??? 摘? 要: 討論LCoS顯示器的結(jié)構(gòu)和用途,給出了LCoS顯示芯片的設(shè)計(jì)方法及其實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果。LCoS顯示屏是一種反射式液晶顯示器,其周邊驅(qū)動(dòng)器和有源像素矩陣使用CMOS技術(shù)制作在單晶硅襯底上,并以晶片為基底封液晶盒,因而擁有小尺寸和高顯示分辨率的雙重特性。?

??? 關(guān)鍵詞: 硅基液晶(LCoS)屏? 片上系統(tǒng)(SoC)? 版圖? 定制設(shè)計(jì)

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1? LCoS顯示芯片——一類新型的SoC芯片?

??? 提到液晶顯示器,人們就會(huì)聯(lián)想到筆記本電腦用液晶顯示器,或是大屏幕等離子顯示器。新出現(xiàn)的令人振奮的LCoS是制作在單晶硅上的LCD顯示技術(shù)^[1]。?

??? LCoS顯示器是一類新型的反射式顯示器,是半導(dǎo)體VLSI技術(shù)和液晶顯示技術(shù)巧妙結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品,其顯示芯片對(duì)角線尺寸約為18mm。由于LCoS可利用常規(guī)的CMOS技術(shù)批量生產(chǎn),并可隨半導(dǎo)體工藝的發(fā)展進(jìn)一步微型化,同時(shí)提高分辨率,LCoS顯示器將具備低功耗、微型尺寸、超輕重量等特點(diǎn),因此在個(gè)人便攜顯示應(yīng)用方面非常有優(yōu)勢(shì),特別是功耗遠(yuǎn)低于許多有源矩陣液晶顯示器(AMLCD),而生產(chǎn)成本可望與陰極射線管(CRT)相比擬。?

??? 盡管LCoS顯示屏通常只有指甲大小,相應(yīng)的像素也就非常小,以至不利于肉眼直接分辨,但LCoS顯示器都配備有各式各樣用于放大圖像的光學(xué)系統(tǒng)(Optical Engine):一種是直接投影到視網(wǎng)膜上形成放大的虛像,由此產(chǎn)生了個(gè)人用虛擬成像平板顯示技術(shù);另一種是運(yùn)用屏幕投影形成放大實(shí)像,如圖1所示。LCoS顯示技術(shù)導(dǎo)致了一類新型的大屏幕平板顯示器的誕生。?

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??? 作為LCoS顯示技術(shù)核心的關(guān)鍵部件的單晶硅背板(LCoS顯示芯片),是一塊多功能、多結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)(SoC),即整個(gè)顯示系統(tǒng)集成在一塊18mm左右的晶片上。然而,SoC類芯片的設(shè)計(jì)必須全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況。正是因?yàn)槿绱嗽O(shè)計(jì)周全,與由分離IC組合的顯示系統(tǒng)相比,SoC類芯片可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。可以預(yù)計(jì),以系統(tǒng)芯片方式設(shè)計(jì)生產(chǎn)的新一代液晶顯示器,其應(yīng)用前景將非常廣闊^[2]。?

2 LCoS顯示屏?

??? LCoS顯示屏通常分為兩大類:透射型和反射型。雖然它們?cè)趲缀喂鈱W(xué)原理上截然迥異,但都能有選擇地調(diào)制外光源光線而形成圖像。透射型首先在晶片上完成驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)制作,再用剝離(lift-off)技術(shù)^[3]或各向異性刻蝕(anisotropic etching)技術(shù)^[4]分離出管芯,粘附到透明襯底上制成微顯芯片。如此巧妙設(shè)計(jì)一方面是利用單晶硅的優(yōu)質(zhì)電學(xué)性能,另一方面則是利用成熟的IC設(shè)計(jì)制造技術(shù)。反射型則是直接在晶片上制作驅(qū)動(dòng)電路和顯示矩陣電路,然后以此為基底封裝液晶材料形成類似傳統(tǒng)LCD (Liquid Crystal Display)結(jié)構(gòu)的平板顯示屏。所以常規(guī)IC技術(shù)可直接用于設(shè)計(jì)制作硅基液晶顯示屏。?

??? 圖2是筆者運(yùn)用Cadence EDA工具,采用0.6μm的n-阱四層金屬CMOS工藝規(guī)則設(shè)計(jì)的反射式LCoS(VGA分辨率,時(shí)序彩色化)電路結(jié)構(gòu)圖。其電路可劃分為行掃描驅(qū)動(dòng)器,列數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)器(包含DAC電路)和顯示驅(qū)動(dòng)矩陣(有源NMOS矩陣)^[5]。?

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??? 在列數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)器中,串行輸入的多位數(shù)字視頻信號(hào)通過移位寄存器的作用,依次存入數(shù)字鎖存器,然后在同一讀出信號(hào)作用下,配合行掃描信號(hào),同時(shí)輸入到各列的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC),之后輸出模擬電壓信號(hào)作用到像素,因此一幀圖像將被一次一行地傳送到所有列。?

????在行掃描驅(qū)動(dòng)器中,行掃描信號(hào)通過另一組移位寄存器作用,產(chǎn)生與數(shù)字視頻信號(hào)同步的逐行掃描信號(hào)。?

??? 有源顯示驅(qū)動(dòng)矩陣的每一個(gè)像素包括像素開關(guān)(NMOS晶體管)、存儲(chǔ)電容和在它們上面的鋁反射電極。NMOS晶體管控制列數(shù)據(jù)線對(duì)液晶像素的充電,而存儲(chǔ)電容中的充電電荷建立了相對(duì)于控制電極的電壓差。由于液晶材料本身也有電容,并沿分子的取向充電,當(dāng)一定量的電荷積聚在像素上時(shí),液晶將按所施加的電場(chǎng)取向。液晶分子的再取向,導(dǎo)致液晶電容的變化,這就改變了加在像素的電壓。為了解決這個(gè)問題,需要用較大的存儲(chǔ)電容。?

??? 像素的截面如圖3所示,采用了四層金屬,分別用于掃描線、數(shù)據(jù)線、避光層和鋁反射鏡面電極。掃描線控制NMOS晶體管(像素開關(guān))的柵極,當(dāng)NMOS導(dǎo)通時(shí)數(shù)據(jù)線上的信號(hào)驅(qū)動(dòng)到像素上。晶體管漏極,存儲(chǔ)電容和反射鏡面電極是電導(dǎo)通的。硅背板頂部制作1μm厚的液晶襯墊,用以確定液晶盒間隙。?

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??? 整個(gè)硅背板都是在常規(guī)IC芯片生產(chǎn)線上完成的。在加工好的LCoS顯示芯片上,覆蓋取向?qū)?涂上密封膠,粘合附著ITO電極的玻璃蓋板,最后向這個(gè)液晶盒灌注液晶材料就形成了LCoS顯示器。盡管LCoS顯示芯片的面積比較大,但絕大部分是像素陣列,晶體管密度較低,故可得到高的成品率。采用現(xiàn)代IC制造技術(shù)生產(chǎn)LCoS顯示器可謂駕輕就熟,也是制造高分辨率LCD顯示器的一條降低成本的途徑。?

3 芯片功耗分析?

??? 功率損耗是制約集成電路的一個(gè)重要因素,而CMOS電路的主要特點(diǎn)就是低功耗。由于LCoS芯片上的像素尺寸非常小(7～20μm),制作相應(yīng)微濾色片(microfilter)的工藝復(fù)雜,且成本高。通常采用無微濾色片工藝,在單片LCoS芯片上使用時(shí)間混色模式(時(shí)序彩色化)實(shí)現(xiàn)彩色顯示。表面上看時(shí)序彩色模式的LCoS芯片,要求其幀頻為普通VGA顯示的3倍以上來刷新屏幕,似乎功耗會(huì)增加許多倍,但實(shí)際并非如此。在圖2所示的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)中,我們?cè)O(shè)計(jì)了行鎖存器。這樣,就可以采用逐行寫入方式,把每場(chǎng)的圖像信號(hào)輸入到像素顯示矩陣中。縱向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器中的視頻串-并轉(zhuǎn)換移位寄存器的工作頻率約為25MHz,其它大部分電路的時(shí)鐘頻率不超過300kHz。LCoS芯片的功耗包括以下三部分:?

??? (1)靜態(tài)功耗P_S。由反向漏電流造成的直流功耗,CMOS電路一般可以忽略不計(jì)。?

??? (2)動(dòng)態(tài)功耗P_D。主要指逐行寫入圖像信號(hào)時(shí),每行象素(電容)充放電產(chǎn)生的交流功耗。?

??? (3)場(chǎng)反轉(zhuǎn)功耗P_F。上蓋板電極作周期性電場(chǎng)反轉(zhuǎn)需要的功耗。?

??? 綜合以上三項(xiàng)功耗,總的功耗為?

??? P=P_S+P_D+P_F≈P_D+P_{F???????????????????} ???? (1)?

??? 可采用數(shù)字電路瞬態(tài)功耗估算公式得到:?

??? P=C_L f_C V_DD²?????????? ??????????????? (2)?

??? 這里,每個(gè)象素的電容量Cp約為0.2pF,?

??? 每行象素的電容量為:?

??? C_row=640 × Cp =128pF??????????????? ? (3)?

??? 每屏象素的電容量為:?

??? C_panel=480×C_row=61.44nF??????????????? (4)?

??? 另外,已知逐行寫入頻率接近300kHz,場(chǎng)反轉(zhuǎn)頻率150Hz,V_DD=5V,把這些值連同(2)、(3)、(4)式代入(1)式,得到LCoS芯片的功耗估計(jì)值:?

??? P=C_row f_行 V_DD²+C_panel f_場(chǎng) V_DD²≈1.2mW?

??? 可見,LCoS顯示器的確屬于低功耗器件。?

??? 我們利用0.6μm CMOS工藝設(shè)計(jì)制作的LCoS芯片,象素截距為12μm;象素驅(qū)動(dòng)矩陣的占有面積為(640×12)μm×(480×12)μm=7.68mm×5.76mm?？紤]到需要預(yù)留液晶盒的膠線封裝區(qū),最后整個(gè)LCoS顯示芯片的尺寸為:11.0mm×9.4mm,對(duì)角線約為15mm。?

4 LCoS芯片研制策略與現(xiàn)代EDA技術(shù)?

??? 由前面分析器件結(jié)構(gòu)及整個(gè)芯片的工作模式表明,LCoS芯片是一塊復(fù)雜的數(shù)?；旌想娐沸酒＿@類電路的復(fù)雜性不僅要求同一條生產(chǎn)線能同時(shí)兼容數(shù)字和模擬IC的生產(chǎn)工藝^[6],更重要的是針對(duì)市場(chǎng)需要如何準(zhǔn)確、快速地設(shè)計(jì)出LCoS顯示芯片。對(duì)于前者有一定規(guī)模的現(xiàn)代半導(dǎo)體加工工廠都能相對(duì)容易地實(shí)現(xiàn),而后者很大程度上決定于將采用的EDA設(shè)計(jì)平臺(tái)。?

??? 所謂EDA是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái),融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包,主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作:IC設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)以及PCB設(shè)計(jì)。我們將使用具備全定制設(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。?

??? 設(shè)計(jì)從行為級(jí)開始,首先確定LCoS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,這期間要遵循標(biāo)準(zhǔn)5V-0.6μm-CMOS工藝設(shè)計(jì)規(guī)則,采用全定制方法研制LCoS芯片的基本單元庫。最后按照半定制設(shè)計(jì)流程綜合出整個(gè)LCoS芯片版圖。?

5 在CADENCE平臺(tái)上設(shè)計(jì)LCoS芯片版圖?

??? 根據(jù)中國微電子行業(yè)的加工條件,選擇包含豐富EDA工具的Cadence軟件,嘗試著建立了一套0.6μm工藝LCoS芯片版圖,其中包括電路符號(hào)庫、電路設(shè)計(jì)庫、單元版圖庫及其用于布局布線的Phanton庫和仿真庫等。主要設(shè)計(jì)流程如圖4所示^[7]。?

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??? 首先確定設(shè)計(jì)方案,同時(shí)要選擇能實(shí)現(xiàn)該方案的合適的CMOS工藝流程。然后根據(jù)具體的CMOS元器件參數(shù)設(shè)計(jì)電路原理圖。接著進(jìn)行第一次仿真,包括數(shù)字電路的邏輯模擬、故障分析、模擬電路的交直流分析、瞬態(tài)分析。LCoS芯片電路在進(jìn)行仿真時(shí),必須要有元件模型庫的支持,計(jì)算機(jī)上模擬的輸入輸出波形代替了實(shí)際電路調(diào)試中的信號(hào)源和示波器。這一次仿真主要是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案在功能方面的正確性。?

??? EDA技術(shù)使得LCoS設(shè)計(jì)人員在實(shí)際的芯片產(chǎn)生之前,就可以全面了解系統(tǒng)的功能特性和物理特性,從而將開發(fā)過程中出現(xiàn)的缺陷消滅在設(shè)計(jì)階段,不僅縮短了開發(fā)時(shí)間,也降低了開發(fā)成本。?

??? 前端設(shè)計(jì)檢查完畢后,進(jìn)行版圖布局、寄生參數(shù)的提取和靜態(tài)時(shí)序分析。在后仿真驗(yàn)證過程中,可先用從版圖中提取的寄生參數(shù)文件計(jì)算出延遲文件,再反標(biāo)回邏輯網(wǎng)表進(jìn)行后仿真。仿真通過后則設(shè)計(jì)完畢,便可進(jìn)行下一步的投片生產(chǎn)。?

6 LCoS生產(chǎn)與應(yīng)用?

??? 如上所述,LCoS顯示器是半導(dǎo)體VLSI技術(shù)和液晶顯示技術(shù)巧妙結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品,因此LCoS可利用常規(guī)的CMOS技術(shù)批量生產(chǎn),并隨半導(dǎo)體工藝的發(fā)展進(jìn)一步微型化。?

??? 從IC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的角度來說,LCoS顯示芯片是一塊多功能、多結(jié)構(gòu)、與現(xiàn)代CMOS制造工藝息息相關(guān)的SoC;從IC生產(chǎn)工藝角度來說,當(dāng)初在IC工藝中建立CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)技術(shù)是為了填平復(fù)雜的電路走線,提高各金屬布線層的平面光刻精度^[8],防止電荷尖端積累效應(yīng)?，F(xiàn)在,這些優(yōu)勢(shì)都成為制作LCoS芯片像素反射鏡面的必然方法。其它如遮光層工藝也源于IC技術(shù)。?

??? 眾所周知,IC技術(shù)的強(qiáng)大生命力在于它可以低成本、大批量地生產(chǎn)出具有高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊。然而,這種技術(shù)一旦與其它學(xué)科相結(jié)合,便會(huì)誕生出嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。筆者認(rèn)為LCoS技術(shù)就是硅平面技術(shù)與平板顯示技術(shù)結(jié)合而誕生的典型例子。?

??? 由于LCoS顯示器具有尺寸小、功耗低、分辨率高的優(yōu)點(diǎn),在與其它平面顯示技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中越來越占有利地位。比如,一般移動(dòng)電話都使用ECB TN-LCD和STN-LCD,但是越來越多的用戶希望看到E-mail、視頻圖像及網(wǎng)上瀏覽,這就需要移動(dòng)電話配置分辨率不低于QVGA(320×240)的虛擬顯示屏。這也是LCoS技術(shù)的潛在市場(chǎng)之一。?

??? 另一個(gè)潛在應(yīng)用是數(shù)碼攝像機(jī)的取景器。與傳統(tǒng)的直視型AMLCD(對(duì)角線2～4英寸)相比,LCoS技術(shù)提供的圖像大到5～10倍,分辨率不低于QVGA,功耗僅為原來的1/15～1/30,重量約1/5。投影顯示器的主要應(yīng)用將仍然是投影機(jī)。而最大的增長潛力是消費(fèi)類產(chǎn)品,LCoS虛擬顯示器非常適合許多消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用,包括上面提到的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、可視移動(dòng)電話以及PDA和頭盔顯示器等需要嵌入微型顯示器的電子產(chǎn)品。?

??? LCoS顯示屏是硅平面技術(shù)與平板顯示技術(shù)發(fā)展到相對(duì)成熟階段且二者相結(jié)合而誕生的,因而具有VLSI技術(shù)的全部設(shè)計(jì)特征。然而LCoS顯示芯片也是混合信號(hào)市場(chǎng)的一個(gè)產(chǎn)品,而“time to market”同樣對(duì)LCoS顯示芯片的設(shè)計(jì)提出巨大挑戰(zhàn)。Cadence設(shè)計(jì)環(huán)境下豐富的EDA工具,保障了設(shè)計(jì)人員可以把精力集中于創(chuàng)造性的概念構(gòu)思與方案上。這樣,新的概念才得以迅速有效的成為產(chǎn)品,大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。不僅如此,基于我們?yōu)長CoS顯示芯片建立的一套綜合基本庫,Cadence平臺(tái)上的綜合優(yōu)化工具將能按不同顯示模式,如QVGA(240×320)、VGA(640×480)、SVGA(600×800)等,自動(dòng)規(guī)劃布局成對(duì)應(yīng)版圖,從而使開發(fā)LCoS平板顯示技術(shù)系列產(chǎn)品變得輕松容易。?

參考文獻(xiàn)?

1 Morrissy J.H, Pfeiffer M, Schott D, Vithana H.Reflective?Microdisplays for Projection or Virtual-View Applications.SID’99 Digest, 1999； 30(16): 180～183?

2 Michael Stefanov. Manufacturing LCoS Microdisplays. Information Display, 2000； 16(7): 24～26?

3 Salerno J. P. Single Crystal-Silicon Transmissive AMLCD.SID’92 Digest, 1992； 23(11): 63～66?

4 Khormaei R. A 1280x1024 Active Matrix EL Display.SID’95?Digest, 1995; 26(20): 891～893?

5 代永平,孫鐘林,耿衛(wèi)東. 彩色LCoS微型顯示器設(shè)計(jì).半導(dǎo)體技術(shù), 2001； 26(10): 37～39?

6 H.C.Huang,Y.T.Wong,C.T.Nguyen,H.S.Kwok. Planarization?of Liquid-Crystal-on-Silicon Projection Display with Multilevel Metallization and Chemical-Mechanical Polishing.?SID’96 Digest, 1996; 27(19): 685～688?

7 Design Framework User Guide. CADENCE Version 9502.CADENCE Inc. 1994,11?

8 DeJule R.Advances in CMP. semiconductor Internationals,1996； 19(12): 88～96