LCoS(硅基液晶)作為新型顯示器件,具有大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優(yōu)勢,用LCoS技術(shù)制作高分辨率光閥的方法逐漸在平板顯示界占有一席之地[1]。本文設(shè)計的用于三片式彩色投影機(jī)的高集成化LCoS顯示芯片,采用標(biāo)準(zhǔn)0.6μm-四層金屬-雙電源CMOS工藝設(shè)計和制作,其空間分辨率為800×600像素,目前已在國內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)線上小批量成功流片。

1 LCoS顯示器件的物理結(jié)構(gòu)與性能

LCoS顯示器是一種反射式光調(diào)制器,不影響入射光到每個像素的截面積,從而大大提高了開口率[2]。筆者設(shè)計的三片式投影顯示系統(tǒng)采用空間混色法實(shí)現(xiàn)彩色化,即分別用三片LCoS芯片控制紅綠藍(lán)三基色圖形,然后通過光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間混色。

筆者采用標(biāo)準(zhǔn)0.6μm-n阱-四層金屬CMOS工藝設(shè)計的單色LCoS器件物理結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。圖中,把金屬3設(shè)計成避光層,金屬4設(shè)計成反射鏡面電極,其目的是使金屬3和4交疊遮蓋顯示矩陣的有源部分,從而完全擋住了入射光線,降低了NM0S晶體管源極PN結(jié)上產(chǎn)生的光生漏電流。這種設(shè)計可防止因此而引起的圖像對比度退化。

在芯片制作過程中采用了CMOS制造工藝中的整平技術(shù),以確保硅片表面是光學(xué)平面。整平工藝使得LCoS硅芯片在像素內(nèi)的局部平整度變化小于100A°,像素間的總體平整度變化小于500A°。采用這種整平工藝可使硅光閥的光學(xué)性能大大地改進(jìn)[3]。這些改進(jìn)包括三個方面:首先,平整的表面提高了像素的金屬鏡面質(zhì)量,使得光學(xué)反射性增強(qiáng);第二,在液晶盒的后階段制造中,平整的表面改善了液晶的排列,使液晶盒的可靠性和特性變得更好;最后,在像素上鍍了一層電介質(zhì)鏡面,進(jìn)一步改善了金屬的反射性能。

為了提高本次設(shè)計的成功率,采用投影顯示系統(tǒng)中主流產(chǎn)品的顯示性能指標(biāo)(見表1)。這樣,一方面不會因?yàn)樾酒娐方Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,使得設(shè)計難度大幅度地增加,而轉(zhuǎn)移本科研的注視點(diǎn);另一方面,若這種模擬式單色顯示方式能成功實(shí)現(xiàn),可直接與主流產(chǎn)品接軌。

2 顯示芯片電路系統(tǒng)

圖2給出了LCoS芯片的電路結(jié)構(gòu)框圖?？傮w上芯片電路可劃分為行掃描驅(qū)動器、列數(shù)據(jù)驅(qū)動器和顯示像素矩陣。為了降低芯片工作頻率,同時利于周邊驅(qū)動電路布局布線,把列數(shù)據(jù)驅(qū)動器分成電學(xué)結(jié)構(gòu)完全一致的上下兩組,分別驅(qū)動奇偶數(shù)據(jù)線。

LCoS顯示芯片采用逐點(diǎn)尋址方式,行掃描驅(qū)動器位于芯片左邊,它有600個驅(qū)動單元,依照幀觸發(fā)時鐘脈沖VST和掃描時鐘脈沖VCK1VCK2同步控制,從第一行到最后一行依次驅(qū)動。另一方面,上下列數(shù)據(jù)驅(qū)動器各由一個雙向可選擇的400節(jié)移位寄存器和一組模擬傳輸門組成。移位寄存器在信號時鐘脈沖HST和像素時鐘脈沖HCK1HCK2的控制下,從左到右依次將信號輸入400個模擬傳輸門,控制其對視頻模擬信號的導(dǎo)通時間。結(jié)果以恒定的間隔取樣連續(xù)的單色視頻圖像信號,并直接輸入到相應(yīng)的視頻信號電極線,從而作用到正被選取的掃描行的像素電極上。

單色LCoS芯片采用視頻信號電極逐場反轉(zhuǎn)模式,即作用在像素電極上的信號電平相對于上蓋玻璃基片上公共電極的電壓,每一幀都改變一次極性,于是視頻信號成為周期性改變的交流電壓,從而可以防止液晶材料的電化學(xué)退化。

3 采用EDA技術(shù)設(shè)計LCoS芯片

從前面的分析可以發(fā)現(xiàn),LCoS芯片不可能直接采用標(biāo)準(zhǔn)單元、門陣列等半定制方法來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上,LCoS芯片的物理版圖實(shí)屬LSI級,其設(shè)計過程十分復(fù)雜,較好的設(shè)計策略是采用層次設(shè)計與EDA設(shè)計相結(jié)合的方法,基本的設(shè)計過程是采用自頂向下的設(shè)計。具體地說,使用具備全定制設(shè)計功能的Cadence EDA設(shè)計工具,按照“自頂向下”的規(guī)則來設(shè)計LCoS芯片的版圖。首先確定微顯芯片的功能、性能、允許的芯片面積和成本等;接著進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,分化出盡可能簡單的子系統(tǒng);然后把各子系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換成電路圖,進(jìn)行電路邏輯設(shè)計和電路仿真;最后采用全定制方法綜合出整個LCoS芯片版圖。設(shè)計好的版圖還要通過提取版圖的結(jié)構(gòu)信息和寄生參數(shù)信息與原來的結(jié)構(gòu)描述相比較,驗(yàn)證它們之間的一致性。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

筆者采用具有4層金屬布線的CMOS工藝路線來實(shí)現(xiàn)LCoS芯片。為此首先在Cadence環(huán)境下編寫與Diva驗(yàn)證工具相匹配的工藝文件(LCoS.tf)[4]。其中包括:①LCoS芯片光刻版圖層及其屬性的定義;②符號元件;③DRC、ERC、LVS檢查規(guī)則;④寄生電阻、電容提取規(guī)則;⑤抽象單元規(guī)則。

3.2 建立LCoS顯示芯片的單元庫

筆者為LCoS顯示芯片建立的基本單元包括:反相器、門電路、準(zhǔn)靜態(tài)D觸發(fā)器、模擬電子開關(guān)、基本運(yùn)算放大器、電平變換器以及各種應(yīng)用的I/O單元[5]?？紤]到各基本單元的邏輯功能不同,其版圖面積的大小也不可能一樣,因此規(guī)定列方向上的基本單元,其寬度一致;而在行方向上的基本單元,其高度一致;并且與顯示矩陣的規(guī)則排列相一致。這為整個版圖的快速組合鋪平了道路。

3.3 版圖布局策略

布局是指將模塊安置在芯片上的適當(dāng)位置,并能滿足一定的目標(biāo)函數(shù)。由于LCoS顯示芯片在整體物理結(jié)構(gòu)方面具有嚴(yán)格的橫向或縱向?qū)ΨQ性,可以免去那些在常規(guī)半導(dǎo)體版圖設(shè)計中采用的頂層規(guī)劃與底層規(guī)劃。當(dāng)運(yùn)用LCoS顯示芯片的單元物理視圖完成單行或單列的版圖優(yōu)化時,可在Cadence平臺上設(shè)置LCoS顯示矩陣截距,然后反復(fù)復(fù)制單行或單列的物理視圖來實(shí)現(xiàn)LCoS顯示芯片的主要版圖布局規(guī)劃。圖3是筆者在Cadence平臺上規(guī)劃出的LCoS(SVGA分辨率)顯示芯片版圖,圖中像素截距設(shè)計為16μm,其芯片對角線保持在21mm(約0.83英寸)左右。

3.4 版圖驗(yàn)證

版圖驗(yàn)證的任務(wù)是檢查版圖中可能存在的錯誤。因此,在完成LCoS顯示芯片布局、布線后,筆者在Cadence平臺上進(jìn)行了版圖驗(yàn)證,包括設(shè)計規(guī)則檢查、電學(xué)規(guī)則檢查以及版圖與電路圖的一致性檢查,并在版圖寄生參數(shù)提取的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行電路分析(即后仿真)。在所有的檢查都通過并被證明正確無誤后,將布圖結(jié)果轉(zhuǎn)換為掩膜文件。然后由掩膜文件設(shè)法生成掩膜版,通常這可通過掩膜版發(fā)生器或電子束制版系統(tǒng)得到。

4 芯片實(shí)物顯微圖片

圖4給出了研制的投影用單色LCoS顯示芯片實(shí)物顯微照片。這是采用國內(nèi)某半導(dǎo)體生產(chǎn)線0.6μm-CMOS工藝在6英寸硅片上制作的,每枚芯片尺寸為17010μm×12420μm,其中顯示矩陣尺寸為12800μm×9600μm,即對角線尺寸約為0.63英寸。在每片6英寸硅圓片的有效平面光刻范圍內(nèi)可制作60枚LCoS顯示芯片。圖4(b)是單枚LCoS顯示芯片顯微放大照片,其中特意放大了芯片名稱:NKD-B5,以示該顯示芯片為國內(nèi)自主研制生產(chǎn),具有中國的自主知識產(chǎn)權(quán)。

5 鏡面電極光學(xué)性能測試結(jié)果

作為反射式調(diào)制光閥的LCoS顯示器,其光通量是一個關(guān)鍵參數(shù),而光通量依賴于像素電極反射鏡面的尺寸、鏡面的反射率及其平整度。在顯示面積一定的情況下,像素電極反射鏡面的尺寸直接與像素的開口率成線性關(guān)系。本文研制的LCoS芯片的像素截距是16μm,像素間距是0.54μm,可得到的像素開口率:



圖5是不同厚度純Al(99.999%)薄膜的反射率測試結(jié)果,表明了純Al鏡面的反射率受其薄膜厚度的影響。實(shí)際上,純Al膜如果沉積較厚(1μm以上)容易形成“鋁丘”[6],即出現(xiàn)多晶態(tài)的Al分布,一方面使Al膜表面粗糙,降低其鏡面反射率,另一方面將嚴(yán)重影響Al膜的電學(xué)性能。因此,根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本篇論文采用3000.厚的純Al膜制作LCoS顯示芯片的鏡面反射電極。

目前LCoS的發(fā)展業(yè)者集中在美英兩地的Fabless公司[7],國內(nèi)在LCoS投影機(jī)光學(xué)引擎、光源、整機(jī)設(shè)計及LCoS設(shè)計以及液晶板制造方面均有研發(fā)和向產(chǎn)業(yè)化方向轉(zhuǎn)移的趨勢。更令人振奮的是,我國在向LCoS技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)軍中,并沒有停留在低技術(shù)含量的系統(tǒng)組裝范疇。以南開大學(xué)等一批高等院校、科研機(jī)構(gòu)為先驅(qū),在不同渠道資金的支持下,奮先展開了研發(fā)具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)(IP)的LCoS顯示芯片[8]。可以預(yù)見,在中國以LCoS技術(shù)為核心的新型平板顯示產(chǎn)業(yè)即將興起。