|
LCOS显示器件原理及制造技术要点
LCOS是制作在单晶硅上的一种液晶显示器件，与传统的显示技术相比具有尺寸小、分辨率高的特点，然而由于该类芯片应用的特殊性，在设计和制造时必须解决晶片的平滑度以及减小晶片弯曲等问题。本文介绍了解决这些问题的技术方法，并详细介绍了LCOS显示器的工作原理。
LCOS(liquid crystal on silicon)是一种新型的反射式液晶显示器件，与普通液晶驱动方式不同的是，LCOS结合CMOS工艺在硅片上直接实现驱动电路，并采用CMOS技术将有源像素矩阵制作在硅衬底上，因而具有尺寸小和高分辨率的特性。LCOS显示文字或图像信息的原理与普通液晶显示的原理大致相同，利用液晶分子具有很强的诱导偶极矩的特性，通过外加电场作用使液晶分子的排列与外加电场相关。液晶显示器件工作的基本原理是：当有外部光线入射时，在外电场的作用下，改变液晶分子的排列形状，使液晶作为光阀阻隔或让光线顺利透过，不同的透光率就形成了信号显示时的强弱不同。普通的TN(扭曲向列型)、STN(超扭曲向列型)、TFT(薄膜场效应晶体管)液晶显示器都是根据这一原理工作的。
LCOS显示器件结合了液晶显示技术与集成电路技术，也是液晶显示的第五代产品。其工艺结构如图1所示，图中硅背板是在常规IC芯片生产线上完成的。在带有电路的LCOS显示芯片上做出取向层，涂胶后与带有ITO电极的玻璃贴合，最后灌注液晶就形成了LCOS显示器件。液晶像素的驱动电路做在单晶硅基底上，每一个像素包括MOS晶体管电路开关、存储电容和在它们上面的铝反射面。当开关选通后，驱动电压通过液晶下面的金属层加在液晶上，产生外电场来控制液晶分子的排列，不同的液晶分子排列对来自光路的光线影响就不相同，光线经反射以后的强弱也有区别，从而实现信息显示。由于使用时硅片直接暴露在光源之下，为了防止光线对MOS器件产生影响，必须在LCOS芯片中增加一层避光层，以消除光电效应。图中的液晶衬垫起到决定液晶盒间隙的作用。
LCOS显示芯片驱动电路如图2所示：包括扫描驱动器、数据驱动器(包含DAC电路)和显示驱动矩阵。扫描驱动器中，扫描线控制像素开关(晶体管)的栅极，当晶体管导通时数据线上的信号传到像素。扫描信号通过一组移位寄存器作用，产生与数字视频信号同步的逐行扫描信号。数据输入驱动器中，串行输入的多位数字视频信号通过另一组移位寄存器，依次存入数字锁存器，然后在同一读出信号作用下，配合行扫描信号，同时输入到各列的数/模转换器(DAC)，最后输出模拟电压信号给像素电路，即一次一行地把一帧图像传送到所有列。具体到每个像素电路，由于液晶自身的电容会沿分子的取向充电，当一定量的电荷在像素上积聚时，液晶将会按所加的电场再次取向，结果会导致液晶电容变化，加在像素的电压就会改变。为每一个像素放置较大的存储电容就是为了解决这个问题。
LCOS显示色彩及灰度
典型的LCOS彩色显示是通过3片LCOS实现的。利用一套光学系统把特种LCOS全色光源分化为单色的基本光，红(R)、绿(G)、蓝(B)三色。每路单色光经过分光镜形成对应于相应的LCOS液晶屏的光源，再通过数字信号处理器把不同的显示信号加到对应的单色信号R、G、B-LCOS单色液晶屏上。当基础单色光照到液晶屏上的时候，由于电信号的不同，反射的单色光的强度就不同。反射光线再经过偏极化分光镜到彩色复合系统中，经复合产生丰富多彩的颜色，从而实现了彩色显示，这就是三片式彩色显示方式。此外，还可以采用一片LCOS显示芯片，采用空分法来实现彩色显示，即只用一片LCOS显示芯片，经过光路处理分时产生R、G、B三色图像信号，当三种色彩之间的转换频率一定高时，人眼便在复合屏上看到复合的彩色图像，这就是FSC(Field Sequential Color)方法。
在显示器中灰度等级决定了显示颜色的渐变过程，要得到更丰富的颜色和更逼真的色差就要有更高的灰度等级。在传统的CRT显示器中，灰度等级是利用阴极射线的强度来控制。前面我们提到LCOS显示的输入信号都是数字的，而加在液晶上的驱动电压是这些数字信号经过数模转换后的模拟量，这样输入数字信号的位数就决定了显示的灰度等级。目前，一般LCOS显示芯片设计时采用的都是8位的数字输入图像信号，即有28＝256级灰度。
LCOS芯片制造技术
由于LCOS芯片应用的特殊性，其晶片制造也就相应有下面一些特殊要求：
1. 平滑度
理想的LCOS晶片平坦、光滑并有很高的反射率，这样才能保证很好的液晶排列及液晶层厚度一致性，并且不扭曲反射光线。所以，用来做反射板的顶层金属必须相当平整，才能精确地控制反射光路。目前，处理顶层金属的典型工艺技术是化学机械抛光工艺(CMP)。图3示意了CMP前后硅片表面的对比情况。
2. 晶片弯曲
CMP工艺的引入是LCOS技术成为可能的一个关键。但是在其处理过程中，产生的热应力会在CMOS晶片上积累，当切割硅片时，热应力释放将导致晶片弯曲。因此，芯片设计工程师必须采取适当的布局设计，以消除热应力的影响。
3. 基于像素驱动电路的特殊设计
随着IC加工工艺的发展，通用芯片的内部电压(Vdd)不断减小以降低功耗。但是，对于LCOS芯片来说，Vdd的减小会导致液晶的响应时间加大，这是我们所不期望得到的。下面介绍一种低功耗电路，这种省电电路称为Adiabatic充电电路。可以用一个简单电容电阻电路估算不同的充电结构所用的功耗，图4为该电路结构示意图。
此外，目前的LCOS像素尺寸一般为10到12μm，为了提高显示的分辨率，必须减小像素尺寸，相应的像素间隙也要减小，最终的结果会使像素电路的边缘效应加大，这也是我们需要避免的。
本文小结
总的来说，由于LCOS芯片应用的特殊性，其芯片设计要充分考虑到液晶显示的特点，以更小的液晶区域显示更丰富的信息。LCOS技术可以说是硅平面技术与平板显示技术结合的产物，对于晶片生产和IC设计都产生了很多特殊要求。
参考文献：
1. LCOS 2001 Industry report. By Insight Media,
2. C. De Backere, M. Vermandel, and V. C. A, "Light shielding with liquid crystal on silicon displays," in Proc. of the 1998 International Display Research Conference,
3. H. De Smet, "Liquid crystal displays on monocrystalline silicon," in Proc. of the 11th Symposium and Seminar on Displays and Display Technology (VISU 99).
作者：巩志民
LCOS项目负责人
Email: atom002@sohu.com
天大天财股份有限公司
程泽
博士后
天津大学电子信息学院 |
发表于 2004-11-21 19:56:45
发表于 2004-11-23 09:32:05
