本文首先綜述了各種LCD顯示器對玻璃基扳的性能要求，并進(jìn)一步闡述了各類LCD玻璃基板的玻璃組成系統(tǒng)和正在和即將應(yīng)用的玻璃組成。最后論及了LCD玻璃基板的幾個重要的性能指標(biāo)。

液晶顯示器(LCD)是在兩個玻璃基片之間填充液晶介質(zhì)，再加上一定形狀的極化層，當(dāng)電壓通過導(dǎo)電柵網(wǎng)施加于液晶介質(zhì)時，液晶介質(zhì)起著光開關(guān)的作用，從而形成一定的圖像。

1.各類LCD顯示器對基板的要求

液晶(LC)及液晶顯示器(LCD)研究的飛速發(fā)展帶動了所需基板的更新?lián)Q代。LCD為有源顯示器，依靠外部光源來顯示。其基板需要兩種不同的短陣.第一種是內(nèi)部矩陣型，依靠液晶材料的閥值性質(zhì).第二是外部矩陣或有源矩陣(AM)型.由二極管陣列、金屬-絕緣體-金屬(MIM)裝置或薄膜晶體管汀兀)來為每個像素電子轉(zhuǎn)換。兩層之間是厚度為5-101am的隔阻層。1968年美國RCA公司的Heilmeir使用向列型液晶的動態(tài)散射效應(yīng)發(fā)明了液晶數(shù)字手表，開創(chuàng)了內(nèi)部矩陣型液晶研究的新時代，1971年Schadt提出利用向列液晶的電場效應(yīng)的扭曲向列液晶顯示技術(shù)(TN LCD)。在此基礎(chǔ)上，1983年，又發(fā)明了超扭曲向列型液晶顯示器(STN LCD)。其扭曲角為240°-270°，預(yù)傾角為5°-20°左右，后來又相繼出現(xiàn)了非晶硅的有源矩陣薄膜晶體管液晶顯示器(a-Si AM TFT LCD)和多晶硅的有源矩陣薄膜晶體管液晶顯示器(p-Si AMTFT LCD)。

含有一硅阻隔層的鈉鈣硅玻璃完全可滿足內(nèi)部矩陣型LCD的要求。在內(nèi)部矩陣LCD中具有較高性能的超扭曲向列性(STN)中，為滿足其間隙尺寸的大小一致，就要求基板格外平整。所以.應(yīng)用于這種顯示器時，鈉鈣硅玻璃就必須精密拋光。但精確成型的Corning7059玻璃則可以應(yīng)用。

外部矩陣LCD可進(jìn)一步細(xì)分為兩種類型，一種是基于MIM或非晶硅(a-Si)器件，另外一種是基于多晶硅(p-Si)器件。MIM或非晶硅(a-Si)型對基板的要求和STN一致。Corning7059薄板玻璃由于鈉含量較低(0.1wt%)、尺寸精確和具有商業(yè)可行性而成為較為理想的基板。但是，多晶硅(p-Si)器件的成型工藝溫度比a-Si TFT要高。基板所需的工作溫度為600-800℃(在玻璃的應(yīng)變點以下25℃)。準(zhǔn)確的溫度由生產(chǎn)TFT的特定工藝來確定。沉積控制介電質(zhì)需600-650℃，熱氧化物需大約800℃。a-Sj和p-Si工藝都要求和后續(xù)的工藝精確匹配，也都要求基板的熱收縮要小。

在生產(chǎn)工藝中.由基板上的堿金屬氧化物對TFT形成的鈉污染應(yīng)引起重視，通常的做法是在基板上覆蓋一阻隔層來阻止堿金屬的遷移。在這一點上值得注意的是堿含量近于零的非晶硅則可以應(yīng)用，有對也稱熔融硅或熔融石英。由于熔融硅的工作溫度為965℃，集成電路工藝技術(shù)可以直接應(yīng)用而不需添加阻隔層。這種玻璃的主要問題是債格昂貴，不能用價格低廉的商用平板玻璃工藝制各。相反，它必須用澆鑄、切割、細(xì)磨和拋光方法來制備。

由于各類LCD的性質(zhì)和制備工藝不同，因此對基板的要求也不同。表1為各類LCD基板的具體要求。

2.玻璃組成

已經(jīng)應(yīng)用的和即將應(yīng)用的作為LCD基板玻璃的組成類型和性質(zhì)如表2和表3所示

在討論各種玻璃組成之間，我們先討論鈉的作用

堿污染將縮短TFT的電介質(zhì)的使用壽命。由于鈉在硅酸鹽玻璃中的活動能力最強，使其成為最為嚴(yán)重的污染物。因此，值得關(guān)注的是，玻璃基扳中含有的鈉可在生產(chǎn)中遷移到TFT的電介質(zhì)中。即使鈉含量極低的拉板玻璃也含有大約1000-2000ppm的Na2O但也許不是組成的原因，而是由于原料不純或窯爐磚所致。對于TFT基板，其表面要求5ppm或更少。

Uchikoga等人指出在鈉鈣玻璃(12·14wt%的Na20)上制備的a-TFT和在鋁硅酸鹽玻璃(Na20<1 wt%)上制備的a-TFT具有相似的性質(zhì)。但Oono卻發(fā)現(xiàn)在性質(zhì)上卻存在很大的不同。

但在一點上是一致的，在鈉鈣玻璃的表面添加一阻隔層將限制鈉向外擴(kuò)散。Mizuhashi等人報道不論用CVD制備的硅薄膜還是用sol-gel工藝制各的磷光硅都可使鈉的外逸大幅度降低。原子吸收光譜可用來分析鈉的含量。

Onoo等人用SIMS分析鈉從鈉鈣玻璃到覆蓋的硅阻隔層的擴(kuò)散。液相沉積的硅優(yōu)于用CVD制備的材料。在溫度為70℃、相對濕度為90%下經(jīng)過100h后鈉的濃度每毫升可達(dá)1018個原子。Matsuda的一個相關(guān)報告表明這是在阻隔層和玻璃的界面上玻璃中的水置換鈉的緣故。Uchikoga等人認(rèn)為硅膜可阻止鈉，這在SIMS下鈉鈣玻璃和鋁硅酸鹽上的硅阻隔層的比較就可以發(fā)現(xiàn)。硅是在沉浸工藝和隨后的500℃的灼燒中形成的。接著樣品放在不同的溫度中進(jìn)行Ⅱ鼉的制備。周圍的最高溫度為260℃。

總之.據(jù)報道在一定的溫度和濕度條件下，硅層可有效的充當(dāng)鈉離子擴(kuò)散的阻隔層。但在溫度接近玻璃的轉(zhuǎn)變點時相同的鈉阻隔層是否有效至今仍無定論。

第一個商品化的液晶顯示設(shè)備為分片和內(nèi)部矩陣型.薄板生產(chǎn)工藝主要考慮形成薄板的能力。浮法工藝生產(chǎn)的鈉鈣玻璃較為完好的滿足了價格低廉這一最基本的要求，但必須在表面沉積一硅阻隔層來阻止鈉離子侵入到設(shè)備之中。

Corning在1980年起先用含堿的0211玻璃試探性的邁入LCD行業(yè)，這種玻璃已制備成為薄板應(yīng)用到顯微鏡透射蓋。接著在1982年使用了低堿的7059玻璃，其生產(chǎn)采用了0211的狹縫下拉工藝。在1983年，大點矩陣顯示器對基板玻璃的變形度提出了更高的要求，此玻璃可用Coming的熔融薄板拉板工藝。雖然Corning7740硼硅酸鹽玻璃含堿，但其耐堿性良好，且可采用熔融下拉法生產(chǎn)。隨著LCD技術(shù)發(fā)展到有源矩陣型，在1984年，Corning7740玻璃被熔融下拉法生產(chǎn)的低堿的Corning7059玻璃取代，其主導(dǎo)應(yīng)用地位直到1989年7059玻璃是三十年前作為電子基板玻璃發(fā)展起來的，在成型過程中不宜變形。

對于p-Si AMLCD，工作溫度的對基板的要求超過了鈉鈣玻璃、硼硅酸鹽玻璃和7059玻璃：高的應(yīng)變點和較高的工作溫度可通過降低堿的含量和在硼硅酸鹽中用鋁取代硼來達(dá)到。鋁的替換可增加粘度，溫度益線的斜率，這樣可使應(yīng)交點升高超過熔化粘度，堿土氧化物可混進(jìn)來調(diào)整性質(zhì)，一些日本玻璃公司己加入氧化鋅或(和)氧化鉛。

對于p-Si TFT AMLCD的基板玻璃，厚度為0.5-1.0的Corning1733玻璃已用熔融下拉法生產(chǎn)。Corning1734在低溫p-Si TFT AMLCD的應(yīng)用方面已發(fā)展到一個新的水平。

總體來講，玻璃耐高溫的能力是含有較高的硅含量，玻璃態(tài)的二氧化硅被用作p-Si TFT LCD的基板，其耐高溫性在所有玻璃中是最好的，但由于粘度特別高、粘度。溫度曲線特別平，所以不宜用作實際生產(chǎn)，又沒有更實用的薄板玻璃成型工藝，昂貴的粗磨和拋光技術(shù)成為制備薄板玻璃的工藝。加入氧化物和二氧化硅重結(jié)晶使玻璃耐溫性能增加的方法可使粘度-溫度曲線的斜率增加，這可用氧化鋁和堿土氧化物代替部分氧化硅來得到。Corning 1729玻璃已成功應(yīng)用于基板。Corning 1729玻璃的第二個優(yōu)點是其膨脹.溫度曲線和硅的相匹配，而玻璃態(tài)的二氧化硅的膨脹比硅的要低。

3.薄板成型工藝

液晶顯示器基板的重量輕、高平整度和優(yōu)良的光學(xué)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)為薄板制備工藝提出了新的要求。時至今日，浮法成為平板玻璃生產(chǎn)中占統(tǒng)治地位.Pikigton和Edge已有詳細(xì)論述。起初是為鈉鈣玻璃設(shè)計的且制各厚度大于1.1mm的LCD基板。但是，隨著浮法工藝的改進(jìn)已經(jīng)設(shè)計出了可生產(chǎn)更薄舯薄板工藝。事實上，Asahi已經(jīng)用浮法工藝以來生產(chǎn)厚度為0.55-1.6mm的鈉鈣玻璃，其AN和AX基板玻璃正是這一方面的展現(xiàn)。

生產(chǎn)LCD基板玻璃中最為簡單但也最為昂貴的技術(shù)是將玻璃熔液澆制一玻璃厚板，然后軋制成和所需厚度大約相當(dāng)?shù)谋“濉Ｔ诮?jīng)退火、切割、磨光、拋光來達(dá)到精確尺寸。這種方法用于在實驗室研究用的少量樣品。

狹縫拉制工藝能夠用來生產(chǎn)非常薄的薄板。它將均勻的玻璃熱熔液通過一個附有鉑金襯體來控制精確尺寸的狹縫來拉制，這種工藝用Coming 7059來制備內(nèi)部矩陣LCD的基板是足夠的。但不經(jīng)過附加工藝，尺寸控制不能滿足更為先進(jìn)的設(shè)備。

Coming的熔融工藝在管子的上部有一個將均勻玻璃送到槽內(nèi)的轉(zhuǎn)送裝置。玻璃在管子的兩邊流過并在底部匯合。這種工藝的優(yōu)點是：薄板的外表面不直接接觸設(shè)備的任何一個部分，并適用于多種玻璃組成。能較好的制備厚度為1mm的薄板，對于某些玻璃，可達(dá)到0.5mm，該工藝可以制備LCD基板尺寸質(zhì)量要求的薄板而不需后期加工。

日本電子玻璃有限公司(NEG)設(shè)計了玻璃的重拉工藝來生產(chǎn)厚度在0.05-0.1mm的高精度的平板玻璃。其流程包括：“母”玻璃板的預(yù)制，插入重拉爐中加熱溫度相當(dāng)于粘度為107-1011的溫度，然后，將板拉至所需厚度作為基板。

4.LCD基板的主要性質(zhì)要求

除基板的三個主要性質(zhì)，即尺寸的精確度、耐溫性和熱收縮性外。本節(jié)再添加另外的兩個要求：無明顯缺陷(包括內(nèi)部和表面).在顯示器生產(chǎn)中抗化學(xué)腐蝕性。本節(jié)將討論在五個因素和平板顯示器的裝配和性能的關(guān)系。

4.1尺寸精密度

高性能顯示器的裝配包括多種的精確工藝。因此.基板的尺寸、形狀和邊界精度公差的數(shù)量級為0.1μm。在AM LCD中，對由扭曲產(chǎn)生的形變、表面租造度或厚度誤差的要求的精度更高。這是因為狹縫空間(在兩個顯示基板之問的距離)在顯示器中的要求是十分嚴(yán)格的。如果玻璃的缺陷引起狹縫空間的局部變化，那么此地的電場將會同周圍像素的電場發(fā)生偏離。這種電場偏離將會使最終的顯示的灰度或色彩不一致。即使表面缺陷的大小在0.1 μ到幾個毫微米，也會對顯示效果產(chǎn)生十分大的影響.諸如扭曲的較大的平整度形變現(xiàn)在可以用塑料微珠或混有液晶材料的玻璃棒來補償狹縫空間以保證狹縫的寬度-狹縫寬度的形變只會發(fā)生在當(dāng)基板變形幅度小到狹縫的另外一個基板也不能糾正到與之相匹配和保持兩基板間的固定間距時發(fā)生。

板的平整度變形會在生產(chǎn)中產(chǎn)生另外的一個問題。由于照相平板印刷時不能在基板顯示器上聚焦，因此會在顯示電路中產(chǎn)生缺陷。如果印刷精度欠缺，扭曲的基板將會發(fā)生光掩蔽的危險。

平板玻璃基板產(chǎn)生有可能產(chǎn)生的平整度變形包括上至簡單形變和整個基板的波浪性扭曲下到玻璃的納米級的細(xì)微的分子粗造度整個范圍.上述論述只是粗略描述了平整度形變的幅度是如何影響顯示器的生產(chǎn)和性質(zhì)，對基板表面形變和顯示器性質(zhì)的關(guān)系的更詳盡的闡述是十分必要的。

4.2熱要求

耐溫性和熱收縮性，這兩種熱要求是有聯(lián)系的。玻璃基板的剛度，即抗粘滯流動性。只是在熱過程最高溫度高于退火點時出現(xiàn)。但是.在溫度接近玻璃的應(yīng)力點時。如果玻璃冷卻的過快，溫度的差異就會使玻璃產(chǎn)生機械應(yīng)力。基板的最高工作溫度在低于應(yīng)力點25℃以下將會在顯示器制備過程中避免產(chǎn)生不可接受的基板應(yīng)力。制備熱彎曲的高溫過程應(yīng)十分小心以避免熱開裂。

即使溫度稍遠(yuǎn)低于應(yīng)力點，基板也會由于體積松弛而發(fā)生尺寸改變。基板玻璃在制備中冷卻到室溫所達(dá)到的最終密度受玻璃在玻璃轉(zhuǎn)變區(qū)域的冷卻速度的影響。在顯示器制備中。如果快速冷卻的玻璃重新加熱而在隨后的熱過程中以可使玻璃結(jié)構(gòu)充分馳豫的方式冷卻，玻璃的密度將會增加。在顯示器制備過程中線性尺寸的改變將導(dǎo)致照相平板印刷間的不匹配.在顯示器制備中對基板收縮的允許程度依賴于顯示器.電路、顯示器尺寸等性質(zhì)。在AM LCD的情況下，這意味著收縮不能高于在顯示器最大尺寸方向上的最小元件(例如布線間的寬度)的一部分。也就是說，在幾百毫米上只有幾個微米的收縮，即幾個ppm。

實際應(yīng)用的顯示器基板玻璃的～些收縮數(shù)據(jù)已有報道。玻璃的體積馳豫現(xiàn)象在實驗和理論兩方面都有研究。在轉(zhuǎn)變區(qū)域以下較遠(yuǎn)的區(qū)域的熱收縮的理論研究還不夠完全.其中，在ppm級范圍內(nèi)測定收縮是比較困難的。

為獲得高的分辨率、大的顯示尺寸的LCD顯示器，對基板的熱收縮的良好控制是必需的。假定收縮是均勻的和線性的，可通過后續(xù)工藝的補償來達(dá)到100ppm的熱收縮。

4.3 化學(xué)穩(wěn)定性

由于玻璃經(jīng)歷許多步驟，顯示器的制備工藝，特別是AM LCD制備工藝的化學(xué)性質(zhì)是最容易改變的。a-SiAM LCD基板要加上七層或更多的薄膜，并且含有多次的刻蝕步驟。

顯示器基板的化學(xué)穩(wěn)定性要求如下：各種刻蝕溶液都不能使顯示器產(chǎn)生可見的殘留物或干擾隨后的薄膜沉積。在反應(yīng)物對玻璃的較高的刻蝕速度的情況下(中或高的敏感性)。刻蝕條件必需優(yōu)化處理以避免對基板產(chǎn)生不必要的破壞。

關(guān)于7059玻璃和1733玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性的定量數(shù)據(jù)己有報道。在這些研究中可見，和含堿的玻璃的情形相似，酸首先將玻璃中非硅成分剝掉，形成一個富硅層。當(dāng)高膨脹的薄膜應(yīng)用在基板上時這種脆弱多孔的表面層會剝蝕掉。所以基板表面的化學(xué)性質(zhì)的改變是顯著的。這同時證明氟化物和基礎(chǔ)反應(yīng)物對玻璃基扳的刻蝕都沒有使表面出現(xiàn)可見的粗糙，這是對硅網(wǎng)絡(luò)的侵蝕而不是對非硅組成的侵蝕。但是對于拋光的基板方面，由于玻璃表面的拋光損壞，均勻玻璃溶解也會使表面的粗糙度增加。因此，保持潔凈度和使用化學(xué)蝕刻工藝來使粗糙度降至最小。

4.4表面和內(nèi)部缺陷

LCD顯示器在表面和內(nèi)部缺陷方面必須有非常高的質(zhì)量。在表面布置電路的基扳必須避免擦傷或其他表面污染與小到幾個毫米的缺陷來避免顯示器線路的缺陷。Heumstic提出諸如表面平行度的基板形狀和基板的長度和寬度同等重要。在缺少實驗數(shù)據(jù)的情況下，顯微鏡下的基板缺陷僅僅是一種缺陷，當(dāng)成為一種潛在的致命缺陷時才成為公開的缺陷。和其他對顯示器基板的重要要求一樣。這還沒有成為數(shù)量化的、理論化的表面質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)。

內(nèi)部缺陷，包括氣體雜質(zhì)和顆粒雜質(zhì)，不影響顯示器的生產(chǎn)。因此.可見性是一個簡單的問題。只要雜質(zhì)小于像素的某一部分，是可以接受的。一個可以接受的缺陷的極限大小為一個獨立像素表面積的25%。因此像素為100的顯示器的雜質(zhì)尺寸極限為50pan。因此，到目前還缺少玻璃基扳的尺寸、化學(xué)性質(zhì)和缺陷級別的量化的理論。由于實際應(yīng)用在不斷的推進(jìn)現(xiàn)代玻璃生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。在LCD顯示器的商業(yè)化進(jìn)程中這方面的努力是十分必要的。