LCD液晶模块玻璃基板的研究,及其性能指标分析

本文首先综述了各种LCD显示器对玻璃基扳的性能要求，并进一步阐述了各类LCD玻璃基板的玻璃组成系统和正在和即将应用的玻璃组成。最后论及了LCD玻璃基板的几个重要的性能指标。

液晶显示器(LCD)是在两个玻璃基片之间填充液晶介质，再加上一定形状的极化层，当电压通过导电栅网施加于液晶介质时，液晶介质起着光开关的作用，从而形成一定的图像。

1.各类LCD显示器对基板的要求

液晶(LC)及液晶显示器(LCD)研究的飞速发展带动了所需基板的更新换代。LCD为有源显示器，依靠外部光源来显示。其基板需要两种不同的短阵.第一种是内部矩阵型，依靠液晶材料的阀值性质.第二是外部矩阵或有源矩阵(AM)型.由二极管阵列、金属-绝缘体-金属(MIM)装置或薄膜晶体管汀兀)来为每个像素电子转换。两层之间是厚度为5-101am的隔阻层。1968年美国RCA公司的Heilmeir使用向列型液晶的动态散射效应发明了液晶数字手表，开创了内部矩阵型液晶研究的新时代，1971年Schadt提出利用向列液晶的电场效应的扭曲向列液晶显示技术(TN LCD)。在此基础上，1983年，又发明了超扭曲向列型液晶显示器(STN LCD)。其扭曲角为240°-270°，预倾角为5°-20°左右，后来又相继出现了非晶硅的有源矩阵薄膜晶体管液晶显示器(a-Si AM TFT LCD)和多晶硅的有源矩阵薄膜晶体管液晶显示器(p-Si AMTFT LCD)。

含有一硅阻隔层的钠钙硅玻璃完全可满足内部矩阵型LCD的要求。在内部矩阵LCD中具有较高性能的超扭曲向列性(STN)中，为满足其间隙尺寸的大小一致，就要求基板格外平整。所以.应用于这种显示器时，钠钙硅玻璃就必须精密抛光。但精确成型的Corning7059玻璃则可以应用。

外部矩阵LCD可进一步细分为两种类型，一种是基于MIM或非晶硅(a-Si)器件，另外一种是基于多晶硅(p-Si)器件。MIM或非晶硅(a-Si)型对基板的要求和STN一致。Corning7059薄板玻璃由于钠含量较低(0.1wt%)、尺寸精确和具有商业可行性而成为较为理想的基板。但是，多晶硅(p-Si)器件的成型工艺温度比a-Si TFT要高。基板所需的工作温度为600-800℃(在玻璃的应变点以下25℃)。准确的温度由生产TFT的特定工艺来确定。沉积控制介电质需600-650℃，热氧化物需大约800℃。a-Sj和p-Si工艺都要求和后续的工艺精确匹配，也都要求基板的热收缩要小。

在生产工艺中.由基板上的碱金属氧化物对TFT形成的钠污染应引起重视，通常的做法是在基板上覆盖一阻隔层来阻止碱金属的迁移。在这一点上值得注意的是碱含量近于零的非晶硅则可以应用，有对也称熔融硅或熔融石英。由于熔融硅的工作温度为965℃，集成电路工艺技术可以直接应用而不需添加阻隔层。这种玻璃的主要问题是债格昂贵，不能用价格低廉的商用平板玻璃工艺制各。相反，它必须用浇铸、切割、细磨和抛光方法来制备。

由于各类LCD的性质和制备工艺不同，因此对基板的要求也不同。表1为各类LCD基板的具体要求。

2.玻璃组成

已经应用的和即将应用的作为LCD基板玻璃的组成类型和性质如表2和表3所示

在讨论各种玻璃组成之间，我们先讨论钠的作用

碱污染将缩短TFT的电介质的使用寿命。由于钠在硅酸盐玻璃中的活动能力最强，使其成为最为严重的污染物。因此，值得关注的是，玻璃基扳中含有的钠可在生产中迁移到TFT的电介质中。即使钠含量极低的拉板玻璃也含有大约1000-2000ppm的Na2O但也许不是组成的原因，而是由于原料不纯或窑炉砖所致。对于TFT基板，其表面要求5ppm或更少。

Uchikoga等人指出在钠钙玻璃(12·14wt%的Na20)上制备的a-TFT和在铝硅酸盐玻璃(Na20<1 wt%)上制备的a-TFT具有相似的性质。但Oono却发现在性质上却存在很大的不同。

但在一点上是一致的，在钠钙玻璃的表面添加一阻隔层将限制钠向外扩散。Mizuhashi等人报道不论用CVD制备的硅薄膜还是用sol-gel工艺制各的磷光硅都可使钠的外逸大幅度降低。原子吸收光谱可用来分析钠的含量。

Onoo等人用SIMS分析钠从钠钙玻璃到覆盖的硅阻隔层的扩散。液相沉积的硅优于用CVD制备的材料。在温度为70℃、相对湿度为90%下经过100h后钠的浓度每毫升可达1018个原子。Matsuda的一个相关报告表明这是在阻隔层和玻璃的界面上玻璃中的水置换钠的缘故。Uchikoga等人认为硅膜可阻止钠，这在SIMS下钠钙玻璃和铝硅酸盐上的硅阻隔层的比较就可以发现。硅是在沉浸工艺和随后的500℃的灼烧中形成的。接着样品放在不同的温度中进行Ⅱ鼍的制备。周围的最高温度为260℃。

总之.据报道在一定的温度和湿度条件下，硅层可有效的充当钠离子扩散的阻隔层。但在温度接近玻璃的转变点时相同的钠阻隔层是否有效至今仍无定论。

第一个商品化的液晶显示设备为分片和内部矩阵型.薄板生产工艺主要考虑形成薄板的能力。浮法工艺生产的钠钙玻璃较为完好的满足了价格低廉这一最基本的要求，但必须在表面沉积一硅阻隔层来阻止钠离子侵入到设备之中。

Corning在1980年起先用含碱的0211玻璃试探性的迈入LCD行业，这种玻璃已制备成为薄板应用到显微镜透射盖。接着在1982年使用了低碱的7059玻璃，其生产采用了0211的狭缝下拉工艺。在1983年，大点矩阵显示器对基板玻璃的变形度提出了更高的要求，此玻璃可用Coming的熔融薄板拉板工艺。虽然Corning7740硼硅酸盐玻璃含碱，但其耐碱性良好，且可采用熔融下拉法生产。随着LCD技术发展到有源矩阵型，在1984年，Corning7740玻璃被熔融下拉法生产的低碱的Corning7059玻璃取代，其主导应用地位直到1989年7059玻璃是三十年前作为电子基板玻璃发展起来的，在成型过程中不宜变形。

对于p-Si AMLCD，工作温度的对基板的要求超过了钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃和7059玻璃：高的应变点和较高的工作温度可通过降低碱的含量和在硼硅酸盐中用铝取代硼来达到。铝的替换可增加粘度，温度益线的斜率，这样可使应交点升高超过熔化粘度，碱土氧化物可混进来调整性质，一些日本玻璃公司己加入氧化锌或(和)氧化铅。

对于p-Si TFT AMLCD的基板玻璃，厚度为0.5-1.0的Corning1733玻璃已用熔融下拉法生产。Corning1734在低温p-Si TFT AMLCD的应用方面已发展到一个新的水平。

总体来讲，玻璃耐高温的能力是含有较高的硅含量，玻璃态的二氧化硅被用作p-Si TFT LCD的基板，其耐高温性在所有玻璃中是最好的，但由于粘度特别高、粘度。温度曲线特别平，所以不宜用作实际生产，又没有更实用的薄板玻璃成型工艺，昂贵的粗磨和抛光技术成为制备薄板玻璃的工艺。加入氧化物和二氧化硅重结晶使玻璃耐温性能增加的方法可使粘度-温度曲线的斜率增加，这可用氧化铝和碱土氧化物代替部分氧化硅来得到。Corning 1729玻璃已成功应用于基板。Corning 1729玻璃的第二个优点是其膨胀.温度曲线和硅的相匹配，而玻璃态的二氧化硅的膨胀比硅的要低。

3.薄板成型工艺

液晶显示器基板的重量轻、高平整度和优良的光学质量的标准为薄板制备工艺提出了新的要求。时至今日，浮法成为平板玻璃生产中占统治地位.Pikigton和Edge已有详细论述。起初是为钠钙玻璃设计的且制各厚度大于1.1mm的LCD基板。但是，随着浮法工艺的改进已经设计出了可生产更薄舯薄板工艺。事实上，Asahi已经用浮法工艺以来生产厚度为0.55-1.6mm的钠钙玻璃，其AN和AX基板玻璃正是这一方面的展现。

生产LCD基板玻璃中最为简单但也最为昂贵的技术是将玻璃熔液浇制一玻璃厚板，然后轧制成和所需厚度大约相当的薄板。在经退火、切割、磨光、抛光来达到精确尺寸。这种方法用于在实验室研究用的少量样品。

狭缝拉制工艺能够用来生产非常薄的薄板。它将均匀的玻璃热熔液通过一个附有铂金衬体来控制精确尺寸的狭缝来拉制，这种工艺用Coming 7059来制备内部矩阵LCD的基板是足够的。但不经过附加工艺，尺寸控制不能满足更为先进的设备。

Coming的熔融工艺在管子的上部有一个将均匀玻璃送到槽内的转送装置。玻璃在管子的两边流过并在底部汇合。这种工艺的优点是：薄板的外表面不直接接触设备的任何一个部分，并适用于多种玻璃组成。能较好的制备厚度为1mm的薄板，对于某些玻璃，可达到0.5mm，该工艺可以制备LCD基板尺寸质量要求的薄板而不需后期加工。

日本电子玻璃有限公司(NEG)设计了玻璃的重拉工艺来生产厚度在0.05-0.1mm的高精度的平板玻璃。其流程包括：“母”玻璃板的预制，插入重拉炉中加热温度相当于粘度为107-1011的温度，然后，将板拉至所需厚度作为基板。

4.LCD基板的主要性质要求

除基板的三个主要性质，即尺寸的精确度、耐温性和热收缩性外。本节再添加另外的两个要求：无明显缺陷(包括内部和表面).在显示器生产中抗化学腐蚀性。本节将讨论在五个因素和平板显示器的装配和性能的关系。

4.1尺寸精密度

高性能显示器的装配包括多种的精确工艺。因此.基板的尺寸、形状和边界精度公差的数量级为0.1μm。在AM LCD中，对由扭曲产生的形变、表面租造度或厚度误差的要求的精度更高。这是因为狭缝空间(在两个显示基板之问的距离)在显示器中的要求是十分严格的。如果玻璃的缺陷引起狭缝空间的局部变化，那么此地的电场将会同周围像素的电场发生偏离。这种电场偏离将会使最终的显示的灰度或色彩不一致。即使表面缺陷的大小在0.1 μ到几个毫微米，也会对显示效果产生十分大的影响.诸如扭曲的较大的平整度形变现在可以用塑料微珠或混有液晶材料的玻璃棒来补偿狭缝空间以保证狭缝的宽度-狭缝宽度的形变只会发生在当基板变形幅度小到狭缝的另外一个基板也不能纠正到与之相匹配和保持两基板间的固定间距时发生。

板的平整度变形会在生产中产生另外的一个问题。由于照相平板印刷时不能在基板显示器上聚焦，因此会在显示电路中产生缺陷。如果印刷精度欠缺，扭曲的基板将会发生光掩蔽的危险。

平板玻璃基板产生有可能产生的平整度变形包括上至简单形变和整个基板的波浪性扭曲下到玻璃的纳米级的细微的分子粗造度整个范围.上述论述只是粗略描述了平整度形变的幅度是如何影响显示器的生产和性质，对基板表面形变和显示器性质的关系的更详尽的阐述是十分必要的。

4.2热要求

耐温性和热收缩性，这两种热要求是有联系的。玻璃基板的刚度，即抗粘滞流动性。只是在热过程最高温度高于退火点时出现。但是.在温度接近玻璃的应力点时。如果玻璃冷却的过快，温度的差异就会使玻璃产生机械应力。基板的最高工作温度在低于应力点25℃以下将会在显示器制备过程中避免产生不可接受的基板应力。制备热弯曲的高温过程应十分小心以避免热开裂。

即使温度稍远低于应力点，基板也会由于体积松弛而发生尺寸改变。基板玻璃在制备中冷却到室温所达到的最终密度受玻璃在玻璃转变区域的冷却速度的影响。在显示器制备中。如果快速冷却的玻璃重新加热而在随后的热过程中以可使玻璃结构充分驰豫的方式冷却，玻璃的密度将会增加。在显示器制备过程中线性尺寸的改变将导致照相平板印刷间的不匹配.在显示器制备中对基板收缩的允许程度依赖于显示器.电路、显示器尺寸等性质。在AM LCD的情况下，这意味着收缩不能高于在显示器最大尺寸方向上的最小元件(例如布线间的宽度)的一部分。也就是说，在几百毫米上只有几个微米的收缩，即几个ppm。

实际应用的显示器基板玻璃的～些收缩数据已有报道。玻璃的体积驰豫现象在实验和理论两方面都有研究。在转变区域以下较远的区域的热收缩的理论研究还不够完全.其中，在ppm级范围内测定收缩是比较困难的。

为获得高的分辨率、大的显示尺寸的LCD显示器，对基板的热收缩的良好控制是必需的。假定收缩是均匀的和线性的，可通过后续工艺的补偿来达到100ppm的热收缩。

4.3 化学稳定性

由于玻璃经历许多步骤，显示器的制备工艺，特别是AM LCD制备工艺的化学性质是最容易改变的。a-SiAM LCD基板要加上七层或更多的薄膜，并且含有多次的刻蚀步骤。

显示器基板的化学稳定性要求如下：各种刻蚀溶液都不能使显示器产生可见的残留物或干扰随后的薄膜沉积。在反应物对玻璃的较高的刻蚀速度的情况下(中或高的敏感性)。刻蚀条件必需优化处理以避免对基板产生不必要的破坏。

关于7059玻璃和1733玻璃的化学稳定性的定量数据己有报道。在这些研究中可见，和含碱的玻璃的情形相似，酸首先将玻璃中非硅成分剥掉，形成一个富硅层。当高膨胀的薄膜应用在基板上时这种脆弱多孔的表面层会剥蚀掉。所以基板表面的化学性质的改变是显著的。这同时证明氟化物和基础反应物对玻璃基扳的刻蚀都没有使表面出现可见的粗糙，这是对硅网络的侵蚀而不是对非硅组成的侵蚀。但是对于抛光的基板方面，由于玻璃表面的抛光损坏，均匀玻璃溶解也会使表面的粗糙度增加。因此，保持洁净度和使用化学蚀刻工艺来使粗糙度降至最小。

4.4表面和内部缺陷

LCD显示器在表面和内部缺陷方面必须有非常高的质量。在表面布置电路的基扳必须避免擦伤或其他表面污染与小到几个毫米的缺陷来避免显示器线路的缺陷。Heumstic提出诸如表面平行度的基板形状和基板的长度和宽度同等重要。在缺少实验数据的情况下，显微镜下的基板缺陷仅仅是一种缺陷，当成为一种潜在的致命缺陷时才成为公开的缺陷。和其他对显示器基板的重要要求一样。这还没有成为数量化的、理论化的表面质量要求的标准。

内部缺陷，包括气体杂质和颗粒杂质，不影响显示器的生产。因此.可见性是一个简单的问题。只要杂质小于像素的某一部分，是可以接受的。一个可以接受的缺陷的极限大小为一个独立像素表面积的25%。因此像素为100的显示器的杂质尺寸极限为50pan。因此，到目前还缺少玻璃基扳的尺寸、化学性质和缺陷级别的量化的理论。由于实际应用在不断的推进现代玻璃生产技术的发展。在LCD显示器的商业化进程中这方面的努力是十分必要的。