TFT-LCD制程對低頻橫紋色差的影響及研究

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顯示的關鍵技術，目前應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反應下產生各向異性，從而形成具有配向能力的聚合物膜，以實現對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，有效提高產品良率[1]。最常用的光配向技術是線性偏振紫外光(LPUV)裂解技術，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。另外，光配向的預傾角接近0°，應用于IPS顯示模式能獲得較高的對比度。因此，隨著應用品質的提升，光配向技術越來越多地應用于TFT-LCD中[2]。

TFT的半導體層可以使用非晶硅、微晶硅或者多晶硅，目前絕大部分產品是采用氫化非晶硅(Amorphous silicon, a-Si∶H)制成[3-4]。對于非晶硅(SiNx)+歐姆層(n+)結構的有源層來說，光配向制程中紫外光照射到非晶硅層時會導致該層中產生光生載流子，電子發(fā)生遷移，導致漏電流變大，從而影響薄膜晶體管的電學特性，進而導致串擾等問題的發(fā)生，影響液晶面板的顯示質量[5]，因此研究光配向對于非晶硅層電學特性的影響具有重要意義。本文以IPS型產品為研究平臺，研究了制程和電性調整對TFT-LCD漏電流的影響，對優(yōu)化光配向制程工藝具有一定的指導作用。

2 實 驗

2.1 橫紋色差現象

330 mm(13.0 in)IPS產品使用光配向制程，完成模組工藝后，在48 Hz下出現橫紋色差現象(圖1)，降低頻率至30 Hz時橫紋色差惡化(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測試橫紋色差比例均為0.00%，光配向模組成品頻率30 Hz測試橫紋色差比例為100.00%，頻率48 Hz測試橫紋色差比例為60.00%。光配向模組成品在低頻狀態(tài)下，橫紋色差會變嚴重，而摩擦配向模組成品低頻狀態(tài)下無此現象，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到配向效果，摩擦配向通過布毛接觸達到配向效果。紫外光會對TFT非晶硅層電學特性產生影響[5]，IPS產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，經過紫外光照射后，會裂解產生小分子，需進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TFT漏電流是否有影響，需要研究確認。

表1 不同配向方式橫紋色差比例

2.3 實驗條件

實驗樣品選用330 mm(13.0 in) IPS產品TFT作為平臺。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在一定的溫度和時間下進行Pre-bake和Post-bake，形成配向膜，實驗設置不同紫外光功率及累積光量、After-bake溫度及時間(表2)。光配向制程結束后，通過測量電學特性，確認不同紫外光功率及累積光量、After-bake溫度及時間對TFT電學特性的影響。

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

表2 實驗方案Tab.2 Experimental scheme

2.4 測試與表征

采用電性量測機臺(Probe station，是德科技有限公司，型號4156C)進行測試，電學特征表征參數有4項：

(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時的電子遷移速率。

3 結果與討論

3.1 TFT電學特性實驗

3.1.1 紫外光功率對TFT電學特性的影響

使用不同紫外光功率照射TFT基板前后4項電學特性變化見表3、圖4所示。TFT不進行紫外光照射，僅進行烘烤，Ioff漏電流變化幅度?。蛔贤夤夤β试酱?，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TFT電學特性的影響

使用不同紫外光累積光量照射TFT基板前后4項電學特性變化見表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，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TFT電學特性的影響

使用不同烘烤溫度TFT基板前后4項電學特性變化如表5、圖6所示。只進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，載流子濃度不穩(wěn)定，通過高溫烘烤可以填補一些缺陷和空位，從而使Ioff漏電流變小，不同烘烤溫度在固定時間內(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 紫外光后烘烤時間對TFT電學特性的影響

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

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

圖7 不同烘烤時間下的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 橫紋色差實驗

3.2.1 制程調整

3.2.1.1 光配向制程

通過以上TFT電學特性實驗，TFT非晶硅層經過紫外光照射后，會造成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+)結構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 時序和驅動電壓調整

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會導致該層中產生光生載流子，導致部分像素漏電流變大，此像素在充電時會充不飽和。人眼觀察LCD樣品時，LCD樣品上同時存在飽和像素和不飽和像素，畫面會出現色差，造成橫紋色差現象。若將Out Enable(Gate關閉至Source關閉時間差)延長，柵極電壓相比之前提前打開同時源極信號輸入維持不變，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：柵極驅動電路(GOA)中Q(Q：靜態(tài)工作點)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)，設置VSS_Q使與Vgl的壓差小于0 V，從而使漏電流更小。

經過光配向前后，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 實驗結果

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

將制程調整(增加TFT OC厚度、光配向制程條件)、時序和驅動電壓調整(延長Out Enable/降低Vgh/提高VSS_Q)應用到IPS產品上，使用光配向制程，完成模組工藝。為確認對策改善效果，選取330 mm(13.0 in) IPS產品進行分析，結果如表7所示。

表7 低頻橫紋色差比例對比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)化驅動改善橫紋色差。

4 結 論

本文以IPS產品為研究平臺，探討了低頻橫紋與光配向、摩擦配向的相關性，發(fā)現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，產生低頻橫紋色差現象從而影響圖像品質。并對低頻橫紋色差進行了影響性研究，結果表明：

(1)紫外光照射后進行烘烤，可以有效降低漏電流，高溫度(240 ℃)+長時間(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%)。