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(shì),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(jì)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(jì)和制作,其空間分辨率為800×600像素,目前已在國(guó)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(gè)像素的截面積,從而大大提高了開口率[2]。筆者設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)成避光層,金屬4設(shè)計(jì)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(jì)可防止因此而引起的圖像對(duì)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(gè)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(jì)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(huì)因?yàn)樾酒娐方Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,使得設(shè)計(jì)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。總體上芯片電路可劃分為行掃描驅(qū)動(dòng)器、列數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器和顯示像素矩陣。為了降低芯片工作頻率,同時(shí)利于周邊驅(qū)動(dòng)電路布局布線,把列數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器分成電學(xué)結(jié)構(gòu)完全一致的上下兩組,分別驅(qū)動(dòng)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(dòng)器位于芯片左邊,它有600個(gè)驅(qū)動(dòng)單元,依照幀觸發(fā)時(shí)鐘脈沖VST和掃描時(shí)鐘脈沖VCK1VCK2同步控制,從第一行到最后一行依次驅(qū)動(dòng)。另一方面,上下列數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器各由一個(gè)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(hào)時(shí)鐘脈沖HST和像素時(shí)鐘脈沖HCK1HCK2的控制下,從左到右依次將信號(hào)輸入400個(gè)模擬傳輸門,控制其對(duì)視頻模擬信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)間。結(jié)果以恒定的間隔取樣連續(xù)的單色視頻圖像信號(hào),并直接輸入到相應(yīng)的視頻信號(hào)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(hào)電極逐場(chǎng)反轉(zhuǎn)模式,即作用在像素電極上的信號(hào)電平相對(duì)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(hào)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(jì)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(jí),其設(shè)計(jì)過程十分復(fù)雜,較好的設(shè)計(jì)策略是采用層次設(shè)計(jì)與EDA設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法,基本的設(shè)計(jì)過程是采用自頂向下的設(shè)計(jì)。具體地說,使用具備全定制設(shè)計(jì)功能的Cadence EDA設(shè)計(jì)工具,按照“自頂向下”的規(guī)則來設(shè)計(jì)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(jì),分化出盡可能簡(jiǎn)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(jì)和電路仿真;最后采用全定制方法綜合出整個(gè)LCoS芯片版圖。設(shè)計(jì)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(hào)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L(zhǎng)CoS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(gè)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(jì)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(shí),可在Cadence平臺(tái)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(tái)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(jì)為16μm,其芯片對(duì)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(cuò)誤。因此,在完成LCoS顯示芯片布局、布線后,筆者在Cadence平臺(tái)上進(jìn)行了版圖驗(yàn)證,包括設(shè)計(jì)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(guó)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(duì)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(guó)內(nèi)自主研制生產(chǎn),具有中國(guó)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

5 鏡面電極光學(xué)性能測(cè)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(gè)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(cè)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(guó)內(nèi)在LCoS投影機(jī)光學(xué)引擎、光源、整機(jī)設(shè)計(jì)及LCoS設(shè)計(jì)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(shì)。更令人振奮的是,我國(guó)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(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的LCoS顯示芯片[8]?？梢灶A(yù)見,在中國(guó)以LCoS技術(shù)為核心的新型平板顯示產(chǎn)業(yè)即將興起。