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        氮化硅膜層對TFT白點(diǎn)色度均勻性的影響及其改善

        2020-01-15 07:13:16操彬彬葉成枝劉廣東呂艷明彭俊林楊增乾栗芳芳陸相晚黃正峰劉增利廖偉經(jīng)李恒濱
        液晶與顯示 2019年12期
        關(guān)鍵詞:差異

        操彬彬,葉成枝,安 暉,馬 力,劉廣東,呂艷明,彭俊林,楊增乾,栗芳芳,陸相晚,黃正峰,劉增利,廖偉經(jīng),李恒濱

        (合肥鑫晟光電科技有限公司,安徽 合肥 230001)

        1 引 言

        隨著人們對顯示屏畫質(zhì)的要求不斷提高,對顯示屏的色度均勻性的要求也越來越高,通常顯示屏的色度均勻性采用測量白點(diǎn)色度均勻性(White Color Uniformity,WCU)的方法來監(jiān)控,因此WCU成為TFT-LCD產(chǎn)品一項(xiàng)新的光學(xué)檢測項(xiàng)目。之所以選擇白點(diǎn),是因?yàn)榘c(diǎn)是RGB色空間的靶心,它的色坐標(biāo)會影響顯示屏絕大部分顏色的表現(xiàn),RGB三原色的三刺激值共同決定白點(diǎn)色度坐標(biāo)[1],故白點(diǎn)色度均勻性可以間接反應(yīng)其他色彩色度均勻性。目前WCU檢測設(shè)備主要利用CCD光電轉(zhuǎn)換器拍攝顯示屏白畫面,再經(jīng)視頻卡采集,把圖像的RGB三基色值存入計(jì)算機(jī),經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件處理,最終輸出白點(diǎn)色度偏差Δu′v′值,當(dāng)Δu′v′超出規(guī)格則會判為不良品[2-3]。

        目前針對TFT-LCD產(chǎn)品WCU改善研究中,除了背光色塊、偏光片、盒厚、配向膜、彩膜等常規(guī)研究對象外,理論上TFT光學(xué)水平也會對白點(diǎn)色度坐標(biāo)產(chǎn)生影響,但是現(xiàn)有文獻(xiàn)極少涉及。TFT光學(xué)透過率主要是受開口區(qū)的膜層結(jié)構(gòu)影響,如柵極絕緣層、鈍化絕緣層、透明導(dǎo)電膜(ITO)等等,本文重點(diǎn)研究了SiNx的絕緣膜層(包含GI,PVX1和PVX2)對WCU的影響,依據(jù)1931 CIE-XYZ表色系和1976 CIE均等色度表色系[4-7],將TFT基板開口區(qū)透過率數(shù)據(jù)擬合得到白點(diǎn)色度坐標(biāo),通過測量TFT 陣列基板內(nèi)大量均勻分布點(diǎn)位SiNx膜厚(SiNxTHK),建立其余u′、v′和Δu′v′的匹配關(guān)系,分析總結(jié)各層SiNx對TFT WCU的影響并制定相應(yīng)的改善措施以期優(yōu)化TFT WCU的整體水平。

        2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        本次實(shí)驗(yàn)樣品制備基于合肥鑫晟光電G8.5 TFT-LCD生產(chǎn)線進(jìn)行某款HADS有機(jī)膜筆記本(NB)產(chǎn)品,其TFT像素區(qū)膜層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為匹配各層SiNxTHK和TFT WCU的關(guān)系,二者需采用相同的坐標(biāo)點(diǎn)位分別進(jìn)行測試,測試點(diǎn)位圖見圖2,即單個(gè)面板分別測試12點(diǎn)的SiNx膜厚和TFT WCU,整個(gè)TFT基板80片面板共計(jì)960個(gè)測試點(diǎn),為進(jìn)一步提升WCU測試的準(zhǔn)確性,面板內(nèi)四周的點(diǎn)位均選擇在近乎于AA區(qū)的最邊緣。

        圖1 TFT像素區(qū)膜層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TFT film structure in pixel area

        圖2 測試點(diǎn)位分布圖Fig.2 Distribution map of test points

        2.1 TFT WCU的測量及其計(jì)算

        完成全部TFT工藝的基板使用Otsuka LCF-8000型MCPD設(shè)備測試像素區(qū)各點(diǎn)位的全波段透過率光譜,測試點(diǎn)位均聚焦于像素ITO條狀電極正上方。為排除對盒工藝、彩膜RGB、偏光片以及背光色塊波動等對白點(diǎn)色度的影響,將最理想狀態(tài)下背光色塊光通量、CF RGB光譜帶入模擬,根據(jù)公式(1)(2)計(jì)算出LCD 面板白點(diǎn)色度坐標(biāo)u′、v′值;單個(gè)TFT 面板內(nèi)測試若干個(gè)點(diǎn)位白點(diǎn)色度坐標(biāo),根據(jù)公式(3)計(jì)算任意兩點(diǎn)之間的白點(diǎn)坐標(biāo)色度偏差Δu′v′(i,j),以差異最大兩點(diǎn)的Δu′v′(i,j)表征TFT的WCU,即Δu′v′=Max{Δu′v′(i,j)}。

        u′=4X/(X+ 15Y+ 3Z),

        (1)

        v′=9Y/(X+ 15Y+ 3Z),

        (2)

        (3)

        2.2 SiNx各層膜厚的測量

        采用K-Mac膜厚測量設(shè)備分別測試柵極絕緣層(GI),第一絕緣層(PVX1)和第二絕緣層(PVX2)層的960點(diǎn)膜厚:GI膜厚在源漏(SD)層工藝完成后測試像素區(qū)的剩余厚度即可,測試結(jié)果為GI層剩余厚度(GI remain THK),而考慮后續(xù)膜層堆疊對膜厚測試的影響,PVX1和PVX2的膜厚測試樣品為白玻璃上PECVD沉積的單膜,測試結(jié)果分別簡稱為PVX1 THK和PVX2 THK。為保證測試的準(zhǔn)確性,膜厚測試的樣品成膜條件、所用的設(shè)備和腔室均與2.1章節(jié)所述的基板逐層保持一致。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

        3.1 SiNx膜厚對u′的影響

        圖3為u′與各層SiNxTHK的散點(diǎn)分布圖,從大體趨勢上看,u′與PVX1 THK無明顯的分布關(guān)聯(lián)性,與PVX2 THK和GI剩余厚度有一定的線性關(guān)系,而在圖3(a)中還看到,u′隨著GI剩余厚度的增加分布變的愈加發(fā)散,尤其是在>350 nm的區(qū)間。由此可見,GI,PVX1和PVX2雖然同為SiNx材質(zhì),但THK-u′的趨勢上看,三者還是存在很大的區(qū)別的。

        為確保TFT特性的需求,各層SiNx沉積的條件和需要的規(guī)格存在很大的差異[8],表1列舉了GI,PVX1和PVX2成膜參數(shù)和物理參數(shù)(ε介電常數(shù),n折射率,T透過率)的對比,其中GI由高速沉積的和低速沉積兩部分膜層組成(以下分別簡稱為GH和GL)。結(jié)合數(shù)據(jù)可看到PVX1的膜厚最薄、n值最大,但其趨勢性最不明顯,區(qū)間內(nèi)各THK下u′分布的上限和下限差異不大;而n值較小的GI和PVX2兩層對應(yīng)的SiNxTHK和u′可見一定的線性關(guān)系,其中PVX2 THK趨勢性最為明顯,而GI剩余厚度的趨勢性弱于PVX2 THK的主要原因推測是GH和GL存在一定的光學(xué)差異:在TFT SD層制作過程中,通常GI剩余厚度集中在320~370 nm區(qū)間,而沉積的GH厚度為350 nm,即當(dāng)GI剩余厚度大于350 nm時(shí),此時(shí)的GI剩余厚度很可能是GH和GL的復(fù)合膜。由于GH和GL的光學(xué)特性本身就存在差異,因此二者在不同厚度組合的下整體光學(xué)差異更為明顯和不可控[9-10],這也能解釋為何GI剩余厚度越大,u′分布越發(fā)散,并且在350 nm后愈發(fā)明顯。

        圖3 u′與各層SiNx THK的散點(diǎn)圖。(a)GI剩余厚度;(b)PVX1 THK;(c)PVX2 THK。Fig.3 Scatter diagram of u′ and SiNx THK of each layer.(a)GI remain THK;(b)PVX1 THK;(c)PVX2 THK.

        表1 不同SiNx成膜參數(shù)和物理參數(shù)的對比Tab.1 Comparison of each SiNx layer with deposition parameter and physical parameter

        3.2 SiNx膜厚對v′的影響

        圖4為v′與各層SiNxTHK的散點(diǎn)分布圖,從圖中的分布趨勢看,v′與各層SiNxTHK未見有較強(qiáng)的相關(guān)性,各個(gè)SiNxTHK下,v′分布的上下限都沒有太大的變化,因此我們認(rèn)為v′與SiNxTHK沒有太大的關(guān)聯(lián)性,針對膜層對TFT WCU影響可能更多的是集中在u′參數(shù)上。

        圖4 v′與各層SiNx THK的散點(diǎn)圖。(a)GI剩余THK;(b)PVX1 THK;(c)PVX2 THK。Fig.4 Scatter diagram of v′ and SiNx THK of each layer.(a)GI remain THK;(b)PVX1 THK;(c)PVX2 THK.

        3.3 面內(nèi)SiNx膜厚差異對Δu′v′的影響

        單個(gè)面板內(nèi)12個(gè)點(diǎn)位的THK[max]與THK[min]的差值為各層的ΔTHK,從中可以得到Δu′v′(即TFT WCU)與各層SiNxΔTHK的散點(diǎn)分布圖,如圖5可以看出,PVX2 ΔTHK與Δu′v′的線性趨勢最為明顯,其對TFT WCU的影響表現(xiàn)的最為直接,即面內(nèi)PVX2 ΔTHK越小,相應(yīng)的TFT WCU的結(jié)果越佳。從u′和v′與SiNxTHK的趨勢看,GI剩余厚度和PVX2 THK二者都是相似的,但從ΔTHK與Δu′v′的關(guān)系看,二者差異較大,推測還是由于GI剩余厚度大于350 nm時(shí)可能存在GL層造成的,即考慮到基板內(nèi)均一性的工藝波動,對應(yīng)350 nm左右的GI剩余厚度下,既有可能是GH的單膜,也有可能是各組厚度組合的GH和GL復(fù)合膜,光學(xué)特性差異大,最終造成Δu′v′的離散和不可控,而PVX2一直是單層膜結(jié)構(gòu),特定厚度下光學(xué)特性穩(wěn)定,整體上看呈現(xiàn)出較好的ΔTHK- Δu′v′線性關(guān)系。PVX1同樣為單層膜結(jié)構(gòu),但其整體厚度只有100 nm,且最大ΔTHK不到6 nm,面內(nèi)厚度均一性明顯優(yōu)于GI和PVX2,因此PVX1THK層對WCU的影響相對最不明顯,u′、v′和Δu′v′均無明顯的趨勢性。

        圖5 Δu′v′與各層SiNx ΔTHK的散點(diǎn)圖。(a)GI剩余ΔTHK;(b)PVX1 ΔTHK (c)PVX2 ΔTHK。Fig.5 Scatter diagram of Δu′v′ and SiNx ΔTHK of each layer.(a)GI remain ΔTHK;(b)PVX1 ΔTHK;(c)PVX2 ΔTHK.

        3.4 TFT WCU的改善

        綜合前文所述,PVX1 THK與u′,v′和Δu′v′關(guān)系均不明顯;對于GI剩余厚度,若其過厚,由于GH和GL膜層間的差異會導(dǎo)致u′和Δu′v′的離散。PVX2 THK與u′的線性關(guān)系明顯,且面板內(nèi)PVX2 ΔTHK越小,相應(yīng)的Δu′v′的數(shù)值就越低。因此,對于GI層改善的方案為增加干法刻蝕的刻蝕量,降低整體GI剩余厚度,以避免像素區(qū)GL層的存在,即增加有源層刻蝕和N+層刻蝕的干法刻蝕時(shí)間使得GI層多被刻蝕約25 nm,最終的GI剩余厚度的最大值小于350 nm,中心值在325 nm的水平;對于PVX2層,需要盡量減少面板內(nèi)厚度的差異,相應(yīng)的改善方案膜厚降低,即在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下(如充電率,Cst等),根據(jù)PVX2成膜速率折算并降低PECVD的沉積時(shí)間,使得厚度中心值由200 nm降低至150 nm。

        圖6為改善前后基板內(nèi)80片面板的TFT WCU分布圖,為取得更佳的效果,我們的改善措施綜合了前述的兩項(xiàng)改善方案,從中可以看出,通過同時(shí)降低GI剩余厚度和PVX2 THK的中心值分別至325 nm和150 nm,TFT WCU整體均值可降低約0.000 7,基板內(nèi)各面板的分布更加均勻,最大值由改善前的0.007 0降至改善后的0.005 2,從而滿足了最大值≤0.005 5的管控規(guī)格,改善效果明顯。

        圖6 改善前后TFT WCU數(shù)值對比Fig.6 TFT WCU value comparison of before and after improvement

        4 結(jié) 論

        通過分別測試相同點(diǎn)位下SiNxTHK與TFT WCU的數(shù)值,分析了u′,v′和Δu′v′分別與GI剩余厚度,PVX1 THK和PVX2 THK的匹配關(guān)系,明確了TFT WCU與各層SiNxTHK的關(guān)聯(lián)性為PVX2 THK>GI乘余厚度>PVX1 THK。對于TFT WCU的優(yōu)化方案,一方面可根據(jù)3.3章節(jié)中的PVX2 ΔTHK與Δu′v′線性關(guān)系,降低PVX2整體膜厚,Δu′v′也相應(yīng)降低;另一方面可根據(jù)3.1章節(jié)中的GI剩余厚度與u′散點(diǎn)圖,增加SD HT工藝的過刻量,避免GL層的殘留造成的GI膜層光學(xué)特性的波動。通過組合上述兩個(gè)改善方案,使得基板內(nèi)80 面板的最大值降到了≤0.005 5的規(guī)格范圍內(nèi),成功優(yōu)化了TFT WCU的整體水平,進(jìn)一步提升了產(chǎn)品品質(zhì)。

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