TFT-LCD四角發(fā)黑Mura的研究與改善

操彬彬， 劉幸一， 陳 鵬， 彭俊林， 楊增乾， 安 暉， 汪 弋， 栗芳芳， 陸相晚， 劉增利， 李恒濱

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥 230001)

1 引 言

隨著人們對(duì)TFT-LCD品質(zhì)要求的不斷提高，為進(jìn)一步降低產(chǎn)品的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，我們?cè)谛刨囆詼y(cè)試過程中非常重視檢測(cè)屏幕出現(xiàn)的Mura類不良[1-2]。Mura一詞源自日語，是液晶面板生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種色斑類不良現(xiàn)象總稱，主要表現(xiàn)為有效顯示區(qū)域內(nèi)亮度或者顏色顯示不均勻。關(guān)于Mura的產(chǎn)生原因，大致可以分為電學(xué)性和光學(xué)性兩種。其中，光學(xué)性Mura是指由液晶分子排布、液晶純度、液晶盒厚或彩色濾光片顏料純度、比例及樹脂材料和厚度等光學(xué)因素導(dǎo)致的顯示畫面灰度不均勻造成各種痕跡的現(xiàn)象；而電學(xué)性Mura是指在顯示區(qū)域中，局部位置亞像素的電壓與同期正常位置上亞像素的電壓存在明顯差異導(dǎo)致的灰度不均勻。本文針對(duì)一種在TFT-LCD信賴性過程中出現(xiàn)的一種四角發(fā)黑Mura，進(jìn)行了大量測(cè)試和分析推理，并提出了比較切實(shí)可行的解決方案，與之相同的研究尚未見報(bào)道。

2 不良現(xiàn)象

圖1 四角發(fā)黑Mura示意圖。(a)25 d HTO后； (b)50 d HTO后。

本文所述的四角發(fā)黑Mura發(fā)生在信賴性65/90的THO (Temperature Humidity Operation：溫度65 ℃,濕度90%)測(cè)試過程中，主要特征包括：(1)Mura初始發(fā)生位置固定在面板的4個(gè)角，隨著信賴性時(shí)間的進(jìn)一步增加，不良現(xiàn)象逐漸加重，HTO 50 d后Mura可擴(kuò)散到整個(gè)屏幕的周邊，如圖1所示； (2)0灰階不可見，1～255灰階均可見；(3) Mura區(qū)域整體像素偏暗，像素未見閃爍；(4)通常發(fā)生在信賴性500 h以后，隨增加時(shí)間而不斷惡化，長(zhǎng)時(shí)間的老化如在60 ℃的老化爐放置3 d并不能使不良現(xiàn)象減輕。

對(duì)現(xiàn)象進(jìn)一步進(jìn)行電學(xué)確認(rèn)。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率、Vgl、Vgh和Vcom電壓，不良現(xiàn)象均無變化。不加信號(hào)，旋轉(zhuǎn)偏光片，不良現(xiàn)象消失。 Mura區(qū)所測(cè)得的盒厚、扭曲角、預(yù)傾角等成盒工藝參數(shù)無明顯異常。拆開Mura較嚴(yán)重的樣品，并去除表面聚酰亞胺后觀察膜面，如圖2所示，TFT側(cè)可見對(duì)應(yīng)的相同形狀的Mura，而彩膜側(cè)不可見，對(duì)現(xiàn)象的初步認(rèn)定可見Mura與TFT側(cè)基板存在較大的關(guān)聯(lián)性。

圖2 TFT膜面不良現(xiàn)象示意圖

3 不良分析

由于Mura發(fā)生在面板的角落和四周，正是封框膠對(duì)應(yīng)的位置，由于封框膠的透濕性，這些地方在高溫高濕的信賴性過程中會(huì)受到水汽的侵蝕而產(chǎn)生光學(xué)或電學(xué)的差異。為了進(jìn)一步確定TFT側(cè)基板的變化會(huì)引發(fā)光學(xué)問題還是電學(xué)問題，分別測(cè)試了Mura區(qū)和正常區(qū)的TFT透過率和TFT特性，結(jié)果如圖3所示。Mura處的全波段TFT透過率和TFT特性參數(shù)都沒有產(chǎn)生很大的差異性，據(jù)此，基本可以判斷不良并非TFT膜層光學(xué)或者TFT器件特性問題造成的。

由TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)原理可知[3]，電學(xué)問題還有可能是在信賴性過程中TFT電容的變化造成的。為此需要繼續(xù)測(cè)試TFT電容的變化以明確Mura產(chǎn)生的電學(xué)相關(guān)性。通常TFT都會(huì)設(shè)計(jì)有用于監(jiān)控各層介電常數(shù)的電容測(cè)試元件組(TEG)，其結(jié)構(gòu)類似于簡(jiǎn)單的電容器，上下兩層電極為非晶硅TFT制造過程中使用的金屬，即柵極(Gate)、源漏極(SD)和兩層氧化銦錫(ITO)電極，中間的介質(zhì)包含柵極絕緣層(GI)、第一絕緣層(PVX1)、第二絕緣層(PVX2)、有機(jī)樹脂層(ORG)和非晶硅材質(zhì)的有源層，如圖4所示，4組電容TEG的介質(zhì)膜層分別為GI+Active+PVX2、PVX2、GI和PVX1+ORG+PVX2。將切割成小片的包含電容測(cè)試結(jié)構(gòu)的TFT基板置于相同的信賴性評(píng)價(jià)65/90 HTO腔室，以模擬TFT膜層在環(huán)境中的變化(主要是水分的進(jìn)入)，每間隔1 d分別測(cè)試4組TEG的電容值，并計(jì)算出6 d內(nèi)的電容變化量，測(cè)試結(jié)果參見表1。從中可以看出，TEG A和TEG C的電容基本無變化，但TEG B和TEG D的電容都在過程中不斷地增加，6 d后已分別上升了19.6%和330.8%。由于電容和介電常數(shù)成正比，說明水汽已進(jìn)入PVX2和ORG的膜層，造成了介電常數(shù)的增加(通常PVX2的介電常數(shù)為6.1，水為81，ORG為3.3)，進(jìn)而引發(fā)電容的變化。且從趨勢(shì)上看，若時(shí)間持續(xù)增加，水汽不斷地進(jìn)入膜層，電容變化勢(shì)必還會(huì)繼續(xù)攀升直至PVX2和ORG膜層完全失效。

(a)透過率曲線(a) Transmittance curves

(b)TFT I-V曲線(b) TFT I-V curves

圖4 不同電容TEG結(jié)構(gòu)示意圖

表1 電容TEG測(cè)試結(jié)果

從TEG D縱向路徑上分析，水汽若進(jìn)入到有機(jī)樹脂層體內(nèi)并持續(xù)不斷地被吸收，必須從上而下地貫穿了2ITO/PVX2/1ITO整個(gè)膜層。ITO的透水性和有機(jī)樹脂層的吸水性較易理解，因?yàn)榇趴貫R射生成的ITO薄膜表面會(huì)有20～50 nm大小的孔隙[4](圖5)，水分子很容易透過；有機(jī)樹脂以丙烯酸樹脂等有機(jī)物材質(zhì)為主體，物理特性上看的確具有一定的吸水性[5]，但對(duì)于PVX2，一般文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)制備的氮化硅結(jié)構(gòu)致密，是具有一定阻水性的[6]。然而從TEG B和D的實(shí)際結(jié)果看，整層的PVX2都已經(jīng)受到水汽的影響，發(fā)生了物理特性的改變。對(duì)此我們分析，雖同為氮化硅材質(zhì)，不同PECVD成膜條件下的阻水性有很大的差異。首先，由于有機(jī)樹脂層的存在，PVX2成膜過程會(huì)受到有機(jī)樹脂放氣效應(yīng)的影響，即有機(jī)樹脂受到PECVD成膜過程中溫度、等離子體的影響，H2O、CO2等小分子逸出，從而影響腔室內(nèi)氣體沉積氣氛，生成Si—OH、Si—O等非正常成鍵，導(dǎo)致沉積的膜層致密性下降；另一方面，同樣是因?yàn)橛袡C(jī)樹脂層的存在，PVX2的成膜溫度僅為230 ℃/240 ℃，低于無有機(jī)樹脂層產(chǎn)品280 ℃/290 ℃的沉積溫度。因?yàn)檫^高的PVX2沉積溫度不僅會(huì)造成有機(jī)樹脂層放氣進(jìn)一步加劇，造成PECVD設(shè)備上部電極板、背板及下部電極等部件的設(shè)備污染，還會(huì)使得有機(jī)樹脂層和PVX2膜層間產(chǎn)生鼓包，導(dǎo)致PVX2膜層極易脫落，引發(fā)更大的信賴性風(fēng)險(xiǎn)。但通常而言，成膜的溫度越高，PECVD沉積膜層的致密性也就越好[7]。這是因?yàn)殡S著沉積溫度的升高，反應(yīng)室內(nèi)氣體的活化率提高，基板表面的離子能量增強(qiáng)，反應(yīng)離子遷移能力增強(qiáng)，使得生成的膜層致密。綜上所述，我們認(rèn)為PVX2阻水性的不足是與制程中存在的有機(jī)樹脂層密切相關(guān)，需要進(jìn)行工藝上的優(yōu)化。

圖5 ITO表面空隙

4 機(jī) 理

ADS(Advanced Super Dimension Switch)顯示模式下的存儲(chǔ)電容(Cst)由兩層ITO的交疊面構(gòu)成，因此單基板65/90測(cè)試TEG B的電容變化可等效為TFT-LCD 的Cst在信賴性過程中發(fā)生的變化。以操作電壓Vop=3.0 V的255灰階畫面為例，我們分別模擬了Cst增大10%、20%和30%下，充電電壓和對(duì)應(yīng)灰階的變化，具體結(jié)果見表2。Cst增加后，充電電壓減小，其與初始狀態(tài)的差值即為充電電壓的變化量ΔCV，再根據(jù)V-T曲線換算得出灰階的變化量ΔGrey。當(dāng)Cst增大10%時(shí)，即可達(dá)到肉眼可分辨的約2個(gè)灰階的差異。Cst不斷增加，相應(yīng)的灰階差異也就越大，當(dāng)Cst增大20%和30%時(shí)，相應(yīng)的灰階差異分別有4個(gè)和6個(gè)。從實(shí)際觀察結(jié)果看，Mura區(qū)域至少比正常區(qū)低了10個(gè)灰階以上，據(jù)此推算在長(zhǎng)期信賴性過程中，相應(yīng)的Cst的電容變化量應(yīng)該在50%以上。而針對(duì)有機(jī)樹脂層吸水后導(dǎo)致介電常數(shù)增大的問題，我們也模擬了其對(duì)ADS模式下Vcom信號(hào)波形的影響，但從結(jié)果上看，Vcom信號(hào)波形的變化很小不足以導(dǎo)致如此明顯的灰階差異。由于在實(shí)際測(cè)試中，也沒有探測(cè)到Mura區(qū)Vcom信號(hào)的明顯異常，因此，從設(shè)計(jì)模擬結(jié)果來看，不良發(fā)生的根本原因是水汽進(jìn)入PVX2膜層導(dǎo)致的Cst的差異，而非水汽進(jìn)入了有機(jī)樹脂層引起的。

表2 不同Cst下的模擬結(jié)果

通過以上分析，推導(dǎo)的不良發(fā)生機(jī)理見圖6，封框膠的材質(zhì)同為有機(jī)樹脂材料，具有吸濕和透濕性，且很難避免。在長(zhǎng)期信賴性過程中，環(huán)境中的水汽不斷穿透封框膠的阻隔在盒內(nèi)聚集，逐步擴(kuò)散進(jìn)入到TFT側(cè)膜層；由于TFT側(cè)有機(jī)樹脂的存在，PVX2成膜的致密性不佳，水汽可進(jìn)入PVX2膜層，導(dǎo)致其介電常數(shù)不斷增加和TFTCst的持續(xù)升高。充電電壓亦隨之改變，液晶偏轉(zhuǎn)狀態(tài)與正常區(qū)即有所差別，最終造成Mura區(qū)較低的顯示灰階，從宏觀上即可觀測(cè)到發(fā)黑。隨著信賴性時(shí)間的增加，水汽不斷向TFT膜層傳輸，Mura區(qū)由面板四角向中心不斷擴(kuò)大，同時(shí)發(fā)黑的區(qū)域會(huì)顯得更黑，灰階差異更為明顯。由于水汽能同時(shí)從橫向和縱向兩個(gè)方向穿透封框膠進(jìn)入盒內(nèi)，因此面板的4個(gè)角受影響最大，不僅最先發(fā)生此不良，而且發(fā)黑的程度也是最高的。而越靠近顯示中心的區(qū)域越遠(yuǎn)離水汽傳輸路徑，在信賴性過程中越不容易造成Mura。

圖6 四角發(fā)黑Mura機(jī)理分析示意圖

5 改善驗(yàn)證

以加強(qiáng)PVX2膜層致密性或阻水性為出發(fā)點(diǎn)，我們對(duì)PVX2 PECVD沉積條件做了調(diào)整[7-8]，一方面增加沉積氣體SiH4/NH3的比例：當(dāng)反應(yīng)氣體中Si/N比大時(shí)，沉積出的氮化硅薄膜中Si的含量增加，沒有富余的N和Si結(jié)合，Si原子自身形成 Si—Si 鍵，即所制備的薄膜呈現(xiàn)富硅的特性，折射率偏高，膜層致密性增加；同時(shí)還降低沉積壓強(qiáng)[8]：腔體壓強(qiáng)降低，腔體內(nèi)的反應(yīng)氣體減少，沉積速率降低，降低了氣體分子之間的相互碰撞幾率，在高功率作用下，反應(yīng)氣體解離充分，且在離子體加速下沉積在基板上，Si-N鍵結(jié)合更緊密，生成薄膜的致密度增加。且低壓強(qiáng)下，等離子體解離反應(yīng)物時(shí)減少了Si—H2/N—H2含量，從而生成薄膜的致密度增加。我們同樣測(cè)試了改善條件下TFT基板TEG B電容的變化量，并與前文的測(cè)試結(jié)果相比較，其結(jié)果見圖7，模擬信賴性6 d后，TEG B的電容由改善前的19.6%降低到改善后的0.5%，且趨于穩(wěn)定，改善效果明顯，說明此時(shí)的PVX2膜層已經(jīng)能夠有效阻擋外界水汽的進(jìn)入，不易再引起較大的Cst的變化和灰階差異。將改善的PVX2條件應(yīng)用到產(chǎn)品中進(jìn)行信賴性評(píng)價(jià)，四角發(fā)黑Mura在1 000 h的THO測(cè)試中未再出現(xiàn)，產(chǎn)品信賴性通過，不良得以徹底改善。

圖7 TEG B電容變化量曲線

6 結(jié) 論

通過分析和推理，確定了四角發(fā)黑Mura不良為Cst電學(xué)變化造成的，而非光學(xué)引起的Mura。其機(jī)理為長(zhǎng)期信賴性過程中水汽透過封框膠后進(jìn)入TFT膜層，由于PVX2膜層致密性或阻水性的不足，長(zhǎng)時(shí)間的水汽進(jìn)入會(huì)造成像素Cst不斷增加，進(jìn)而引起充電電壓和顯示灰階的持續(xù)降低，使得不良不斷加重。通過PECVD成膜工藝的優(yōu)化，PVX2膜層的成膜阻水性增強(qiáng)，電容不易再受到水汽的影響，變化量由改善前的19.6%降低到0.5%，產(chǎn)品1 000 h信賴性通過，產(chǎn)品品質(zhì)得以提升。