一种用于硅基空间光调制器的测试芯片制造技术

本发明专利技术提出来一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，属于微显示器领域。该测试芯片的主要结构包括硅基底层、液晶配位层、液晶层和ITO玻璃层，其中硅基底上的像素电极层可以在有效显示区域划分为若干种测试区域，在每种测试区域设计不同的像素图案和测试区，这些测试区可以通过开发板控制点亮显示用于测试，通过监控相应的参数如有边缘场效应、衍射效率、液晶等效电容和寄生电容、电压保持率、直流残余电压，以及它们引起的闪烁现象等，根据测试结果，为优化产品设计以及工艺设计做参考。

A Test Chip for Silicon-based Spatial Light Modulator

【技术实现步骤摘要】
一种用于硅基空间光调制器的测试芯片
本专利技术涉及一种微显示器领域，尤其是涉及一种新型硅基空间光调制器的测试芯片。
技术介绍
硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon，LCoS)具有体积小、分辨率高和与透射式液晶相比光利用率高等优点，目前LCoS芯片已被广泛应用于增强现实(Augmentedreality,AR)、虚拟现实(Virtualreality,VR)、车载抬头显示(HeadUpDisplay，HUD)、光通讯和微型投影(Pico-Projector)等新兴产品中。随着这些新兴产品逐渐走进我们的生活中，LCoS微显示芯片设计和制备工艺技术受到了越来越多工作人员的研究。硅基空间光调制器是互补金属氧化物半导体技术(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)和液晶显示技术(Liquid-crystaldisplaytechnology)相结合的显示器，主要的制备工艺是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板，形成CMOS基板，然后在基底上制作液晶显示屏；CMOS基板中，每个显示器的像素电路由若干个金属氧化物半导体场效应晶体管(metallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor,MOSFET)和若干个电容组成。在LCoS芯片设计时，很多设计和参数会影响后道工艺和光学衍射效果，如寄生电容电阻对电压保持率（VoltageHoldingRatio,VHR）的影响，边缘场效应对衍射效果的影响。液晶空间光调制器是通过改变入射光的相位来实现光调制的，根据闪烁光栅的原理，我们可以使用液晶空间光调制器加载不同的位相图来模拟出闪耀光栅对入射光的调制，具体操作就是对液晶施加大小的周期性电压使其形成周期性相位光栅。空间光调制器最大的优点在于能够实时的改变光栅的周期、闪耀角等参数，进而改变出射光的闪烁波长、闪耀级次，实现灵活可控的目的。由于液晶器件通过许多离散的像素来调节电压和相位，这就导致调节光的相位时不能使相位产生连续的变化，只能通过多个逐级变化的台阶来产生阶梯形的相位改变，不断趋近闪耀光栅的相位连续分布。将液晶光栅的每个周期分成m个逐级变化的台阶，产生多阶相位轮廓光栅，这样光波通过相邻的台阶将会产生2π/m的相位差，实现类似于二元阶梯光栅对入射光的相位调制。在LCoS芯片使用中，如果相邻像素对应的电压不同，那么在像素边缘会产生一个从高电位像素指向低电位像素的电场如图1所示，使得像素上的电压偏离设置的固定值，引入噪声和信号串扰，降低了衍射效率。另外，由于FFE的影响，使得像素上的像素分布变宽，尤其在相位从2pi到0的光栅切换的部分，原本应该陡峭的相位变化趋于连续缓和的变化，同样影响衍射效率。在不考虑边缘场效应的影响下，一个理想的闪耀光栅的第一衍射级的衍射效率为：其中，q是每个光栅周期内包含的台阶数。但是，由于相邻电极之间存在边缘场效应，LCoS形成的闪耀光栅相位轮廓不是理想的，液晶的指向矢取向在空间连续变化并且产生回程区域（flybackzone），如图2所示。LCoS中边缘效应存在的情况下，可以通过添加一个校正因子估计出一个表达式衍射效率近似公式为：是相位回程区域的宽度，是一个光栅周期的宽度。由于边缘场效应的存在，芯片的衍射效率会降低。电压保持率主要的测量方法为测量液晶器件两端的开路电压降与输入电压值的比值，电压保持率是液晶器件的一个重要参数，可以反应出液晶的好坏。电压保持率越小，表示液晶器件内存在的离子浓度越大；电压保持率大，表示液晶器件内离子浓度较小。而残影现象是在长时间显示固定画面，当切换画面时，会隐约看到上一画面的残影。电压保持率低主要是因为液晶材料内部存在过多的离子电荷，让原本电阻值很高并且接近绝缘态的液晶材料，无法将电压维持在外加电压输入的峰值，直到下一个输入电压来之前。如果像素的电压保持率较低，所能保持电荷的能力不足以维持到下一个驱动电压来时，则对比度会降低，甚至可能发生亮度不均匀及图像闪烁的现象，电压保持率的公式为:其初始电压值Vo是施加的电压而RC是像素的时间常数。电压保持率取决于液晶混合物中的化学结构和极性、配型层、液晶盒的制作和其他的因素（水含量、介质、玻璃等）。因此，若在有完全相同的生产及液晶盒的制作实验条件下，则液晶保持率比较有参考性。因此，电压保持率必须被看成是一个系统参数（液晶盒和液晶），而不能只是作为独立的液晶参数。在实际的液晶显示器中，电路中有给液晶充电和显示的过程，其中在液晶显示过程中，液晶盒两侧重现呈现开路放电的状态，因此可将液晶盒看成一种以液晶材料为介电质，并且具有微小漏电流的电容器，其等效模型为电容C和电阻R并联，RC并联电路可等效为漏电流的产生模式。一个非理想电容器的放电过程为：在测试电路中，为了避免离子介质在液晶盒内部两侧上堆积，进而造成离子屏蔽效应，一般会使用交流方波的形式，使液晶接收到的是方波信号，控制液晶盒内部液晶分子的转向，测得电压保持率的计算公式为：其中Vi表示施加于液晶盒两侧的初始电压大小，而Vt则表示在下次转换极性前，液晶盒瞬间所保有的电压值。直流残余电压是由液晶显示器在驱动液晶时会施加直流偏置信号，此时直流信号会使液晶元件内部的离子介质受到电场的驱动，最后吸附在配向层上导致的。当外部不在给电压信号时，其吸附离子所形成的内部电场将会造成离子在液晶元件内发生再次移动，而产生直流残余电压。直流残余电压的测量方法有三种，分别是电容对电压滞留的测量法，光穿透度闪烁消除法和介电吸收法等。而使用较多的为介电吸收法，使用介电吸收法测量直流残余电压特性时，首先，需要先提供一长时间的稳定直流电压施加于液晶盒上，用以模拟液晶显示器工作时的直流偏压信号，接着关掉电压瞬间使液晶盒两侧短路，目的在让液晶盒两电极等电位，最后开路使液晶盒内部的离子处于平衡电场中，此时将会释放出一长时间的直流残余电压。上述技术背景大多是现在液晶盒参数测试的原理，目前可以直接使用测试仪器来快速方便的测试液晶盒或液晶芯片的各项参数。上述参数也会直接或间接的影响显示器的闪烁或残影现象。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于硅基空间光调制器的新型测试芯片，该测试芯片可以在有效显示区域划分为若干种测试区域，在每种测试区域设计不同的测试图案，在线监控设计和工艺参数，及时有效的为改进LCoS设计提供参考数据。本专利技术采用的技术方案：一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，其特征在于，包括依次层叠的硅基底层、第一液晶配位层、液晶层、第二液晶配位层和ITO玻璃层，其中，将硅基底层上的像素电极层在有效显示区域划分为若干种测试区域，每种测试区域包括至少一个测试单元，每种测试区域具有不同的测试图案或测试电路。进一步地，其中一种测试区域中的各测试单元具有若干种不同线宽和/或排列的像素图案。进一步地，所述像素图案形成光栅。进一步地，通过所述像素图案测试或计算出以下至少一个参数或参数关系：液晶光栅的边缘场效应、衍射效率、相位阶跃反转区、噪声、衍射效率和光栅尺寸与间距的关系。进一步地，其中一种测试区域中的测试单元为设定面积的像素金属层。进一步地，通过所述测试单元测试出以下至少一个参数：液晶等效电容、寄生电容、电压保持率、直流残余电压、噪声。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，其特征在于，包括依次层叠的硅基底层、第一液晶配位层、液晶层、第二液晶配位层和ITO玻璃层，其中，将硅基底层上的像素电极层在有效显示区域划分为若干种测试区域，每种测试区域包括至少一个测试单元，每种测试区域具有不同的测试图案或测试电路。

【技术特征摘要】
1.一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，其特征在于，包括依次层叠的硅基底层、第一液晶配位层、液晶层、第二液晶配位层和ITO玻璃层，其中，将硅基底层上的像素电极层在有效显示区域划分为若干种测试区域，每种测试区域包括至少一个测试单元，每种测试区域具有不同的测试图案或测试电路。2.根据权利要求1所述的一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，其特征在于，其中一种测试区域中的各测试单元具有若干种不同线宽和/或排列的像素图案。3.根据权利要求2所述的一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，其特征在于，所述像素图案形成光栅。4.根据权利要求2所述的一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，其特征在于，通过所述像素图案测试或计算出以下至少一个参数或参数关系：液晶光栅的边缘场效应、衍射效率、相位阶跃反转区、衍射效率和光栅尺寸与间距的关系。5.根据权利要求1所述的一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，其特征在于，其中一种测试区域中的测试单元含有设定面积的像素金属层。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈弈星，何军，
申请(专利权)人：南京芯视元电子有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32