顧小祥，楊 麗，曾 龍

(昆山龍騰光電有限公司，江蘇 昆山 215301)

1 引 言

液晶配向是TFT-LCD顯示的關(guān)鍵技術(shù)，目前應(yīng)用較多的有兩種方式：摩擦配向(Rubbing)和光配向(Photo-Alignment)。與摩擦配向相比，光配向不需要和配向膜接觸，利用紫外光敏聚合物在光化學(xué)反應(yīng)下產(chǎn)生各向異性，從而形成具有配向能力的聚合物膜，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶分子取向的控制，能夠解決摩擦造成的粉塵和顆粒污染、靜電殘留、刷痕等問題，有效提高產(chǎn)品良率[1]。最常用的光配向技術(shù)是線性偏振紫外光(LPUV)裂解技術(shù)，與紫外光偏振方向相同的分子鏈在UV照射下發(fā)生光裂解反應(yīng)。另外，光配向的預(yù)傾角接近0°，應(yīng)用于IPS顯示模式能獲得較高的對(duì)比度。因此，隨著應(yīng)用品質(zhì)的提升，光配向技術(shù)越來越多地應(yīng)用于TFT-LCD中[2]。

TFT的半導(dǎo)體層可以使用非晶硅、微晶硅或者多晶硅，目前絕大部分產(chǎn)品是采用氫化非晶硅(Amorphous silicon, a-Si∶H)制成[3-4]。對(duì)于非晶硅(SiNx)+歐姆層(n+)結(jié)構(gòu)的有源層來說，光配向制程中紫外光照射到非晶硅層時(shí)會(huì)導(dǎo)致該層中產(chǎn)生光生載流子，電子發(fā)生遷移，導(dǎo)致漏電流變大，從而影響薄膜晶體管的電學(xué)特性，進(jìn)而導(dǎo)致串?dāng)_等問題的發(fā)生，影響液晶面板的顯示質(zhì)量[5]，因此研究光配向?qū)τ诜蔷Ч鑼与妼W(xué)特性的影響具有重要意義。本文以IPS型產(chǎn)品為研究平臺(tái)，研究了制程和電性調(diào)整對(duì)TFT-LCD漏電流的影響，對(duì)優(yōu)化光配向制程工藝具有一定的指導(dǎo)作用。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 橫紋色差現(xiàn)象

330 mm(13.0 in)IPS產(chǎn)品使用光配向制程，完成模組工藝后，在48 Hz下出現(xiàn)橫紋色差現(xiàn)象(圖1)，降低頻率至30 Hz時(shí)橫紋色差惡化(圖2)。

圖1 橫紋色差Fig.1 Striped Mura

圖2 低頻橫紋色差Fig.2 Low frequency striped Mura

2.2 橫紋色差初步分析

如表1所示，摩擦配向模組成品頻率30/48 Hz測(cè)試橫紋色差比例均為0.00%，光配向模組成品頻率30 Hz測(cè)試橫紋色差比例為100.00%，頻率48 Hz測(cè)試橫紋色差比例為60.00%。光配向模組成品在低頻狀態(tài)下，橫紋色差會(huì)變嚴(yán)重，而摩擦配向模組成品低頻狀態(tài)下無此現(xiàn)象，初步確定光配向制程是造成橫紋色差的原因。

光配向制程相比摩擦配向制程主要差異在于配向方式不同：光配向通過紫外光光照射達(dá)到配向效果，摩擦配向通過布毛接觸達(dá)到配向效果。紫外光會(huì)對(duì)TFT非晶硅層電學(xué)特性產(chǎn)生影響[5]，IPS產(chǎn)品中非晶硅層主要集中在AA(Active Area)區(qū)和GOA區(qū)。此光配向制程選用光裂解方式，經(jīng)過紫外光照射后，會(huì)裂解產(chǎn)生小分子，需進(jìn)行高溫烘烤制程去除，摩擦配向無烘烤制程，光配向后烘烤對(duì)TFT漏電流是否有影響，需要研究確認(rèn)。

表1 不同配向方式橫紋色差比例

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)樣品選用330 mm(13.0 in) IPS產(chǎn)品TFT作為平臺(tái)。圖3為TFT基板的光配向配向膜制作流程[6]。將PI液涂布在TFT基板上，PI在一定的溫度和時(shí)間下進(jìn)行Pre-bake和Post-bake，形成配向膜，實(shí)驗(yàn)設(shè)置不同紫外光功率及累積光量、After-bake溫度及時(shí)間(表2)。光配向制程結(jié)束后，通過測(cè)量電學(xué)特性，確認(rèn)不同紫外光功率及累積光量、After-bake溫度及時(shí)間對(duì)TFT電學(xué)特性的影響。

圖3 配向膜制作流程Fig.3 Manufacturing flow of alignment film

表2 實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Experimental scheme

2.4 測(cè)試與表征

采用電性量測(cè)機(jī)臺(tái)(Probe station，是德科技有限公司，型號(hào)4156C)進(jìn)行測(cè)試，電學(xué)特征表征參數(shù)有4項(xiàng)：

(1)漏電流(Ioff)：選定為柵極電壓Vgl的漏極電流；

(2)開啟電壓(Vth)：TFT打開所需柵極最小電壓；

(3)工作電流(Ion)：TFT開態(tài)電流，選定為柵極電壓Vth的漏極電流；

(4)遷移率(μ)：載流子在柵極電壓為Vth時(shí)的電子遷移速率。

3 結(jié)果與討論

3.1 TFT電學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

3.1.1 紫外光功率對(duì)TFT電學(xué)特性的影響

使用不同紫外光功率照射TFT基板前后4項(xiàng)電學(xué)特性變化見表3、圖4所示。TFT不進(jìn)行紫外光照射，僅進(jìn)行烘烤，Ioff漏電流變化幅度小；紫外光功率越大，Ioff漏電流變化幅度越大；Vth/Ion/μ無明顯變化。

表3 不同紫外光(UV)功率下的TFT電性變化趨勢(shì)Tab.3 TFT electrical properties trend under different UV power

續(xù) 表

圖4 不同紫外光(UV)功率下的TFT電性變化量。(a) Ioff; (b) Vth; (c) Ion;(d) μ。Fig.4 TFT electrical properties under different UV power. (a) Ioff. (b) Vth. (c) Ion.(d) μ.

3.1.2 紫外光累積光量對(duì)TFT電學(xué)特性的影響

使用不同紫外光累積光量照射TFT基板前后4項(xiàng)電學(xué)特性變化見表4、圖5所示。隨著紫外光累積光量變大，Ioff漏電流有明顯變大的趨勢(shì)，說明紫外光照射是造成Ioff漏電流變大的主要因子；Vth/Ion/μ無明顯變化。

表4 不同紫外光(UV)累積光量下的TFT電性變化趨勢(shì)Tab.4 TFT electrical properties trend under different UV dosage

圖5 不同紫外光(UV)累積光量下的TFT電性變化量。(a) Ioff; (b) Vth; (c) Ion;(d) μ。Fig.5 TFT electrical properties of different UV dosage. (a) Ioff. (b) Vth. (c) Ion.(d) μ.

3.1.3 紫外光后烘烤溫度對(duì)TFT電學(xué)特性的影響

使用不同烘烤溫度TFT基板前后4項(xiàng)電學(xué)特性變化如表5、圖6所示。只進(jìn)行紫外光照射且不烘烤，Ioff漏電流變化最大；紫外光照射后烘烤，因TFT溝道的界面層有缺陷，有些空穴沒有被填補(bǔ)，載流子濃度不穩(wěn)定，通過高溫烘烤可以填補(bǔ)一些缺陷和空位，從而使Ioff漏電流變小，不同烘烤溫度在固定時(shí)間內(nèi)(1 800s)差異不大；Vth/Ion/μ無明顯變化。

圖6 不同烘烤溫度下的TFT電性變化量。(a) Ioff; (b) Vth; (c) Ion;(d) μ。Fig.6 TFT electrical properties under different bake temperature. (a) Ioff. (b) Vth. (c) Ion.(d) μ.

Temp./℃RefInitialBy pass bake230InitialAfter PA235InitialAfter PA240InitialAfter PAIoff/pA20.966.016.231.015.127.310.226.0Vth/V2.6512.4882.5203.2422.5922.4792.7552.719Ion/μA2.491.682.461.812.622.832.592.47μ/(cm2·V-1·s-1)0.2590.1590.2510.1820.2700.2570.2720.246

3.1.4 紫外光后烘烤時(shí)間對(duì)TFT電學(xué)特性的影響

使用不同烘烤時(shí)間TFT基板前后4項(xiàng)電學(xué)特性變化如表6、圖7所示。長時(shí)間烘烤可以有效降低因紫外光照射而造成的Ioff漏電流變大的現(xiàn)象；對(duì)于降低Ioff漏電流，烘烤時(shí)間相比烘烤溫度效果更顯著；Vth/Ion/μ無明顯變化。

表6 不同烘烤時(shí)間下的TFT電性變化趨勢(shì)Tab.6 TFT electrical properties trend under different bake time

圖7 不同烘烤時(shí)間下的TFT電性變化量。(a) Ioff; (b) Vth; (c) Ion;(d) μ。Fig.7 TFT electrical properties under different bake time. (a) Ioff. (b) Vth. (c) Ion.(d) μ.

3.2 橫紋色差實(shí)驗(yàn)

3.2.1 制程調(diào)整

3.2.1.1 光配向制程

通過以上TFT電學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，TFT非晶硅層經(jīng)過紫外光照射后，會(huì)造成Ioff變大，可以通過光配向后熱烘烤處理，有效降低Ioff。

3.2.1.2 增加TFT OC厚度

若將TFT OC厚度增大，可以使非晶硅(SiNx)+歐姆層(n+)結(jié)構(gòu)的有源層接受的累積光量更低(圖8)，使漏電流變少。

圖8 紫外光照射TFTFig.8 UV light irradiation TFT

3.2.2 時(shí)序和驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整

3.2.2.1 延長Out Enable

受紫外光光照射影響，光線照射到非晶硅層時(shí)會(huì)導(dǎo)致該層中產(chǎn)生光生載流子，導(dǎo)致部分像素漏電流變大，此像素在充電時(shí)會(huì)充不飽和。人眼觀察LCD樣品時(shí)，LCD樣品上同時(shí)存在飽和像素和不飽和像素，畫面會(huì)出現(xiàn)色差，造成橫紋色差現(xiàn)象。若將Out Enable(Gate關(guān)閉至Source關(guān)閉時(shí)間差)延長，柵極電壓相比之前提前打開同時(shí)源極信號(hào)輸入維持不變，從而使像素充電更加飽和，最終可以有效降低橫紋色差。

3.2.2.2 降低Vgh

如圖9所示，在同一畫面中，存在充電飽和像素的電容C1和不飽和的像素電容C2(C1>C2)，降低Vgh可以使整面像素的電容充電更加均一((C1-C2)>(C3-C4))，畫面無明顯色差，人眼不易觀察到橫紋色差。

圖9 降低VghFig.9 Reducing Vgh

3.2.2.3 提高VSS_Q

VSS_Q：柵極驅(qū)動(dòng)電路(GOA)中Q(Q：靜態(tài)工作點(diǎn))的低電位。在0 V的情況下，I-V曲線仍有少部分漏電(如圖10)，設(shè)置VSS_Q使與Vgl的壓差小于0 V，從而使漏電流更小。

經(jīng)過光配向前后，I-V曲線變化如圖10所示：漏電流相比光配向之前變大，VSS_Q與Vgl的壓差為Va，漏電流為α，若提高VSS_Q后，VSS_Q與Vgl的壓差為Vb，漏電流為β(α>β)，因此提高VSS_Q，可以有效降低漏電流。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 光配向前后I-V 曲線Fig.10 I-V curve before and after photo-alignment

將制程調(diào)整(增加TFT OC厚度、光配向制程條件)、時(shí)序和驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整(延長Out Enable/降低Vgh/提高VSS_Q)應(yīng)用到IPS產(chǎn)品上，使用光配向制程，完成模組工藝。為確認(rèn)對(duì)策改善效果，選取330 mm(13.0 in) IPS產(chǎn)品進(jìn)行分析，結(jié)果如表7所示。

表7 低頻橫紋色差比例對(duì)比Tab.7 Low frequency Mura comparison

續(xù) 表

(1)增加TFT OC厚度(OC 2.5 μm)：可以有效降低橫紋色差(比例:68.00%)，但無法完全改善；

(2)更改光配向制程條件(240 ℃，4 200 s)：可以完全改善橫紋色差(比例:0.00%)；

(3)延長Out Enable(4.8 V)：可以大幅度降低橫紋色差(比例:7.33%)，但無法完全改善；

(4)延長Out Enable(4.8 V)/降低Vgh(18 V)/提高VSS_Q(-7.5 V)：可以完全改善橫紋色差(比例:0.00%)。

以上條件(2)可以在光配向制程中改善橫紋色差，條件(4)可以在組成Module成品中通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)改善橫紋色差。

4 結(jié) 論

本文以IPS產(chǎn)品為研究平臺(tái)，探討了低頻橫紋與光配向、摩擦配向的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)光配向制程中紫外光照射使TFT AA區(qū)和GOA區(qū)非晶硅層的漏電流變大，產(chǎn)生低頻橫紋色差現(xiàn)象從而影響圖像品質(zhì)。并對(duì)低頻橫紋色差進(jìn)行了影響性研究，結(jié)果表明：

(1)紫外光照射后進(jìn)行烘烤，可以有效降低漏電流，高溫度(240 ℃)+長時(shí)間(4 200 s)改善低頻橫紋色差效果佳(比例：0.00%)；

(2)延長Out Enable(4.8 μs)+降低Vgh(18V)+提高GOA電路中電壓VSS_Q(-7.5 V)，改善低頻橫紋色差效果佳(比例：0.00%)。