基于MEMS輔助的顯示與LCD工藝

卜倩倩， 王 丹， 邱 云， 孫 曉， 胡偉頻， 魏從從， 王 純， 姜明宵

(北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176)

1 引 言

薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)液晶顯示技術最早出現于20世紀60年代，經過30余年的發展，逐步取代CRT(Cathode Ray Tube)顯示，并形成大規模生產。雖然之后出現了OLED(Organic Light Emitting Diode)顯示、QLED(Quantum Dot Light Emitting Diodes)顯示及Micro-LED(Micro-Light Emitting Diode)顯示等多種顯示技術，TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)顯示技術仍為顯示技術的基石。TFT-LCD結構包括TFT基板、彩色濾光片基板、液晶層、配向膜、偏光片與背光模組。顯示過程如下：背光模組發出光線，光線先后通過偏光片、液晶層、彩色濾光片單元，通過TFT控制液晶偏轉實現顯示。TFT-LCD由于使用了偏光片、彩色濾光片等光損耗單元，其光利用率極低，約為8%。近些年來，由于顯示市場的激烈競爭，TFT-LCD的市場受到了極大的擠壓，然而由于工藝成熟度高，TFT-LCD具有其他顯示結構所不具備的成本優勢。OLED與QLED雖為自發光顯示，但是由于材料穩定性與發光強度較難平衡，因而有其局限性。Micro LED亦為自發光顯示，具有低功耗、高亮度及高色彩飽和度等優點，但由于其轉印技術不成熟，全彩化實現等方面還存在諸多技術瓶頸，因而并未實現產業化應用。

微機電系統(Micro-electro-mechanical Systems，MEMS)是一種集成機械和電學元素實現特定功能的系統，被廣泛應用于日常的傳感、制動器及電子等微結構中[1-3]。 MEMS由靜止單元和可移動單元組成，具體包括道、孔、懸臂、膜、腔以及其他結構。電源或電極用來提供電壓和電荷至可移動單元和靜止單元。若正電荷積累在可移動單元，負電荷積累在靜止部分，就會產生一個相互吸引的靜電力。靜電力會使可移動單元移動到靜止部分。當靜電力比回復力大時，部件保持閉合；當電壓被除去，根據不同的設計，可移動單元保持或回到初始狀態。

MEMS技術廣泛應用于顯示器件。主流的基于MEMS輔助的顯示技術包括干涉調制顯示(Interferometric Modulator Display，IMOD)技術、時分復用光學開關顯示(TMOS，Time Multiplexed Optical Shutte Display)技術及光學微開關顯示(DMS，Digital Micro Shutter Display)技術。本文對MEMS與TFT-LCD加工工藝進行了系統介紹，分析了3種主流的基于MEMS輔助的顯示模式，討論了近些年將低成本TFT-LCD工藝應用于基于MEMS輔助的顯示技術所做的一些工作及研究進展。

2 MEMS工藝與TFT-LCD工藝

MEMS加工工藝目前主要有體硅微機械加工工藝、表面微機械加工工藝和非硅工藝3種。

體硅微機械加工工藝通過雙面光刻、腐蝕及鍵合的方法對硅襯底進行加工，形成三維立體微結構。在體硅微機械加工工藝中，由于需要雙面光刻機，因此需要在硅片正反面制作有精確位置要求的圖形。常用于針對幾十或幾百微米的硅片，制作大的深寬比。深硅刻蝕是體硅微機械加工技術的核心，利用刻蝕劑對硅的晶向依賴性，即其在不同晶面具有不同的腐蝕速率，從而刻蝕出具有高深寬比的凹槽。

表面微機械加工工藝，通過在硅片表面形成犧牲層并對其進行腐蝕，形成各種表面微結構。由于其微加工過程都是針對腐蝕硅片表面的薄膜上的犧牲層進行的，因而又稱為犧牲層腐蝕技術。表面犧牲層技術是表面微機械技術的核心工藝，其關鍵在于犧牲層和腐蝕液材料的選擇，需要腐蝕液在腐蝕犧牲層的同時幾乎不腐蝕上面結構層和下面襯底。由于精度控制要求較高，因而通過精確控制膜厚，可以形成幾微米的結構圖形。

非硅工藝則是通過光刻、電鑄和注塑工藝，形成較大深寬比(可達200)的微結構，又稱為LIGA(即德文Lithographie(光刻)、Galanoformung(電鑄)與Abformung(注塑))。由于要制作深度較大的微型器件，需要穿透力較強的X-Ray進行照射。而由于X-Ray深度光刻成本較高，無法進行大批量生產，因此目前LIGA技術的產業化需要通過電鑄制模來實現。

TFT-LCD是將微電子技術與液晶顯示器技術巧妙結合的一種技術。將在硅基上進行的微電子精細加工的技術移植到大面積玻璃上，并將該陣列基板與帶有彩色濾色膜的基板對盒，最后經偏光片貼覆等過程，形成顯示器件。TFT-LCD的制造工藝包括以下4部分：(1)在玻璃基板上形成TFT陣列；(2) 在彩色濾光片基板上形成彩色濾光圖案；(3)基板對盒；(4) 安裝外圍電路、組裝背光源。其中TFT陣列基板最為常用的為非晶硅 TFT，其主要利用的是金屬和非金屬薄膜工藝，經掩膜版曝光、顯影、干法刻蝕及剝離步驟后形成所需布線圖案。

在3種MEMS加工工藝中，由于體硅微機械加工工藝需要雙面光刻機及鍵合技術等，LIGA工藝需要X-Ray曝光機，因而不能與TFT-LCD工藝兼容。而表面微機械加工工藝簡單，易于與TFT-LCD工藝兼容，因而得到廣泛應用。本文所介紹的基于MEMS輔助的顯示工藝，皆以表面微機械加工工藝為基礎。

3 干涉調制顯示

干涉調制顯示(IMOD)是由Iridigm Display Corporation(之后并入Qualcomm公司)提出后而為大家所熟知的一種顯示技術，即Mirasol顯示[4-6]。IMOD的關鍵結構是可以調節的光學微腔，類似于法布里-珀羅標準具，由獨立的金屬反光膜與薄膜堆疊形成的半透半反膜形成一個微小的平行反射鏡。其中，金屬反射膜位于下部，是可變形的。在兩層薄膜間施加電壓，可使下部金屬反射層隆起，進而改變兩層薄膜間隙。如圖1所示，當環境光入射到微結構中，光線會受到底部金屬反射膜及上層薄膜堆疊的半透半反膜的反射。根據需要的波長選擇兩層薄膜間隙的高度，對于特定的波長，底層金屬反光膜反射的光線與上層堆疊結構反射的光線存在微小相移動。根據相位差的不同，某些波長將發生相長干涉，另一些發生相消干涉。通過增強的干涉，人眼會接收到特定波長的一種顏色，包括紅色、綠色和藍色。而相消干涉會導致一個黑態，產生黑色。按照這種方式，通過施加驅動電壓可以選擇性地控制顯示的顏色[7-10]。

圖1 IMOD顯示器件結構和工作原理Fig.1 Device structure and operating principle of IMOD display device

IMOD顯示像素的設計基于以下原則：(1)根據薄膜干涉調制原理，利用環境光產生顏色；(2)利用微腔MEMS的開關結構，改變像素的狀態(R/G/B/黑態)。由于反射光從環境光源回收，且低電壓MEMS像素開關意味著顯示陣列尋址時是低功耗的，因此與目前主流的顯示技術相比，IMOD顯示具有低功耗的特性。與常規的反射顯示相比，干涉調制的環境光會造成一個顯著的視覺體驗，因此，顯示技術的圖像質量，如對比度、色域更佳且沒有衰減。

為了將IMOD進行大規模制造，在TFT-LCD工廠進行IMOD材料和工藝的匹配。主要包括如下關鍵步驟：像素陣列制作、顯示面板制作和組裝[11]。

IMOD的像素制作，大部分基于普通TFT實驗室的整體工藝步驟，包括等離子增強化學氣相沉積(PECVD)和磁控濺射沉積，光刻圖案化，干法和濕法刻蝕，但是仍需額外使用表面微處理工藝。MEMS工藝過程包括形成空氣間隙和沉積一個犧牲層，并通過適當的掩膜版進行圖案化，刻蝕并剝離，完成制作。IMOD器件的簡單工藝制作流程見圖2。與標準的TFT陣列工藝類似，工藝過程需要大量額外的控制和優化，以保證IMOD器件滿足所需的操作和可靠規格。

圖2 IMOD器件TFT-LCD兼容的背板工藝制作流程。(a)圖案化后的緩沖層和下部電極層；(b)沉積介質層；(c)圖案化后的犧牲層；(d)圖案化后的支撐層；(e)沉積反射隔膜層；(f)剝離犧牲層。Fig.2 Back plate process flow of IMOD device compatible with TFT-LCD. (a)Patterned buffer layer and bottom electrode layer; (b)Deposited dielectric layer; (c)Patterned sacrificial layer; (d)Patterned supporting layer; (e)Deposited reflection interval layer; (f)Stripping the sacrificial layer.

在顯示面板制作與顯示模組組裝工藝過程中，通常將陣列玻璃和一個蓋板玻璃封裝在一起，以保護MEMS器件不受物理損壞或環境污染(圖3)。典型的IMOD封裝溶液，可借鑒使用目前TFT工業的封框膠，封裝工藝在近大氣壓力條件下進行。需要注意的是，為了防止水分進入，需要額外引入一種具有吸水功能的膜層，以提高顯示面板的壽命。IMOD的固有顯示模式，減少了傳統顯示部件(偏光片和彩膜)的使用，同時也減小了顯示模組構架的復雜性。

圖3 IMOD器件TFT-LCD兼容的模組封裝結構Fig.3 Module encapsulation structure of IMOD device compatible with TFT-LCD

4 數字微開關

數字微開關顯示(Digital Micro Shutter Display，DMS)是一種新型的基于MEMS輔助的顯示技術[12-16]，通過將DMS制作在TFT背板上，作為光調制器控制光開關狀態。典型的DMS結構由開關、懸臂梁和電極構成，通過靜電力驅動實現開或關的狀態，并控制開關的水平移動。圖4是DMS顯示器件典型的光學結構，從頂部至底部分別為TFT背板、MEMS膜層、開口擋板和背光單元，在開口擋板和TFT背板上刻蝕出溝槽。DMS開關作為光閥，控制光是否穿透。

圖4 DMS顯示器件的典型的光學結構Fig.4 Typical optical structure of DMS display device

DMS系統的主要功耗優勢在于其可以利用更多的背光。在TFT-LCD中，由于偏光片和彩色濾光片的使用，光學疊加光轉向損耗及像素開口率損耗，導致LCD背光的利用率小于8%，這對于功耗是一個很大的損失，尤其是在高亮環境中。DMS技術使用反光背光系統，取消了高光損失膜層，如偏光片、彩色濾光片、液晶及ITO膜層，可以允許50%～80%的光透射到人眼，因此，背光的利用是非常有效的。

由于電子微開關的開關速度比液晶快很多，因此，使用場序彩色代替彩色濾光片的應用。通過使用RGB LED燈，快速產生時序彩色畫面。通過顏色整合方式，可以看到全彩畫面。此方法已應用于許多投影顯示及基于TI微鏡陣列的顯示。LCD由于常規液晶材料響應時間太長，不能使用場序彩色；而DMS開關時間在100 μs左右，與透明液晶相比快得多，適合于場序彩色的使用。

為了獲得更為豐富的色彩顯示，每種顏色被劃分為不同時間的切片幀，從最短的光照亮開始，在時間上以2倍的速度遞增。每個像素通過控制每個像素開或關的持續時間來控制其所需亮度。與典型的液晶顯示一樣，一個完整的24位色的單幀以這種方式在1/60 s內完成，也可使用不同算法達到進一步節省功耗的效果。

與LCD相比，DMS顯示由于使用時間場順序顏色背光，不再需要彩色濾光片和偏光片，因此，背光的使用是非常有效的。若從開口擋板的反射表面得到循環光，效果更佳，開關速度約為100 μs。DMS顯示具有高光效、寬色域、低功耗、高對比度和高速場序彩色驅動等優點[17-19]。

當DMS顯示大批量制作時，費用是首先需要考慮的因素。近年來，由于LCD市場的激烈競爭，TFT-LCD的成本受到了極大的擠壓。為了保持生產成本，因地制宜，充分利用低成本的LCD制造業意義重大。基于此，DMS流程被設計為100%使用LCD標準材料和加工設備。

與LCD顯示類似，DMS顯示同樣需要一個背板二極管來尋址每個像素處于開或關的狀態。為了與LCD工藝盡量兼容，使用標準的薄膜晶體管背板工藝。

圖5 DMS器件TFT-LCD兼容的背板工藝制作流程。(a)開關，懸臂梁和驅動器的制作；(b)DMS微彈簧和執行器模板的制作；(c)光束層的制作；(d)移除犧牲層，完成制作。Fig.5 Back plate process flow of DMS device compatible with TFT-LCD. (a)Fabrication of the switch, cantilever, and driver; (b)Fabrication of the template of DMS spring and actuator; (c)Fabrication of the beam layer; (d)Removing the sacrificial layer, and completing the production.

首先，使用雙層犧牲材料，制作一個三維結構，包括開關、懸臂梁和驅動器，如圖5(a)所示。TFT背板用犧牲層覆蓋，然后被圖案化制作通孔，其尺寸和形狀與LCD-TFT中的孔洞支撐和孔洞類似。錨定孔在這一層被圖案化，以提供與TFT背板的電接觸與機械接觸。之后，進入模板層工藝，如圖5(b)所示。在此層進行DMS 微彈簧和執行器的模板制作，類似于制造金屬零件的塑料零件或砂型的注塑模具。模具層與錨層類似，均為一種犧牲材料的涂層，具有定義快門組件形狀的特征。但是，模具層有一額外的限制，即圖案化后必須有一個非常直的側壁。這正如前所述，側壁將允許形成側壁梁。

將一個結構膜層沉積在兩層犧牲層之上，進行光束層的制作, 如圖5(c)所示。要求對底層膜層進行水平和垂直表面的全覆蓋。在此步驟中使用標準的LCD光刻膠工藝，以制作一個保護開關和錨區域的結構膜層。之后，使用具有各向異性的等離子進行干法刻蝕工藝，將結構膜從未被光束層光刻膠保護的水平表面移除，同時也在模具上留下結構膜的垂直圖案，形成側壁梁彈簧和傳動裝置。

在最后階段，犧牲層被移除，開關可以實現移動，如圖5(d)所示。鈍化層介電材料用于DMS器件，以阻止任何電短路發生。之后完成DMS所有的組裝步驟，即與LCD組裝過程類似，覆蓋玻璃板，貼附驅動芯片及連接器。

5 時分復用光學開關顯示

時分復用光學開關顯示(Time Multiplexed Optical Shutter，TMOS)是根據受抑全內反射(FTIR, Frustrated Total Internal Reflection)原理制作的顯示系統，由 Uni-Pixel 顯示公司發明[20-22]。

FTIR顯示的基本原理是：光通過一種薄的平面透明波導從邊緣注入，在波導內發生鏡像反射。活性層與導光板之間靠粘合劑粘貼，會有輕微的分離。當活性層被壓縮時，棱鏡會接觸到導光板。由于受抑實現全內反射效應，此時導光板內的光會從導光板逃脫，形成開態；若棱鏡回到正常的位置，導光板再次捕獲光，形成關態(圖6)。

TMOS是一個創新的平板顯示技術，與傳統顯示不同，其根據受抑全內反射原理制作而成，使用光開關，具有更大的開口和更快的響應速度。同時，時序生色也大大簡化了TMOS顯示結構。由于不需要使用彩色濾光片與偏光片，因此，可實現超高光效率，達LCD的10倍。

圖6 不同狀態下的TMOS像素。(a)像素關，背光關；(b)像素關，背光開；(c)像素開，背光開。Fig.6 TMOS pixels in different states.(a) Pixel off, backlight off; (b)Pixel off, backlight on; (c) Pixel on, backlight on.

TMOS顯示由照明系統、導光板TFT像素驅動電路與活性層4部分組成(圖7)。TMOS結構使用RGB LED等作為光源，并使用合適的粘附手段保證照明系統與導光板的匹配性，阻擋漏光，重新定向雜散光線進入系統。而導光板作為系統中的核心光源透過介質，常使用標準的TFT-LCD玻璃基板進行制作[23]。

圖7 TMOS顯示器件組成結構 Fig.7 Component structure of TMOS display divice

TMOS單個像素的驅動使用可變的電容結構來控制。電容由兩個互相平行的導電電極組成，兩電極由亞微米的空隙分開。當電容之間產生電壓差時，庫倫力將兩個導電平行板拉到一起。在TMOS顯示結構中，一個電容器平面電極設置在導光片上，另外一個電極則設置在活性層之上或之內。導光板上的平板電極每個像素是分離的，且每個像素被一個或多個TFT控制；而活性層上的導電電極則是一個薄的連續網絡，也就是說，導電膜層延伸整個薄膜表面。最后，通過控制每個像素的充電和放電，提供控制吸引力，通過活性層的局部變形，激活每個單獨的像素。在最初的原型器件中，使用“直接驅動”方法，即TFT驅動控制像素。而在“簡單矩陣”模式中，通過導光板和活性層上的行條紋交叉點，確定提供延遲控制光快門電容的點像素功能。

TMOS的核心元素是活性層，包括一個載體膜層(設置于其上的光學微結構)和制作在光學微鏡上面或中間的連續的導體層。光學微結構的尺寸、幾何形狀和光學特性，控制著顯示系統的光輸出特性。活性層是一個聚合物載體膜層，具有光學微結構，使用涂層導體浮雕涂覆于表面。光學微結構使用UV浮雕制作。決定顯示特性的材料特性的是載體膜層的機械特性，光學微結構材料的光學特性和光學微結構的光耦合效率。

TMOS的驅動控制電路系統采用時序驅動控制。TMOS顯示作為像素的一系列的光開關，控制著每個像素開和關，并根據特定的時間來發光。每個像素處理所有的色彩，而不再需要RGB亞像素。與其他技術需要模擬設置以控制光調制不同，TMOS使用開關時序，通過脈沖寬度調制的方式產生灰度。

TMOS技術與TFT-LCD工藝兼容，可以以更低成本替代傳統TFT-LCD。通過對TMOS面板進行匹配設計，經過TFT-LCD面板廠商授權，可以使用現有的LCD廠的TFT-LCD設備進行TMOS面板的制作[24]。

TMOS顯示的結構需要克服兩個關鍵挑戰，需要在批量生產過程中進一步優化：足夠低的像素驅動電壓和適當的粘附度。薄膜上的導體與TFT玻璃上的導體所構成的電容結構是由電壓差驅動的，電壓差產生庫倫力，從而驅動薄膜上的推拉作用。由于這種電容結構尺寸在單個像素級別，因而導電板之間的距離直接與驅動像素所需的電壓直接相關。工藝的挑戰在于在確保兩個導體距離足夠近的前提下，電壓足夠低以與TFT制作工藝兼容，一般而言，電壓需要<20 V。

6 結 論

近些年，基于MEMS輔助的顯示穩步發展。IMOD、DMS與TMOS 3種基于MEMS輔助的顯示均具有低功耗的特點，因而受到了廣泛關注。MEMS加工工藝主要有體硅微機械加工工藝、表面微機械加工工藝和非硅工藝3種，其中體硅微機械加工工藝需要雙面光刻機、鍵合技術等，LIGA工藝需要X-Ray曝光等，因此不能與TFT-LCD工藝兼容; 表面微機械加工工藝簡單，可與TFT工藝兼容，是基于MEMS輔助的顯示部分重點關注方向。IMOD、DMS與TMOS的器件電極與驅動陣列部分均可使用TFT產線制作。同時，由于MEMS封裝占據了基于MEMS輔助的顯示制造大部分成本，為了進一步降低成本，以與TFT-LCD工藝兼容為方向，MEMS封裝將向著系列化和標準化、微型化和復雜化發展。