工，然後連接在一起。前基板被圖案化以創建濾色器陣列。後玻璃基板被圖案化以形成薄膜晶體管和金屬互連線。這兩塊板在組裝過程中配對，如有必要，可切片並分離成單獨的顯示器。液晶材料被注入到兩個玻璃板之間的間隙中。檢查和測試顯示器，並將偏振膜應用於每個玻璃板。

製造平板顯示器需要許多單獨的過程。他們需要專門的設備、材料和工藝。下面概述了某些關鍵過程。

玻璃基板製備

玻璃基板是顯示器必不可少且昂貴的部件。在過程的每個階段都需要對材料的光學和機械性能進行非常嚴格的控制，尤其是在涉及加熱時。

玻璃製造

兩種工藝用於製造具有非常精確的尺寸和可重現的機械性能的非常薄的玻璃。由康寧開發的融合工藝利用一根玻璃進料棒在楔形槽中熔化並向上流動並流過槽的兩側。熔融玻璃順著槽的兩側流下，在槽底匯合成單片，可作為均勻的片狀向下拉。玻璃板的厚度由拉下玻璃的速度控制。可以獲得高達近 1 m 的寬度。

其他尺寸適合 LCD 基板的玻璃製造商使用浮法製造。在這種方法中，允許熔融玻璃流出到熔融錫床上。玻璃不溶解或與金屬錫發生反應，而是漂浮在表面。這允許重力平滑表面並允許兩側變得平行。（見章節 玻璃、陶瓷及相關材料.)

可提供各種基板尺寸，最大可達 450 × 550 mm 或更大。平板顯示器的典型玻璃厚度為 1.1 毫米。較薄的玻璃用於一些較小的顯示器，如尋呼機、電話、遊戲機等。

切割、倒角和拋光

玻璃基板在熔合或浮法後被修整成一定尺寸，通常邊長約 1 m。根據材料的最終應用，成型過程之後會進行各種機械操作。

由於玻璃易碎且容易在邊緣碎裂或破裂，因此通常對這些玻璃進行斜切、倒角或其他處理以減少處理過程中的碎裂。邊緣裂紋處的熱應力在基板處理過程中累積並導致破損。玻璃破碎是生產過程中的一個重要問題。除了員工割傷和撕裂的可能性外，它還代表產量損失，玻璃碎片可能留在設備中，導致顆粒污染或劃傷其他基板。

增加的基板尺寸導致玻璃拋光的難度增加。使用蠟或其他粘合劑將大型基板安裝到載體上，並使用研磨材料漿進行拋光。此拋光過程之後必須進行徹底的化學清潔，以去除任何殘留的蠟或其他有機殘留物，以及研磨或拋光介質中包含的金屬污染物。

清潔

清洗工藝用於裸露的玻璃基板和覆有有機薄膜的基板，如彩色濾光片、聚酰亞胺取向膜等。此外，具有半導體、絕緣體和金屬膜的基板需要在製造過程中的某些點進行清潔。至少，在濾色器或薄膜晶體管製造中的每個掩蔽步驟之前都需要清潔。

大多數平板清潔採用物理和化學方法的結合，並有選擇地使用乾法。化學蝕刻或清潔後，通常使用異丙醇乾燥基材。（見表 1。）

表 1. 平板顯示器的清潔

物理清潔	乾洗	化學清洗
毛刷擦洗	紫外線臭氧	有機溶劑*
噴射噴霧	等離子體（氧化物）	中性洗滌劑
超聲波	等離子體（非氧化物）
兆聲波	激光	純淨水

* 化學清洗中常用的有機溶劑包括：丙酮、甲醇、乙醇、 n-丙醇、二甲苯異構體、三氯乙烯、四氯乙烯。

彩色濾光片形成

前玻璃基板上的濾色器形成包括前面板和後面板共有的一些玻璃精加工和準備步驟，包括斜切和研磨工藝。在基板上反復進行構圖、塗佈、固化等操作。與硅晶圓加工存在許多相似點。玻璃基板通常在軌道系統中進行清潔和塗層處理。

濾色器圖案化

各種材料和應用方法用於為各種平板顯示器類型創建濾色器。可以使用染料或顏料，並且可以通過多種方式沉積和圖案化任何一種。在一種方法中，使用接近印刷設備和標準光致抗蝕劑，在連續的光刻操作中沉積和染色明膠。另一方面，使用分散在光致抗蝕劑中的顏料。用於形成濾色器的其他方法包括電沉積、蝕刻和印刷。

ITO沉積

濾色器形成後，最後一步是透明電極材料的濺射沉積。這是氧化銦錫 (ITO)，它實際上是氧化物 In 的混合物₂O₃ 和二氧化錫₂. 這種材料是唯一適用於 LCD 透明導體應用的材料。顯示器的兩面都需要一層薄的 ITO 薄膜。通常，ITO 薄膜是使用真空蒸發和濺射製成的。

ITO 薄膜很容易用鹽酸等濕法化學品蝕刻，但隨著電極間距變小和特徵變得更精細，可能需要干法蝕刻以防止由於過度蝕刻而導致的線路底切。

薄膜晶體管形成

薄膜晶體管的形成與集成電路的製造非常相似。

薄膜沉積

基板從薄膜應用步驟開始製造過程。薄膜通過 CVD 或物理氣相沉積 (PVD) 沉積。等離子體增強 CVD，也稱為輝光放電，用於非晶矽、氮化矽和二氧化矽。

設備圖案化

一旦沉積了薄膜，就施加光致抗蝕劑並成像以允許將薄膜蝕刻到適當的尺寸。與集成電路製造一樣，一系列薄膜被沉積和蝕刻。

定向膜應用和摩擦

在上基板和下基板上，都沉積了一層聚合物薄膜，用於在玻璃表面定向液晶分子。這種取向膜可能有 0.1 μm 厚，可以是聚酰亞胺或其他“硬”聚合物材料。沉積和烘烤後，用織物沿特定方向摩擦，在表面留下幾乎察覺不到的凹槽。可以用皮帶上的一次穿過的布進行摩擦，從一側的輥進給，通過與基材接觸的輥下方，到達另一側的輥上。基材在布下以與布相同的方向移動。其他方法包括在基板上移動的移動刷。摩擦材料的絨毛很重要。凹槽用於幫助液晶分子在基板表面排列並呈現適當的傾角。

取向膜可以通過旋塗或印刷沉積。打印方法在材料使用上更有效； 70-80%的聚酰亞胺從印刷輥轉移到承印物表面。

裝配

基板摩擦步驟完成後，將開始自動裝配線序列，其中包括：

粘合劑應用（密封面板所需）

墊片應用

一塊板相對於另一塊板的位置和光學對準

暴露（熱或紫外線）以固化粘合劑並將兩塊玻璃板粘合在一起。

頂板和底板的自動傳輸通過生產線進行。一個板接收粘合劑，第二個板被引入到間隔物塗抹器站。

液晶射出

在襯底上構造了一個以上顯示器的情況下，現在通過切片將顯示器分開。此時，可以利用密封材料中留下的孔將液晶材料引入基板之間的間隙中。然後密封該入口孔並準備進行最終檢查。液晶材料通常以在註射時混合的二元或三元系統的形式交付。注入系統提供電池的混合和清洗，以避免在填充過程中產生氣泡。

檢驗與測試

檢查和功能測試在組裝和液晶注入後進行。大多數缺陷與顆粒（包括點缺陷和線缺陷）和單元間隙問題有關。

偏振片附件

液晶顯示器本身的最後製造步驟是將偏振器應用到每個玻璃板的外部。偏光膜是複合膜，其中包含將偏光器粘附到玻璃上所需的壓敏粘合劑層。它們由自動機器施加，這些機器從卷或預切板中分配材料。這些機器是為其他行業開發的貼標機的變體。偏光膜貼在顯示器的兩側。

在某些情況下，在偏振器之前應用補償膜。補償膜是在一個方向上拉伸的聚合物膜（例如，聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯）。這種拉伸改變了薄膜的光學特性。

一個完整的顯示器通常會將驅動器集成電路安裝在其中一個玻璃基板上或附近，通常是薄膜晶體管一側。

危害性

玻璃破碎是 LCD 製造中的一個重大危險。可能會發生割傷和撕裂傷。接觸用於清潔的化學品是另一個問題。

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出版於 83. 微電子與半導體

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