微机电系统之显示技术驱动下一世代行动用平面显示器发展

微机电系统之显示技术驱动下一世代行动用平面显示器发展

来源：[化合物半导体·光电技术]

今日行动电话的电子组件制造商正面临竞争激烈之挑战。要维持生存，他们的组件必须提供更多元化的功能及更高的效能，且须面对功率、尺寸及价格下降之要求。

Jeffrey B. Sampsell

今日行动装置电子组件所面临的挑战也反映在行动用的显示组件上。例如，以手机看电影。达到这样的功能需要一个具备低功率消耗、阳光下良好可读性、在各种环境下良好操作性的显示器，且有足够能力处理多媒体内容。在今日以液晶显示技术长期主导下的行动系统市场，一种新突破的显示技术—干涉调变式(iMoDTM)显示技术，因可提供足够效能及省电等优势，而有希望应付今日激烈竞争之挑战。因此，干涉调变显示技术正驱动着下一世代行动电话平面显示器之发展。

干涉调变器架构介绍

干涉调变显示器为反射式显示器的一种，主要以微机电技术制作而成。其工作原理系采用光学干涉原理。该设计可追溯自1989年的共振薄膜空间滤波器(RMSLM)。
干涉调变显示器是建构在玻璃基板上的双稳态微机电组件，并藉由静电驱动之。颜色的产生则源自于习知的光学干涉原理。干涉调变显示组件可视为两个导体反射器，藉由空气及介电材料分隔开来；而介电材料系为堆栈薄膜中的一部份，如图一所示。由于其中一个反射器为金属薄膜镜，可被静电力牵引而与另一反射器有相对位移，因此反射器间的空隙是可调变的。该显示器的颜色系由镜子与反射器(位于堆栈薄膜中)的距离控制。若此空隙大，则长波长的光会在空隙中共振，而可使观察者看见该波长之颜色(例如绿色)。若要产生低反射率状态(如黑色)，则要产生很小的空隙将共振波长移到紫外光波段，则观察者在看不到可见光下而感知到颜色为黑色，即为如图二所示使用不同空隙的结果。
欲产生高质量显示器，干涉调变显示组件之位移薄膜时固有的机械滞留效应是关键因素。这样的滞留可提供电机性记忆(electromechanical memory)，此法可望消除薄膜晶体管数组(TFT-array)。该薄膜晶体管数组是许多数组寻址的液晶显示器(LCD)之重要组件。此滞留效应允许干涉调变显示器之反射薄膜被拉到黑色状态时，可以被稳定；同时，使镜子静止在亮态时亦稳定。此双稳态是干涉调变显示组件电机性记忆的结果，这使得资料可用适度之偏压写入及维持。相对于把镜子拉下，维持该镜子所需的能量甚小。图三画出简单的系统模型结果，该图表明滞留特性曲线。此双稳态代表两个不同的薄膜位置，各有其特性颜色。
相对于LCD显示器，干涉调变显示器之架构呈现了高度的功能整合，因此该架构以其系统层级优势自豪。例如，考虑显示器所具有的三个操作功能: 选择颜色、调变颜色强度(例如：蓝色多一点，红色少一点等)以及记忆(每一画素在很短的时间内被寻址，但在整个画面时间内都需记忆该设定)。LCD显示器需要彩色滤光片、偏光片、对位层、液晶材料、薄膜晶体管、光学薄膜等来完成上述功能。而干涉调变显示器只需一片镜子即可完成颜色选择、调变及记忆(藉由其固有之滞留效应)功能。
干涉调变显示器的重要效益描述如下：

亮度

做为一个调变器，iMoD是个非常有效率的干涉调变显示组件。考虑反射式之媒体，如杂志或报纸，必须异常亮才能在各种环境下可被阅读。前者一般亮度约为80%，后者之平均亮度约55%。一般干涉调变显示器之画素的反射峰值超过85%，这结果相当于平均亮度30%，此特性使得干涉调变显示器即使再特别暗之环境仍可阅读。此外，此特性削减了(在某些情况甚至消除)增补光源之需求。

优异的可读性
涉调变显示器的外观和功能与印刷纸相近。它可在任何光源环境下轻易地被使用，包括在直射之阳光下。相较其它竞争技术(通常需要偏光效应)，干涉特性使得干涉调变显示器的亮度是它们的2-3倍。干涉调变显示器的反射率甚至是当今最佳彩色反射式薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)的两倍；这也减低了添补光源之需求。由于干涉调变显示器的反射质量来自环境光源，因此在大多数的环境下，可减低功率消耗。只有在暗室需要添补光源。干涉调变显示器也拥有宽广视角，且无一般偏光显示器(polarization-based display)的对比反向效应。视区内的颜色偏差由扩散膜控制。较少的扩散(适合单色显示器)，系因有金属光泽而有一些颜色偏差。当扩散增加时(适用彩色显示器)，可提供如纸般的光色，并使颜色偏差达到最小化。
功率消耗低
干涉调变显示器的双稳态特性意味着所需之功率甚小。当传统LCD技术需要持续不断的充电以维持或更新影像，干涉调变显示器则只需在画素更新时消耗功率，即使如此，功率消耗也可减至最低，因驱动静止的干涉调变显示组件所需电压低于10伏特。此外，由于消耗的功率多寡与显示的信息相关，只有显示画面有改变之区段需被更新。一般手机所使用的电子邮件、个人信息管理等功能所需的功率都很小。显示静止画面时更无须任何功率消耗。
坚固的设计
因为干涉调变显示器由无机材料制作，最终产品将不受环境因素影响(例如：极端温度、湿度、紫外光辐射)，且未使用染料或色素以产生颜色，干涉调变显示器的显示质量无褪色或退化的风险。反观采用液晶或液态材料的其它竞争技术，当操作在极端温度环境下，其效能会严重改变。此外，仔细挑选干涉调变显示器的设计与材料，可避免结构的疲乏影响干涉调变显示器的可靠度。我们合作的潜力客户已提供规格以便进行产品的寿命测试(在提高的温度与湿度条件下超过十年寿命)。干涉调变显示器已通过这些测试且符合规格。
干涉调变显示器的制造
打从一开始，干涉调变显示器就建构在大尺寸的基板上，以便其制程与液晶显示产业匹配(如图四)。其采用的原料及工具与LCD相同，且其显示组件与既有的LCD模块积体化技术匹配。由于这样的匹配性，让现有的LCD模块厂可直接制作干涉调变显示器。因此，采用干涉调变显示器所面临的转换风险与所需的努力可大幅降低。
值得注意的是，干涉调变显示器是采用已被使用且特性清楚的材料，产在线的机台很少能制作出与研发时相同质量的产品。这将造成技术转移过程中或多或少的再研发努力。因此，研发团队必须接受这一事实并早做准备。其中一个做法是，在做基础研究时就同时进行预先取样及材料特性测试等工作。
在现有工厂中建立厂房时，会产生所谓产线平衡问题。对干涉调变显示器而言，90%以上的设备已存在薄膜晶体管(TFT)主动式液晶显示器(AMLCD)厂。然而，其制作流程步骤的设计并非针对干涉调变显示组件之产出效率做优化(如图五)。TFT制程趋向”重”介电层、”轻”金属层。这个问题不容小觑，因牵未来会涉到早期累积设备汰换需求之花费；或是初期大笔支出来达到后续的开销节约。
细部检视制造过程
干涉调变显示器的制程仅仅原本的2.5代厂或更大的玻璃基板开始。牺牲蚀刻层和封装是干涉调变制程里的两个较关键性步骤。因为干涉调变组件是一种微机电系统(MEMS)装置，它需要移除牺牲层(sacrificial layer)使机械组件能随意移动。湿式蚀刻需要湿式蚀刻液，借着其它液体的除去和最后的升华来避免释放(release)过程中MEMS结构发生不可逆的崩溃(collapse)。为了减少释放过程的复杂性和满足许多制程整合问题，因此在释放(release)蚀刻中使用了XeF2气相蚀刻。
牺牲层被蚀刻之后，即可以开始进行封装。在封装过程中，嵌壁式(recessed)的数组面板和大面积面板结合在一起。藉由玻璃基板制造及组装产生双平面组件，接着整合到封装好的显示器面板。
封装程序的执行主要是让干涉调变数组的可移动式薄膜免于受到尘粒、磨损和水气的侵害。由于移动部分的交互黏着(stiction)可能使得MEMS组件功能丧失，此类的黏着问题常因MEMS组件表面受潮而发生，并造成邻近的组件黏在一起；值得注意的是，高度坚固耐用的干涉调变数组不会因短期暴露在氧气或大气中而丧失其功能；然而，干涉调变器数组不会为了达到最大机能和寿命而需要严控操作环境。在干涉调变面板的封装制造中，利用玻璃背板的凹槽处放置干燥剂来维持组件环境，且该背板以黏着剂封入干涉调变数组(图六)。
干涉调变显示器的结构可以发展在晶圆等级大小尺寸上。举列来说，QUALCOMM MEMS科技公司(QMT)利用6吋(150-mm)玻璃晶圆来制造干涉调变显示器 (图七)。因为QMT未将干涉调变显示器的技术发展在平面显示器生产工具上，所以利用“Copy Exact”的制程转移是不可行的。然而，QMT公司利用所谓的“Copy Smart”制程转移实现该项技术。QMT仿照标准半导体制程方法、工具，且使用平面显示器工具的制程整合发展在6吋晶圆上。
当类似于平面显示器制程的物理套用在大部份的干涉调变显示器数组单元制程时，干涉调变显示器构造便可以很容易在FPD产线大量制造，使客户能将驱动装置放在玻璃上，且可依据客户特殊的应用做选择，例如在分辨率、画素值、开口率及对角比例(diagonal ratio)等。
因为控制器接口(配合使用干涉调变显示器模块整合到驱动装置，依循工业的标准)使得该模块可以很容易的整合到标准的行动装置系统。这些接口包含了标准的RGB STN- TFT、串联接口(SPI, I2C)及并列接口(8080-type)。标准供电系统也是由标准的电压所供给而不需要特别的电压设定。
结论
目前液晶显示器技术被选来应用在行动装置上，然而当干涉调变显示器技术的出现，行动应用上又多了一种新技术可以选择。这种极具潜能的技术不只在亮度和电量的消耗上达到制造商和客户的需求，而且可利用既有LCD制程和具有MEMS结构的独特功能优点。同时，干涉调变显示器技术也使系统设计者依据不同产品的需求、影像质量、电量消耗、效率等而具有许多的设计弹性。不像其它显示器一般，干涉调变显示器比其它显示器技术更具有多样性且客制化的特色。由于这些特色使的干涉调变显示器有机会能够成为下一世代行动应用中独特的平面显示技术
原文链接：
http://csot.acesuppliers.com/meg/meg_1.asp?mgzid=8069932120072329298456958&idxid=7848