TFT-LCD HADS顯示模式下黑白Mura機理研究及設(shè)計優(yōu)化

鄭簫逸， 袁 帥， 崔曉鵬， 林鴻濤， 陳維濤， 薛海林， 邵喜斌

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

顯示器作為人機交流的界面，承載著大量的信息傳遞的功能。LCD在中小尺寸的市場已經(jīng)確立了不可動搖的地位，近幾年隨著平板電腦的發(fā)展，小巧、輕便、快捷等優(yōu)點使得它迅速占領(lǐng)市場，得到廣泛應(yīng)用。以觸摸屏作為基本的輸入設(shè)備，對畫面品質(zhì)提出了更高的要求，以高開口率高級超維場轉(zhuǎn)換技術(shù)(High aperture advanced super dimensional switching，HADS)為代表的TFT-LCD產(chǎn)品，具有高開口率、高分辨率、高透過率、寬視角可達178°的優(yōu)勢特點，已被廣泛地應(yīng)用在高端產(chǎn)品[1-3]。

實際生產(chǎn)過程中，Mura類不良對顯示品質(zhì)有很大影響。Mura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、液晶分子純度、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[4-6]。

TFT-LCD HADS顯示模式，1stITO作為像素電極(以下簡稱1ITO)，2ndITO作為公共電極(以下簡稱2ITO)，兩層ITO之間形成電場，液晶在電場力作用下發(fā)生相應(yīng)程度的偏轉(zhuǎn)，從而顯示為不同的灰階。若像素開口區(qū)電場是均一的，面板畫面顯示就是亮暗均一的；若開口區(qū)電場不均一、或者不同像素的開口區(qū)電場分布不一致，就會導(dǎo)致不同顯示區(qū)域的亮度不同，形成Mura[7-8]。

本文討論的黑白Mura即為一種由于1ITO小范圍區(qū)域內(nèi)對位偏移程度出現(xiàn)跳變導(dǎo)致的電學(xué)性Mura類不良。本文通過研究Mura宏觀現(xiàn)象不同表現(xiàn)，測量大量的掃描電鏡(SEM)微觀數(shù)據(jù)，從微觀到宏觀進行機理分析，確定此不良與產(chǎn)品工藝設(shè)計、生產(chǎn)工藝條件均相關(guān)[9]，最終通過建立模型，進行模擬驗證，并給出最優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)，同時導(dǎo)入優(yōu)化的工藝參數(shù)，對黑白Mura有明顯的改善效果，同時為今后產(chǎn)品開發(fā)提供了有效設(shè)計依據(jù)。

2 不良現(xiàn)象描述

本文所述黑白Mura宏觀現(xiàn)象表現(xiàn)為黑白不均，主要特征包括：(1)高灰階可見，L64以下幾乎不可見；(2)位置不固定，形狀不規(guī)則，條狀、斑塊狀均有；(3)正視不明顯，側(cè)視明顯，且表現(xiàn)為左右視角黑白反轉(zhuǎn)。

圖1 黑白Mura宏觀現(xiàn)象示意圖。 (a)左視角； (b)正視角； (c)右視角。Fig.1 Schematic of black and white Mura. (a) Left viewing angle; (b) Center viewing angle; (c) Right viewing angle.

對現(xiàn)象進行進一步直流確認(rèn)及電學(xué)確認(rèn)，直流條件下同樣可見；像素電壓與Vcom電壓正負反轉(zhuǎn)，未出現(xiàn)黑白反轉(zhuǎn)。僅點亮背光源不加電條件下，通過轉(zhuǎn)動偏振片，將畫面顯示為高灰階，現(xiàn)象不可見。

3 黑白Mura產(chǎn)生原因分析及機理解釋

3.1 不良分析

僅點亮背光源不加電條件下，通過轉(zhuǎn)動偏振片，將畫面顯示為高灰階，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象不可見。由此可大致判斷此不良屬電學(xué)Mura可能性較大。

電路方面對反轉(zhuǎn)方式、掃描方式、驅(qū)動能力、頻率變化等進行調(diào)整，均未發(fā)現(xiàn)明顯現(xiàn)象變化，因此將重點聚焦在陣列基板各層膜厚及CD(critical dimension)，針對1ITO、2ITO、數(shù)據(jù)線線寬及彼此之間相對位置關(guān)系進行掃描電鏡(SEM)測試。由于此不良左右視角黑白存在反轉(zhuǎn)，因此本文以下所說黑、白均代表印刷電路板(PCB)在上，右側(cè)視角觀察所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。經(jīng)過SEM制樣、掃描、數(shù)據(jù)量測、數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，黑/白區(qū)域存在較大差異，右視角發(fā)黑區(qū)域較發(fā)白區(qū)域1ITO存在明顯的偏移跳變。

測試示意圖如圖2所示，SEM測試選取連續(xù)的一段區(qū)域，貫穿OK區(qū)、黑區(qū)、白區(qū)、OK區(qū)，每個區(qū)域拍攝SEM圖，測試1ITO、2ITO、數(shù)據(jù)線線及寬相對位置關(guān)系，如圖3所示，測量數(shù)據(jù)見表1。

圖2 SEM制樣示意圖Fig.2 Schematic of SEM sampling

圖3 SEM測量位置Fig.3 Schematic of SEM measurement

表1 圖3中各數(shù)字所代表的距離Tab.1 Representative distance of the number in Fig.3

通過對OK區(qū)-黑區(qū)(B)-白區(qū)(W)-OK區(qū)4個區(qū)域的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，表1所示1～5組數(shù)據(jù)，黑區(qū)、白區(qū)對比可知，1ITO與2ITO相對位移關(guān)系存在較大差異(表1中1、5)，其余CD值均未見明顯差異。

(a)右側(cè)(a)Right

(b)左側(cè)(b)Left圖4 1ITO與2ITO 相對偏移數(shù)據(jù)圖Fig.4 Overlay of 1ITO and 2ITO

由圖4數(shù)據(jù)可知，黑區(qū)與白區(qū)相比較，1ITO?2ITO(右)偏大0.5 μm，1ITO?2ITO(左)偏小0.5 μm，1～5數(shù)據(jù)相加，總和為相鄰像素間1ITO間距，因此可判斷，1ITO本身CD無異常，而是小范圍區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了偏移跳變。為了更加直觀地理解此跳變，將黑、白區(qū)SEM圖拼接在一起觀察，如圖5所示。

其三，研究方法單一，多元研究方法的比例較低.研究應(yīng)融合定性、定量等多種方法，彌補單一方法的局限性.如結(jié)合前后測數(shù)據(jù)和訪談?wù){(diào)查研究學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平現(xiàn)狀.

圖5 黑區(qū)與白區(qū)對比圖Fig.5 Contrast diagram of black area and white area

從圖5可以看出，黑區(qū)與白區(qū)對比，數(shù)據(jù)線左右兩側(cè)標(biāo)齊，2ITO左、右邊界(實線標(biāo)記)同樣標(biāo)齊，1ITO(虛線標(biāo)記)左、右邊界均有所偏移，即1ITO與2ITO間相對位移有所偏差，白區(qū)較黑區(qū)右側(cè)偏小(對應(yīng)表1中數(shù)據(jù)1)，左側(cè)偏大(對應(yīng)表1中數(shù)據(jù)5)，偏移絕對值相當(dāng)。

3.2 機理解釋

通過前面的分析數(shù)據(jù)可知，黑區(qū)、白區(qū)的差異是由于相鄰兩個區(qū)域1ITO與2ITO之間相對偏移量不同導(dǎo)致，下面我們建立模型進行分析。

(a)正常區(qū)(a) OK area

(b)非正常區(qū)(b) Mura area

(c)側(cè)視角觀察(c) Side viewing angle圖6 機理分析圖Fig.6 Mechanism analysis diagram

如圖6所示，1ITO正常的樣品，開口區(qū)電場是均衡的，左右兩邊是完全對稱的，邊緣電場均一。若1ITO出現(xiàn)偏移(圖中示例為向右偏移)，則開口區(qū)左側(cè)電場減弱，右側(cè)電場加強，因此開口區(qū)整體亮度會減弱。右側(cè)視角觀察時，強電場被黑矩陣遮擋部分有效區(qū)域，弱電場區(qū)域被進一步放大，因此亮度更低，現(xiàn)象加重。左側(cè)視角觀察，情況相反，強電場被放大，弱電場被遮擋，因此會出現(xiàn)黑白反轉(zhuǎn)。如果不同像素的偏移程度不同，則即使從同一角度觀察，亮度也存在差異，可以看到黑白Mura。

4 模 擬

改善此不良有兩個方向，一是針對此相對偏移不均一進行改善，加強曝光設(shè)備管控，整體提升設(shè)備對位偏移(Overlay)管控能力，提升ITO OL均一度；二是提升設(shè)計能力，對1ITO、2ITO設(shè)計進行調(diào)整，提升產(chǎn)品對ITO OL不均一的容忍度，從而降低不良發(fā)生率。下面針對1ITO、2ITO設(shè)計進行模擬分析。

4.1 1ITO設(shè)計優(yōu)化

圖7所示為像素結(jié)構(gòu)截面圖，調(diào)整1ITO與數(shù)據(jù)線之間距離，在5.0，5.2，5.4 μm 3種不同距離條件下，模擬1ITO向右偏移0.5 μm，黑矩陣左右兩側(cè)開口區(qū)透過率差異，模擬區(qū)域如圖8所示，①、②分別代表黑矩陣左、右兩側(cè)區(qū)域。

圖7 像素結(jié)構(gòu)截面圖Fig.7 Sectional diagram of pixel

圖8 模擬區(qū)域示意圖Fig.8 Schematic of simulation

為比較偏移前后的對應(yīng)模擬區(qū)域電場強度的變化，用偏移前后對應(yīng)模擬區(qū)域透過率進行比較，以①區(qū)為例，1ITO與數(shù)據(jù)線距離為5.4 μm時，1ITO向右偏移 0.5 μm，①區(qū)電場變強，與偏移之前①區(qū)透過率相減，再求比值，即

透過率變化=[透過率(偏移后) -透過率(偏移前)]÷透過率(偏移前)

由于人眼對于相鄰區(qū)域亮度差異較亮度自身明暗更為敏感，為便于更直觀判斷1ITO向右偏移后①、②區(qū)電場強弱的變化，可用1ITO 向右偏移 0.5 μm之后，①區(qū)透過率減去②區(qū)透過率，差值與①區(qū)透過率求比值，表征1ITO與數(shù)據(jù)線3種距離條件下，哪個條件①、②區(qū)電場強弱差異最小，即為對ITO不均一容忍度較高的條件，即

透過率差異=[透過率(①區(qū)) -透過率(②區(qū))]÷透過率(①區(qū))

圖9所示為3種條件模擬結(jié)果。結(jié)果顯示：隨著1ITO與數(shù)據(jù)線之間距離減小，偏移后，左右電場強度差異越小，對ITO不均一容忍度越高。

圖9 對不均一容忍度隨1ITO?數(shù)據(jù)線間距關(guān)系圖Fig.9 Relational diagram of tolerance for nonuniformity and 1ITO ?Data

4.2 2ITO設(shè)計優(yōu)化

按照4.1 1ITO同樣的模擬原理，調(diào)整2ITOW/S(W：2ITO寬度；S：2ITO間距寬度)比例，比較1ITO向右偏移 0.5 μm時，①、②區(qū)透過率差異，表征電場強弱差異，結(jié)果顯示(圖10)：W+S即總尺寸不變的前提下，隨著W減小，S增大，左右電場強弱差異減小，對ITO不均一容忍度提高。

圖10 對不均一容忍度隨2ITO W/S關(guān)系圖Fig.10 Relational diagram of tolerance for nonuniformity and 2ITO W/S

5 結(jié) 論

本文通過一系列測試與模擬，得出以下結(jié)論：

(1)TFT-LCD HADS顯示模式下黑白Mura產(chǎn)生原因為黑區(qū)、白區(qū)1ITO 偏移量存在偏差，導(dǎo)致臨近的兩區(qū)域邊緣電場不一致，表現(xiàn)為黑白Mura。

(2)正視角左右強弱電場相互沖抵，現(xiàn)象不明顯，側(cè)視角觀察，強弱電場一方被遮擋，一方被放大，因此視角轉(zhuǎn)換，黑白反轉(zhuǎn)。

(3) 為了提升產(chǎn)品對1ITO、2ITO OL不均一的容忍度，增加1ITO CD，減小1ITO?數(shù)據(jù)線間距，在相同的1ITO 偏移量前提下，左右兩側(cè)邊緣電場差異明顯減小。

(4) 固定1ITO設(shè)計值，對2ITO建模驗證，2ITO 尺寸(W+S)不變的條件下，減小W，在相同的1ITO 偏移量前提下，左右兩側(cè)邊緣電場差異明顯減小，可提升產(chǎn)品對此不均一容忍度。

經(jīng)過大量的分析和測量，結(jié)合模擬給出的提升產(chǎn)品對不均一容忍度的改善方案，將1ITO與數(shù)據(jù)線間距由5.4 μm降為5.0 μm，2ITOW/S由2.9/4.6改為2.6/4.9，加上圖形的設(shè)計尺寸與真實尺寸的整體差異(total pitch,TP)非線性補正以求最佳對位數(shù)據(jù)，1ITO和2ITO同設(shè)備生產(chǎn)，4大條件并舉，最終黑白Mura不良比例由最高時的14.2%降為目前0.2%左右，A級率提升10%以上，提升客戶滿意度，為產(chǎn)品盈利做出貢獻。本文針對高PPI產(chǎn)品發(fā)生的Mura不良所提出的設(shè)計優(yōu)化方法、以及模擬分析方法，為以后的TFT-LCD的產(chǎn)品設(shè)計以及不良解析、性能改善，均具有重要的指導(dǎo)意義。