技术前沿TFT薄膜晶体管显示与图像传

提到TFT器件，一般都会认为是平板显示器的一种技术，其实TFT器件是很多半导体器件的基础结构，是很多信号输入驱动与传感器接收转换线路的底层设计单元。

TFT=Thin-FilmTransistor=薄膜晶体管，是平板显示驱动线路和平板接收传感器线路的核心线路器件工艺，即可以通过放大外部信号，形成驱动电极波形，也可以接受外部光电转换器生成电信号成为传感器信号源处理单元。有TFT显示驱动背板和TFT图像传感器两大类，有CMOS（驱动部分电路为n–MOS和p–MOS构成）和PMOS（驱动部分电路为p–MOS构成）两种技术。

据AIOT大数据了解，根据制作电子电路的材料类型不同分类，几乎所有的金属和绝大部分半导体材料都能制作成TFT器件，常用的主要有a-SiTFT（非晶硅）、LTPSTFT（低温多晶硅）、HTPSTFT（高温多晶硅）、LTPOTFT(低温多晶氧化物)、IGZOTFT(氧化铟镓锌-金属氧化物)等几大类。

TFT应用

非晶硅薄膜晶体管（a-Si：HTFT）

薄膜晶体管（TFT）是平板显示器制造行业的核心技术，其价值相当于硅芯片对计算机行业的影响。

在20世纪60年代发明液晶显示技术的初期，使用简单的X-Y电极寻址方式对液晶显示器像素进行寻址，显示图像存在大量的串扰，即一个像素会被邻近像素的变化所干扰；后来提出了在每一个X-Y电极的交叉点设计一个具有开关作用的TFT薄膜晶体管和一个电容，用电容来存储和保持施加在该像素液晶上的电压。最早都是使用CdSe作为TFT的有源层，年前后开始研究使用非晶硅材料做有源层的TFT特性。相比纯非晶硅，氢化非晶硅（a-Si：H）能通过施主和受主掺杂来分别形成N型和P型半导体材料，氢能钝化在非晶硅散乱网格中的由位于禁带中的大量悬挂键引起的缺陷态，钝化过程使得非晶硅具有类似晶体硅的特性。

尽管CdSe比a-Si：H的迁移率更高，但它是一种多晶态化合物半导体，它的特性受晶粒尺寸、晶界界面态和化学计量比等因素影响，且对周围的水汽和氧气敏感。a-Si：H无晶界、通过氢的钝化作用既不改变本体特性，又提高了其电学特性。a-Si：HTFT由于具有优良的电学特性、可在玻璃基板上制作，能部分集成周边驱动电路等特点，目前已经是应用最广、工艺最稳定、适合于批量生产的TFT技术。

氢化非晶硅薄膜晶体管根据有源层、栅极和漏极的位置可以划分为交错型、共面性、反交错型和反共面型，如下图所示。

a-Si：TFT的典型结构形式

不同的结构形式，制作方法和电学性能也各不相同。目前，最常用的是反交错型结构。栅极和源极、漏极位于半导体层的两侧，这种结构也称为底栅TFT。首先在玻璃衬底上沉积栅极金属层，然后依次沉积绝缘层、a-Si：H层、n+a-Si：H和源极、漏极金属层。薄膜晶体管的工作状态和开关作用如下图所示。

a)控制电压

b)开关作用：信号读取

c)控制电压

d)开关作用：信号收集

a-si:HTFT薄膜晶体管也是一种绝缘栅场效应晶体管，它的工作原理跟单晶硅MOSFET工作原理基本相同。所不同的是MOSFET是以晶体硅做为基体和耗尽层，而a：siTFT是以玻璃为基体、非晶硅为耗尽层。

a-siTFT只是一个受控于栅电极的开关阵列，可以连接任何阵列式像素以实现对像素的控制功能。

低温多晶硅LTPSTFT

LTPS：低温多晶硅技术LTPS（LowTemperaturePoly-silicon）最初是日本北美的技术企业为了降低Note-PC显示屏的能耗，令Note-PC显得更薄更轻而研发的技术，大约在九十年代中期这项技术开始走向试用阶段。由LTPS衍生的新一代有机发光面板OLED也于年正式走上实用阶段，它的最大优势在于超薄、重量轻、低耗电，可以提供更艳丽的色彩和更清晰的影像。

据AIOT大数据了解，随后由于性能改进，也跨界到TFT传感器件的制作领域，但由于信号数据均匀性较差，没有得到想象中的推广应用。

LTPS结构示意图（图：百度百科）

LTPS制造过程是在a-Si层上进行激光照射以使a-Si结晶（图：百度百科）

LTPS大大减少了元器件数量，可靠性增强、故障率降低（图：百度百科）

根据LTPS的制作方式可以分为CMOS和PMOS技术，CMOS：驱动部分电路为n–MOS和p–MOS构成,无外部IC但一般需要9次Mask。

PMOS：驱动部分电路为p–MOS构成需部分IC,一般需要5次Mask。与CMOS技术相比,PMOS结构更为简单,只集成部分周边电路,工程理论上可以简化到a-Si的水平。虽然LTPS的Mask数量理论上为5-9次。

LTPS工艺流程

脱氢时为了减少在晶化过程时因为H含量过多,而多晶硅表面粗糙度、颗粒大小及质量下降。一般要求制作LTPS层前的a-Si层含H量要小于2%。一般PECVD含有10-15%的H。主要的脱H方式为：

批处理(Batch)：在℃下,N2环境中进行1Hour热处理方式将H含量降到2%以下。

准分子激光发：先照射W以下的准分子激光,去除薄膜内氢气,期后再增加激光能量,使薄膜结晶。该方式不需要加热,但是会降低准分子激光设备的利用率。

LTPS晶化有4种形式(TableI2)：

固相晶化法(SPC：SolidPhaseCrystallization),如LGDisplayE2。

金属诱导横向晶化法(MIC/MILC：MetalInduced(Lateral)Crystallization)。

准分子激光退火法(ELA：ExcimerLaserAnnealing),如BOEB2、AUOL3D和L4B、LGDisplayE3和SamsungDisplayA1-A4。

循序性横向晶化(SLS：SequentialLateralSolidification)。

现有的LTPS工艺为LDD(LightDopedDrains)方式,即在硅结晶后对沟道进行轻掺杂。即需要对沟道进行掺杂和离子注入。

在离子注入到薄膜内部后会对薄膜的晶格结构产生破坏,使得薄膜内部呈现非导电性质。

则为了恢复完整的晶格与降低面电阻,需要进行激活处理以修复基板的应力和缺陷。

LTPS晶化方式

离子注入

离子激活

BasicsofLTPS-ELAEquipment

ELA为现有主流LTPS制作工艺,并逐渐被各大生产厂商所采用。采用ELA方式制作LTPS的TFT时,必须使用ELA激光结晶炉(MILC则需要MILC金属诱导结晶炉)。

LTPS:ELA工艺的时长(TackTime)除去技术挑战外还取决于ELA工艺的时间。ELA工艺的时间与激光光源的长度有一定的关系。

据AIOT大数据了解，还有一种另类LTPSTFT，CGS（CG-silicon）连续粒状结晶硅屏幕技术是属于LTPS的一个变种（夏普官方原文"CG-siliconisavariantoftheLTPSprocessusinglaserannealingtogetlargerdomains”），它的载流子移动速度是LTPS（LowTemperaturePoly-silicon，低温多晶硅）技术的3倍，是普通a-Si（非晶硅）技术的倍。可以实现更高的开口率，在同样的背光亮度条件下，屏幕亮度更高，而在屏幕亮度不变的情况下，能够使用更低亮度的背光以节约电量。此外它更轻薄，耐冲撞及扭曲。

HTPSTFT（高温多晶硅）

HTPS是HighTemperaturePoly-Silicon的缩写，翻译成中文是"高温多晶硅"的意思，一般俗称高温玻璃。它是LCD显示家族中的一支，属于主动点矩阵式LCD（AcTIveMatrixLCD），因此，HTPS也是TFT（ThinFilmTransistor；薄膜晶体管）的一种。

HTPSLCD为多晶硅TFTLCD的制程技术之一。之所以被称为高温玻璃，是因为在面板的制造过程中，有一道LaserAnneal（雷射退火）制程，它的温度超过摄氏0度。在多晶硅制程发展初期，为要将玻璃基板之非晶硅结构转变成多晶硅结构，必须以摄氏0度以上的高温氧化技术，才能将非晶硅结构特性转化为多晶硅结构。由于普通玻璃无法如此高温处理，只有石英玻璃才能如此处理，其价格较为昂贵且尺寸皆较小，故于多晶硅制程发展初期，厂商基于成本考虑，多走非晶硅路线。

此外，另有一种同属于TFTLCD的LTPSLCD（LowTemperaturePoly-Silicon；低温多晶硅）。LTPSLCD之所以称为低温，是由于其制程温度没有那么高，仅约摄氏～度之间，且依各个制造商的制程而稍有差异。低温多晶硅制程是利用准分子雷射作为热源，雷射光经过投射系统后，会产生能量均匀分布的激光束，投射于非晶硅结构的玻璃基板上，当非晶硅结构玻璃基板吸收准分子雷射的能量后，会转变成为多晶硅结构，因整个处理过程都是在摄氏度以下完成，所以一般玻璃基板皆可适用。低温多晶硅技术主要特点在于改变液晶构造以提升传统非晶硅液晶技术性能及降低制造成本。由于LTPS技术可提升电子迁移率达（cm2/V-sec），有利于TFT组件小型化，并提高面板开口率，使得显示亮度增加、降低耗电率。此外，低温制程有利于使用玻璃基板，而可大幅降低生产成本。HTPS与LTPS其主要用途并不相同。

HTPSLCD应用领域HTPS的应用领域，通常都是用来做为放大型的显示产品。例如液晶投影机、背投影电视等。一般来说，手机或是计算机的LCD屏幕，都是属于直视型，也就是使用者可以直接观看屏幕并读取信息。HTPS虽然也是TFT的一种，但无法直接用于手机或计算机屏幕等用途。

HTPSLCD的应用大致分为下列三种：OHD（OverHeadDisplay）、Helmet及LV（LightValve）。

其主要用途介绍如下：

OHD：抬头显示器，将影像投影在挡风玻璃上（或是透明玻璃），用在汽车或是飞机上，在许多空战片当中可以一窥其面貌；

Helmet：此处是指专门用在虚拟幻境（VirtualReality）头盔里之显像；LV：可翻译成光阀。当HTPS在液晶投影机中动作的时候，由于所有的光线都会透过HTPS，并由HTPS来决定光穿透的程度，因此，它被称为“光之阀门”。

HTPSLCD面板特色HTPSLCD具有体积小、高分辨率、高穿透度等优点，因此特别适合用来做为三片式穿透式液晶投影机。而使用HTPSLCD的三片式穿透式液晶投影机，具备了三项特色，可提供观赏者明亮、柔和及色彩正确自然的视觉经验。

LTPOTFT(低温多晶氧化物)

LTPO的全称是“LowTemperaturePolycrystallineOxide”，翻译成中文是“低温多晶氧化物”，是目前OLED屏幕主流LTPS与IGZO方案的结合体。

LTPO材料的全称就叫做——低温（LowTemperature）、多晶（Polycrystalline）、氧化物（Oxide）。

LTPO屏幕的发光晶体管、驱动晶体管依旧使用了LTPS材料，把开关晶体管的材料从低温多晶硅替换成了氧化铟镓锌（IGZO）。

根据行业测试，IGZO材料的晶体管在关闭状态下几乎不漏电，比a-Si和LTPS强了不是一点半点，开启状态需要的电流也低于LTPS。

据AIOT大数据了解，在平板显示应用中，长时间不对存储电容（Cst）充电，也不会因为漏电导致屏幕闪烁，这是1Hz极低刷新率实现的硬件基础。

在OLED面板中，为了提高面板分辨率，常规的做法是增加TFT电子迁移率并将电容器变小，同时由于OLED每个像素具有多个晶体管，电容器尺寸必须更小。

电容器变小势必会使得沟道电阻电信号延迟，最有效的做法便是通过LTPS提升电子迁移率，以达到省电的效果。但LTPS仍然有一个很大的问题，它难以应用于大尺寸基板，并且LTPS对中小尺寸OLED面板高性能状态未进行优化，也就是我们在手机、笔记本上已经经常提到的高刷新率屏幕都会在LTPS下，带来更高的功耗。

从LTPO工艺专利文件来看，LTPO需要在LTPS的基础上，再建立一个氧化物层。去年最主要的攻关之一是，厂商需要确保在铺设氧化物层的时候，不影响原本LTPS层间介质中的晶体管特性。

LTPO结构图（来源：LGDisplay）

那么它是如何结合的呢？它是将LTPS和氧化物设计放置在同一个像素中，据AIOT大数据了解，LTPO用于驱动显示器，氧化物用于开关。简单的说就是在同一个像素中集成了LTPS和Oxide两种TFT器件，Oxide是底栅结构，LTPS是顶栅结构。这种新工艺结合了LTPSTFT工艺驱动能力强和OxdeTFT工艺漏电小功耗低的优点。

其实在平板显示应用中，据AIOT大数据了解，LTPO也并非唯一探究屏幕省电技术的门路，主流认为可以被应用于OLED基板的技术除了前面提到的LTPS、硅基，还有来自夏普的IGZO，以及来自韩国延世大学的二硫化钼晶体管。

IGZOTFT(氧化铟镓锌-金属氧化物)

IGZO英文全称是IndiumGalliumZincOxide，中文译名为铟镓锌氧化物，是一种薄膜电晶体技术，是应用于新一代薄膜晶体管技术中的沟道层材料,属于金属氧化物面板技术的一种。它的主要构成是在TFT主动层上打上一层金属氧化物，正如我们开篇所说，它是基于TFT驱动进行的改进技术。

薄膜场效应晶体管图（图：百度百科）

IGZO的载流子迁移率是非晶硅的20-30倍（明显跟LTPS的倍没法比），在平板显示驱动领域可以大大提高TFT对像素电极的充放电速率、提高像素的响应速度、实现更快的刷新率，同时更快的响应也大大提高了像素的行扫描速率，很容易实现超高4K\8K分辨率。

IGZO技术图解（图：百度百科）

另外，由于晶体管数量减少和每个像素的透光率提升，在平板显示应用中采用IGZO技术的屏幕相较于非晶硅面板具有更高的能效水平。并且由于不用重新建立新的生产线（它可以利用现有的非晶硅生产线制造面板），在成本上比LTPS技术更有竞争力。

TFT图像传感器应用

集成电路的种类很多，按照制作工艺可以分为半导体集成电路和薄膜集成电路；按导电类型可以分为双极型集成电路（如：TTL）和单极型集成电路（如：CMOS、NMOS、PMOS）。CCD和CMOS图像传感器都属于半导体集成电路，成像面的大小受到了晶圆直径的限制，要制成大面积的感应区域只能使用拼接技术来解决。

薄膜集成电路是整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容等元件以及它们之间的连接引线，全部用厚度在1微米以下的金属、半导体、金属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸发、溅射和电镀等工艺制成的集成电路。

薄膜集成电路中的有源器件，即晶体管，有两种材料结构形式：一种是薄膜场效应硫化镉或硒化镉晶体管，另一种是薄膜热电子放大器。更多的实用化的薄膜集成电路采用混合工艺，即用薄膜技术在玻璃、微晶玻璃、镀釉和抛光氧化铝陶瓷基片上制备无源元件和电路元件间的连线，再将集成电路、晶体管、二极管等有源器件的芯片和不使用薄膜工艺制作的功率电阻、大容量的电容器、电感等元件用热压焊接、超声焊接、梁式引线或凸点倒装焊接等方式，就可以组装成一块完整的集成电路。

TFT图像传感器设计十分规范，主要由TFT原材料材质特性和加工工艺参数，就能生成完成的TFT图像传感器生产工艺包，制作成大批量量产的标准品。

TFT显示驱动背板应用技术

在数字驱动方案中，每一信号单元像素与一开关相连，TFT仅作模拟开关使用，灰度级产生方法包括时间比率灰度和面积比率灰度，或者两者的结合。目前，模拟像素电路仍占主流，但在灰度级实现上，模拟技术与时间比率灰度和面积比率灰度理论相结合将会是将来的一个发展趋势。在模拟方案中，根据输入数据信号的类型不同，单元像素电路可分为电压控制型和电流控制型。

电压控制型像素电路

1.两管TFT结构

电压控制型单元像素电路以数据电压作为视频信号。最简单的电压控制型两管TFT单元像素电路如图1所示。

图1两管TFT驱动电路

其工作原理如下：当扫描线被选中时，开关管T1开启，数据电压通过T1管对存储电容CS充电，CS的电压控制驱动管T2的漏极电流;当扫描线未被选中时，T1截止，储存在CS上的电荷继续维持T2的栅极电压，T2保持导通状态，故在整个帧周期中，OLED处于恒流控制。

其中（a），（b）被分别称为恒流源结构与源极跟随结构，前者OLED处于驱动管T2的漏端，克服了OLED开启电压的变化对T2管电流的影响;后者在工艺上更容易实现。两管电路结构的不足之处在于驱动管T2阈值电压的不一致将导致整个显示屏的亮度的不均匀，OLED的电流和数据电压呈非线性关系，不利于灰度的调节。

2.三管TFT结构

基于第二代电流传输器原理的电压控制型像素单元电路如图2所示，虚线左边可视为外部驱动电路，右边为单元像素电路。

图2基于第二代电流传输器原理的像素电路

在控制模式下，T2和T3开启，T1和运算放大器构成第二代电流传输器，由于运算放大器的放大倍数可以取得很大，T1管的阈值电压对电流的影响变得不敏感，此时，流经T1的电流：

IT1=Vin/Rin

并且T1管源极电压应低于OLED的开启电压，防止OLED开启。在保持模式下，T2和T3关断，存储电容Cs维持T1管的栅极电压，电流经T1进入OLED。其中放大器由COMS电路实现，所有同行像素可共用一个运算放大器。

仿真结果表明，尽管T3管存在电荷注入与时钟馈漏效应，使得OLED电流略小于控制电流;在OLED标称电流为1μA，阈值电压漂移超过5V时，控制电流、OLED电流相对误差分别为-0.18%、5.2%，成功补偿了TFT的空间不均性和不稳定性。

虽然电压控制型电路具有响应速度快的特点，但由于不能准确地调节显示的灰度，难以满足显示的需求，于是人们提出电流驱动方案。电流控制型单元像素电路是以数据电流作为视频信号的。

3管电流控制型TFT像素电路

4-TFT电流控制电流镜像素电路

举例：TFT如何驱动LCD液晶显示

TFT液晶显示屏采用的是有源矩阵动态驱动法。TFT液晶显示屏的驱动方式及电路十分复杂，下面仅从图像色彩显示角度，对其驱动原理进行简要介绍。

TFT-LCD驱动原理

一个TFT元件就相当于一个电控开关，扫描线（栅极）控制开关的打开和闭合，数据线（源极）提供液晶显示不同亮度所需要的灰阶电压。当在扫描线（栅极）上施以高电压时，TFT元件打开，灰阶电压就能从数据线（源极）进入像素电极（漏极），并经由透明像素电极施加于液晶层上，改变液晶的站立角度从而显示预定灰阶。

整个TFT-LCD面板的显示区域就是由数百万个独立TFT元件控制的像素矩阵构成。如下图，当扫描线打开第三行像素时，数据线会将第三行像素所需要的灰阶电压写入，然后关闭第三行，使其处于电压保持状态，同时打开第四行扫描线，写入第四行像素所需的灰阶电压，完成写入后关闭第四行，并开启第五行像素，依序逐行写入面板各行像素所需灰阶电压。

从驱动方式上看，TFT液晶屏将所有的行电极作为扫描行连接到栅极驱动器上，将所有列电极作为列信号端连接到源极驱动器上，从而形成驱动阵列，驱动阵列的等效电路如下图所示。

等效电路

TFTLCD驱动图像显示过程

（1)液晶显示屏图像的显示

下面以×分辨率的液晶屏为例，归纳一下液晶显示屏显示图像的过程和容易混淆的问题。

分辨率为×的液晶屏，共需要x3x个点来显示一幅画面。下图所示为x3×液晶屏驱动框图。

如果把一个液晶显示屏平面分成X-Y轴，分辨率为×的屏幕，在X轴（水平方向）上会有x3=列，由8个路输出的源极驱动器（如EK）负责驱动；而在Y轴上，会有行，由3个路输出栅极驱动器（如EK）负责驱动。

在液晶显示屏中，每个TFT开关管的栅极连接至水平方向的扫描线，源极连接至垂直方向的数据线，而漏极连接至液晶像素电极和存储电容。显示屏一次只启动一条栅极扫描线，以将相应一行的TFT开关管打开。此时，垂直方向的数据线送入对应的视频信号，对液晶存储电容充电至适当的电压，便可显示一行的图像。

接着关闭TFT开关管，直到下次重新写入信号前，使得电荷保存在电容上，同时启动下一条水平扫描线，送人对应的视频信号。

依次将整个画面的视频信号写入，再从第一条重新写入信号，此重复的频率称为帧频（刷新率），一般为60~70Hz。为便于理解，下图给出了1帧栅极扫描信号的波形图。

如前所述，对于x分辨率的液晶显示屏来说，有行和×3=列。一般液晶彩电的刷新频率为60Hz，此时，每一幅画面的显示时间约为11(60s)=16.67ms。由于画面的组成为行栅极走线，所以分配给每一条栅极走线的开关时间约为16.67ms/=21.7μs。因此，在栅极驱动器送出的波形中，是一个接着一个宽度为21.7μs的脉冲波，依序打开每一行的TFT开关管。而源极驱动器则在这21.7μs内，经由源极走线，将显示电极充放电到所需的电压，便可显示出相对应的图像内容。

需要再次说明的是，加在液晶TFT管源极的驱动电压，不能像CRT显像管阴极那样是一个固定极性的直流信号。因为液晶显示屏内部的液晶分子如果处于单一极性的电场作用下，则会在直流电场中发生电解反应，使液晶分子按照不同的带电极性而分别趋向于正、负两极堆积发生极化作用，从而逐渐失去旋光特性而不能起到光阀作用，致使液晶屏工作寿命终止。因此，要正确使用液晶，不能采用显像管式的激励方式，而是既要向液晶施加电压以便调制对比度，又要保证所加电压符合液晶驱动要求，即不能有平均直流成分。具体的方法是在显示屏的源极上，加上极性相反、幅度大小相等的交流电压。由于交流电的极性不断变化倒相，故不会使液晶分子产生电解极化作用，而所加电压又能控制其透光度，从而达到调整对比度的目的。

(2)液晶显示屏彩色的显示

TFT液晶显示屏之所以能够显示出色彩逼真的彩色，是由其内部的彩色滤色片和TFT场效应管共同协调工作完成的。下面结合下图所示电路图进行说明。图中展示了液晶屏上一组三基色像素的示意图。

从图中可以看出，在t时刻，R、G、B三基色像素从源极驱动器输出，加到源极驱动电极n-l、n、n+l上，即各TFT管的源极S上，而此时（即t时刻），栅极驱动器输出的行驱动脉冲只出现在第m行，因此，第m行的所有TFT开关管导通，于是，R、G、B驱动电压vl、V2、V3分别通过第m行导通的TFT管加到漏电极像素电极上，故R、G、B三基色像素单元透光，送到彩色滤色片上，经混色后显示一个白色像素点。

下图给出了显示三个连续白色像素点的示意图。显示的工作过程与前述类似，即在t，时刻，第m-l行的TFT管导通，于是在第m-l行的对应列处显示一个白色像素点；在t2时刻，第m行的TFT管导通，于是在第m行的对应列处显示一个白色像素点；在t3时刻，第m+l行的TFT管导通，于是在第m+l行的对应列处显示一个白色像素点；由于t1、t2、t3之间的间隔很小，因此，人眼看不到白色像素点的闪动，而看到的是三个竖着排放的白色像素点。

以上介绍的只是显示白色的情况，若显示其他颜色，原理是相同的。例如，若要显示黄色，只需要R、G两像素单元加上电压，使R、G透光显示出滤色片的颜色；同时，不给B像素单元加电压，因此，B像素单元不能透光而呈黑暗状态。也就是说，在三基色单元中，只有R、G两单元发光，故能呈现黄色。

可见，如果将视频信号加到源极列线上，再通过栅极行线对TFT场效应管逐行选通，即可．控制液晶屏上每一组像素单元的发光与否及发光颜色，从而达到显示彩色图像的目的。各基色像素单元的源极列线，按照三基色的色彩不同而分为R、G、B三组，分别施加各基色的视频信号，就可以控制三基色的比例，从而使液晶屏显示出不同的色彩。

平板显示器的TFT驱动线路制作方法

1.利用沉淀形成gatemetal。首先在玻璃基板上涂布一层金属，然后涂上光阻胶，最后通过暴光、显影、蚀刻和除胶而形成gatemetal。涂布的金属材料主要成分为：钛（TI）、铝（AL）、钼（MO）和铬（CR）以及其混合物。

2.沉淀SI3N4（氮化硅）、a-SI（非晶硅）和N+a-si（N型硅）。首先利用PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)技术分别涂布一层SI3N4、N+a-si和a-si，然后在N+a-si和a-si上涂布光阻胶，通过暴光、显影、蚀刻和除胶而形成所需形状。PECVD指的是等离子体增强化学气相沉积法，原理是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉淀出所期望的薄膜。SI3N4、N+a-si和a-si三种材料充当的角色分别为：gate端和液晶存储电容的电解质、N型半导体和P型半导体。

3.形成sourcemetal和drainmetal。首先在a-si上涂布一层金属材料来作为sourcemetal和drainmetal，然后在金属材料上涂布光阻胶并通过暴光、显影、蚀刻和除胶而形成所需形状。Sourcemetal和drainmetal主要成分为：钛（TI）、铝（AL）、钼（MO）和铬（CR），这与gatemetal相同。

4.沉淀SI3N4和ITO（IndiumTinOxides），ITO氧化铟锡是一种透明导电薄膜。首先利用PECVD技术沉淀一层SI3N4，然后再涂布一层ITO，至此整个TFT玻璃就完成了也就是说TFT-LCDopencell前端制程已经完成，其架构如图4所示，其中gatemetal连接至gateic，sourcemetal连接至dataic。

设计一个TFT面板，必须基于一个确定的TFT制程以及制程设计准则。和IC的制程相似，制作TFT和各电极所需的形状，是先将这些形状制作在掩模版上，通过光刻的方式转写到玻璃基板，因此，在设计之前，必须了解TFT的制程，知道Array基板上各种膜层之间的层次关系及用途。若采用的制程不同，设计原理虽然相同，但考虑的重点则有所变化。此处将以topITO型的五道掩膜（见图）为例进行说明。

普通TFT驱动器件加工流程

背沟道刻蚀结构a-Si:HTFT（有4次光刻法和5次光刻法，5次光刻法被广泛应用于2代以上的生产线，在此我们主要介绍5次光刻法）

第一次光刻栅极

第一次光刻栅线的金属材料一般有复层材料铝钕和钼（AlNd/Mo），铝钕和掺氮钼（AlNd/MoNx）等。要求有较好的热稳定性，物理、化学稳定性，为减小栅信号延迟电阻率要足够低，为增大开口率栅极，宽度越窄越好。

工艺流程是：溅射前清洗——溅射——涂胶——曝光——显影——显影后检查——湿法刻蚀——刻蚀后检查——去胶——O/S检查。其中O/S是Open和Short的缩写，为断路和短路。经过光刻刻蚀后形成完好的第一次光刻的图形，断面必须刻蚀出具有一定角度的坡度角，否则容易出现跨断。

第二次光刻有源岛

第二次光刻形成a-Si:H有源岛，形成薄膜晶体管的有源层和偶木接触层，在栅极的上面形状像一个小岛。工艺流程:成膜前清洗——3层CVD(SiNx,a-Si:H,n+a-Si)——3层后清洗——涂胶——曝光——显影——干法刻蚀——刻蚀后检查——去胶。

在a-Si:H有源岛形成前，先后连续沉积SiNx、a-Si:H、n+a-Si3种薄膜。SiNx是氮化硅薄膜，作为绝缘层；a-Si:H是氢化非晶硅薄膜，作为半导体层；n+a-Si是掺杂了磷的非晶硅薄膜，作为欧姆接触层，用于降低源漏电极与半导体层之间的接触电阻。这3层膜是在等离子化学气相沉积设备中连续成膜的，可以形成良好的层间接触，降低界面态密度。

第三次光刻源漏电极（SD）

2代线以上,电极采用的材料一般都是复层材料Mo/Al/Mo、Mo/AlNd/Mo、MoNx/AlNi/MoNx等。工艺流程是：溅射前清洗——Mo/Al/Mo溅射——Mo/Al/Mo后清洗——涂胶——曝光——显影——显影后检查——Mo/Al/Mo湿刻——刻蚀后检查——n+切断PE刻刻——刻蚀后检查——去胶。

下层Mo的作用-----Al直接与a-Si接触很容易向a-Si扩散，使漏电级增大，影响TFT的关态特性，所以在Al层下面要增加一层Mo。

上层Mo的作用-----Al容易产生小丘，表面粗糙度不好，且Al与上面层ITO直接接触，容易还原ITO材料，降低ITO的电阻率，引起接触不良，因此要在Al的上面增加一层Mo。

第四次钝化层及过孔

钝化层（Passivition），其材料一般是氮化硅SiNx，表示为P-SiNx,起保护薄膜晶体管、信号线和栅线的作用。工艺流程是：P-SiNx前清洗——P-SiNxCVD——涂胶——曝光——显影——显影后检查——P-SiNxPE干法刻蚀——刻蚀后检查——去胶。

过孔是把引线和需要连接的部分刻蚀出来。第四次光刻是工艺的难点，要求刻蚀时间不可太长也不可太短。很多工业都采用干法刻蚀来形成钝化层及过孔的图形。

第五次光刻形成像素电极

采用的材料是氧化铟锡（ITO）。

工艺流程是:溅射前清洗——ITO溅射——ITO后清洗——涂胶——曝光——显影——显影后检查——ITO湿刻——刻蚀后检查——去胶——退火——阵列终检——激光修复。

这次光刻形成的ITO有3个作用：

1）TFT处ITO，用作像素电极，与彩膜基板上的共用电极一起形成液晶像素的上下电极，控制液晶分子的旋转实现显示。

2）是存储电容上的ITO为存储电容的另一个电极，与第一次光刻的金属电极一起形成了存储电容的上下电极，两电极之间的介质层为绝缘层和钝化层。

3）外引线处的ITO为栅线和信号线金属的保护层，为防止金属电极直接暴露在大气下氧化，在外引线暴露金属电极的部分覆盖上ITO起到保护的作用。

附：TFT-LCD的驱动原理

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