LCOS硅基板技术.doc

LCOS硅基板技术3.1 LCOS硅片特性由于LCOS芯片应用的特殊性，其硅晶片的制造也就相应有了一些特殊要求1）、平滑度理想的LCOS晶片平坦、光滑、有很高的反射率这样才能保证很好的液晶排列及液 晶层厚度一致性并且不扭曲反射光线所以用做反射板的顶层金属，必须相当平整，才能精 确的控制反射光路目前典型的处理顶层金属的工艺技术是化学机械抛光工艺，即CMP （Chemical Mechanical Polishing）o b图示意了 CMP前后硅片表面的对比情况：CMP前CMP后像素间隙2） 、晶片弯曲CMP工艺的引入，是LCOS技术成为可能的一个关键工艺但是其处理过程中，产生的热 应力会在CMOS晶片上积累，当切割硅片时，热应力释放将导致晶片弯曲这就需要芯片 设计人员采取适当的布局（Layout）设计，来消除热应力的影响3） 、基于像素驱动电路的特殊设计伴随IC加工工艺的发展，通用芯片的内部电压（Vdd）在不断减小，来降低功耗但是， 对于LCOS芯片来说，Vdd的减小会导致液晶的响应时间加大，这是我们不想得到的下面8Ec =0Eg = Es "c = Es-：CVJ j )R出Z 0 介绍一种低功耗电路，这种省电电路称为：Adiabatic Charging电路。

可以用一个简单电容 电阻电路估算不同的充电结构所用的功耗结构如图：低功耗电路此外，目前的LCOS像素尺寸一般为10到12uM,为了提高显示的分辨率，必须减小 像素尺寸，相应的像素间隙也要减小，最终的结果会使像素电路的边缘效应加大，这也是我 们要避免的LCOS硅片设计LCOS集成电路的设计技术与普通的集成电路设计与制造有所不同，特 点一是数字模拟混合电路设计c普通集成电路主要是纯数字电路或纯模拟电路因此，LCOS 集成电路对集成度要求不是很高，主要难点是完成数模电路的设计LCOS集成电路的特点 二是要求低电压的集成电路硅片驱动液晶，通过集成电路控制液晶的状态，必须按照LCOS 生产的特殊工艺来设计IC3. 2 LCOS芯片设计下图示意了在Cadence平台上设计LCOS芯片的流程:设计LC必电路结构□c编写LC

用于本项目的主要有：芯片仿 真工具C OMPOSER,SPECTRE;版图绘制校验工具VIRTUSO,DIVA.由于原有的C ADENCE97 系统没有这些软件的相应文件，故配置工作相当困难在大家的努力下，我们首先通过各种 关系完成了 SOLARIS系统的配置工作，由于东南大学射光所签订了流片协议，取得了软件 的配置文件包括：仿真模型，版图配置及校验文件（DRC,LVS）,经过一段时间的消化吸收后，目前整个芯片设计环境已相当完善在LCOS芯片的设计工作方面，首先在与南开大 学微电子系的合作基础上进行了模拟方案的培训，使大家对LCOS的基本原理有了一定的 认识然后经过详细的方案论证，确定了两个设计方案：片外DAC方案与片内DAC方案 理清了整个设计方案之后，LCOS芯片项目组分为两组，分别进行两个不同方案的设计工作 在大家的不懈努力下，终如完成了两种方案的逻辑设计仿真结果较为理想版图设计工作 己完成，3.3 LCOS系统组成1） 、脉冲时钟发生器2） 、行方向（gatebus）驱动电路（移位寄存器和buffer）：逐行开启3）、列方向（databus）胆动电路（移位寄存器，buffer,锁存器）： 通过横向的移位寄存器控制与视频（与显示格式相符的）相连接4） 、D/A转换器5） 、有源象素矩阵： 通过垂直的移位寄存器控制与列线相连3.4 LCOS芯片设计结构3.4.1单个像素与版图下图示意了单个像素与版图的对照情况SchematicCOLUMN WIRE ♦- COVERGLASS一 LC MATERIALSTORAGE NODEROW ENABLECOLUMNCOLUMNMETAL 1殂4— t%>//___ ROWrRQwljPOLYLAJ LL)iuu llJSILICON]COVERGLASS/////////// , LC MATERIALSTORAGE NODE ] METAL 3METAL 2V NWELL J SUBSTRATECross Section3. 4. 2 ACERDAC结构设计LCOS芯片设计结构有很多，如图3.1所示为一种采用ACERDAC结构设计的LCOS系统框图:ACERDAC 的英文全名为 Adiabatic Charging Energy Recovery Digital to Analog Conversion它是一种适用于像LCOS显示器这种高容性负载的典型驱动电路。

其具体工作 过程：首先在水平时钟控制下，水平同步信号在水平控制电路的作用下，将产生一系列的列 使能信号，这些列使能信号是逐一有效的实际上列使能信号可以被看作是一种采样时钟 在采样时钟作用下对输入的6位数字信号进行采样，采样后的信号在PCLOCK信号的作用 下写入比较器单元在比较器中，将采样得到的输入信号与片外的同步斜坡电压计数器的计 数值相比较，当片外的计数器的计数技术值大于片内采样的数字信号时，将产生一个有效信 号有效信号控制着一个MOS开关，使原本导通的开关断开当开关导通的时候，同步的 模拟电压就被加载在相应的列电路的电容上当MOS开关关闭的时候完成了对列线电容的 充电实际上有效信号就是使开关断开的然后当行选通信号有效的时候，象素单元上的开 关打开，就完成了从列电路到象素单元的充电当片外计数器小于输入的数字信号的时候, 模拟开关是一直导通的，也就是对列电路上电容充电的过程当片外的计数器计数值大于采 样的数字信号值的时候，就是完成模数转换的过程把对应的模拟电压存贮在相应的列电路 电容上不同的输入数字信号其经过比较器后会在不同的时刻产生有效信号那么开关关断 时对应的片外斜坡电压值就不一样。

从而实现了数字量到模拟量的转化在统一的行选通控 制下对象素进行充电HINITHorizontal Control Circuitry—>D d b : yHCLOCKCOLUMN ENABLEEDGE TOPULSECAPTURE CLOCKPIXEL[5:0)A CAPTUREV LATCHPIXEL[5:01^下一个驱 动单元 PRESERVE kPCLOCK [商 CHRAMP[5:0] \ COMPARE RAMP[5：0]^ d REGISTER CCLOCK I ,COLUMN CONNECT』 : RAMP VOLTAGEpixel —pixel —pixel t pixel这是一个很典型的ACERDAC结构可以大大的节省功耗计数器工作的方式是递增、 递减交互进行的在计数器递增的过程中，完成第一次比较进行充电充电的过程采用的是 斜坡电压充电，可以大大的节省充电功耗而在计数器计满并递减的时候开关再次导通也就 是列电容放电的时候也是利用斜坡电压来放电，也节省了放电功耗具体的关于ACERDAC 结构的原理可以参考有关文献这样结构的LCOS方案是目前颇为流行的设计方案，充分 考虑了液晶驱动的特点，极大程度的减少了芯片功耗，在比较器的设计中采用逐位比较的办 法，可以有效的节省版图面积这种结构很方便修改设计规模易于实现对显示系统的升级。

目前笔者设计的是1024X768规模的LCOS芯片，在象素单元上加有多晶硅的补偿电容 采用的是UMC的2P5M兼容高电压工艺3.4 LC0S驱动系统的设计需要考虑以下几个方面3.4.1器件的显示规模：如今对于信息显示的要求越来越高，由于信息量的巨大，做为信息显示的图像显示器, 必须能够包含尽可能多的信息量以及极为丰富的显示手段C对于显示器的要求就是要有足够 多的显示单元来完成信息的显示并旦显示的单元信息要尽量的丰富一般来说，目前的数 字电视都采用4： 3或16： 9的长宽比，这样更符合人视觉的特点，给人更清晰的视觉图象 显示规模的大小直接制约着驱动电路的设计在信息显示场频不变的情况下，更多的象素单 元意味着需要更快的寻址时间意味着相应的液晶象素单元有着更少的充放电的时间，以及 高速工作下的电磁干扰和功耗加大等诸多问题显示规模实际上就是象素单元的多少，决定 了显示时候的分辨率象素单元越多，一副图像上显示的信息就越多，画面更清晰、逼真3.4.2灰度等级：典型的LCOS彩色显示，是通过3片LCOS实现的利用一套光学系统把特种LCOS 全色光源分化为单色的基本光，红(R)、绿(G)、兰(B)三色。

每路单色光经过分光镜形成对 于相应的LCOS液晶屏的光源再通过数字信号处理器把不同的显示信号，加到对应的单 色信号R、G、B-LCOS单色液晶屏上，当基础单色光照到液晶屏上的时候，由于电信号的 不同，反射的单色光的强度就不同反射光线再经过偏极化分光锐到彩色复合系统中，经复 合产生丰富多彩的颜色，从而实现了彩色显示这就是三片式彩色显示方式，此外还可以采 用一片LCOS显示芯片，采用空分法来实现彩色显示，即只用一片LCOS显示芯片，经过 光路处理，分时产生红（R）、绿（G）、兰（B）三色图像信号，当三种色彩之间的转换频率一定 高时，人眼便在复合屏上看到复合的彩色图像，这就是FSC（Field Sequential Color）方法在显示器中灰度等级决定了显示颜色的渐变过程要得到更丰富的颜色、更逼真的色差 就要有更高的灰度等级在传统的CRT显示器中，灰度等级是利用阴极射线的强度来控制 的在第一部分的LCOS显示技术中，我们提到LCOS显示的输入信号都是数字的，而加 在液晶上的驱动电压是这些数字信号经过数模转换（DAC）后的模拟量，这样输入数字信 号的位数就决定了显示的灰度等级目前一般LCOS显示芯片设计时采用的都是8位的数 字输入图像信号，即有28=256级灰度。

3. 4.3 LCOS中的功耗：功耗对于LCOS的使用是一个大的问题以背投式LCOS为例，由于LCOS芯片普遍 很小，解决散热将是很重要的问题LCOS芯片规模比较大，密度高，严格控制系统功耗可 以增加系统的稳定性当光源照射到LCOS芯片的时候也将使芯片的温度迅速上升，在器 件的温度特性作用下，系统的功耗将会迅速上升，这将对系统稳定性造成一定的影响为了 使器件能够正常的工作，必须控制其功耗和温度特性LCOS芯片的功耗包括三个部分： 静态功耗Ps：对于CMOS电路来说，可以忽略这一部分动态功耗PD：主要指逐行写入图像信号时，每列、每行象素（电容）充放电所产生的交流 功耗场反转功耗Pf （以盖板电极反转为例）：指盖板电极做周期性电场反转时需要的功耗于是 LCOS芯片的总功耗PP=Ps+Pd+P「；其中 PD = Cmy/lV［）D2 PF-Cpane^DD实际上LCOS芯片的功耗主要集中在各列驱动电容的充放电上、象素单元的充放电上 以及进行模数转换时的功耗设计中要考虑这些功耗的特点，分布特性，在。