TFT-LCD四角發黑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TFT-LCD品質要求的不斷提高，為進一步降低產品的品質風險，我們在信賴性測試過程中非常重視檢測屏幕出現的Mura類不良[1-2]。Mura一詞源自日語，是液晶面板生產過程中出現的各種色斑類不良現象總稱，主要表現為有效顯示區域內亮度或者顏色顯示不均勻。關于Mura的產生原因，大致可以分為電學性和光學性兩種。其中，光學性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因素導致的顯示畫面灰度不均勻造成各種痕跡的現象；而電學性Mura是指在顯示區域中，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致的灰度不均勻。本文針對一種在TFT-LCD信賴性過程中出現的一種四角發黑Mura，進行了大量測試和分析推理，并提出了比較切實可行的解決方案，與之相同的研究尚未見報道。

2 不良現象

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

本文所述的四角發黑Mura發生在信賴性65/90的THO (Temperature Humidity Operation：溫度65 ℃,濕度90%)測試過程中，主要特征包括：(1)Mura初始發生位置固定在面板的4個角，隨著信賴性時間的進一步增加，不良現象逐漸加重，HTO 50 d后Mura可擴散到整個屏幕的周邊，如圖1所示； (2)0灰階不可見，1～255灰階均可見；(3) Mura區域整體像素偏暗，像素未見閃爍；(4)通常發生在信賴性500 h以后，隨增加時間而不斷惡化，長時間的老化如在60 ℃的老化爐放置3 d并不能使不良現象減輕。

對現象進一步進行電學確認。調節驅動頻率、Vgl、Vgh和Vcom電壓，不良現象均無變化。不加信號，旋轉偏光片，不良現象消失。 Mura區所測得的盒厚、扭曲角、預傾角等成盒工藝參數無明顯異常。拆開Mura較嚴重的樣品，并去除表面聚酰亞胺后觀察膜面，如圖2所示，TFT側可見對應的相同形狀的Mura，而彩膜側不可見，對現象的初步認定可見Mura與TFT側基板存在較大的關聯性。

圖2 TFT膜面不良現象示意圖

3 不良分析

由于Mura發生在面板的角落和四周，正是封框膠對應的位置，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受到水汽的侵蝕而產生光學或電學的差異。為了進一步確定TFT側基板的變化會引發光學問題還是電學問題，分別測試了Mura區和正常區的TFT透過率和TFT特性，結果如圖3所示。Mura處的全波段TFT透過率和TFT特性參數都沒有產生很大的差異性，據此，基本可以判斷不良并非TFT膜層光學或者TFT器件特性問題造成的。

由TFT-LCD的驅動原理可知[3]，電學問題還有可能是在信賴性過程中TFT電容的變化造成的。為此需要繼續測試TFT電容的變化以明確Mura產生的電學相關性。通常TFT都會設計有用于監控各層介電常數的電容測試元件組(TEG)，其結構類似于簡單的電容器，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，中間的介質包含柵極絕緣層(GI)、第一絕緣層(PVX1)、第二絕緣層(PVX2)、有機樹脂層(ORG)和非晶硅材質的有源層，如圖4所示，4組電容TEG的介質膜層分別為GI+Active+PVX2、PVX2、GI和PVX1+ORG+PVX2。將切割成小片的包含電容測試結構的TFT基板置于相同的信賴性評價65/90 HTO腔室，以模擬TFT膜層在環境中的變化(主要是水分的進入)，每間隔1 d分別測試4組TEG的電容值，并計算出6 d內的電容變化量，測試結果參見表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成正比，說明水汽已進入PVX2和ORG的膜層，造成了介電常數的增加(通常PVX2的介電常數為6.1，水為81，ORG為3.3)，進而引發電容的變化。且從趨勢上看，若時間持續增加，水汽不斷地進入膜層，電容變化勢必還會繼續攀升直至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結構示意圖

表1 電容TEG測試結果

從TEG D縱向路徑上分析，水汽若進入到有機樹脂層體內并持續不斷地被吸收，必須從上而下地貫穿了2ITO/PVX2/1ITO整個膜層。ITO的透水性和有機樹脂層的吸水性較易理解，因為磁控濺射生成的ITO薄膜表面會有20～50 nm大小的孔隙[4](圖5)，水分子很容易透過；有機樹脂以丙烯酸樹脂等有機物材質為主體，物理特性上看的確具有一定的吸水性[5]，但對于PVX2，一般文獻報導化學氣相沉積法(PECVD)制備的氮化硅結構致密，是具有一定阻水性的[6]。然而從TEG B和D的實際結果看，整層的PVX2都已經受到水汽的影響，發生了物理特性的改變。對此我們分析，雖同為氮化硅材質，不同PECVD成膜條件下的阻水性有很大的差異。首先，由于有機樹脂層的存在，PVX2成膜過程會受到有機樹脂放氣效應的影響，即有機樹脂受到PECVD成膜過程中溫度、等離子體的影響，H2O、CO2等小分子逸出，從而影響腔室內氣體沉積氣氛，生成Si—OH、Si—O等非正常成鍵，導致沉積的膜層致密性下降；另一方面，同樣是因為有機樹脂層的存在，PVX2的成膜溫度僅為230 ℃/240 ℃，低于無有機樹脂層產品280 ℃/290 ℃的沉積溫度。因為過高的PVX2沉積溫度不僅會造成有機樹脂層放氣進一步加劇，造成PECVD設備上部電極板、背板及下部電極等部件的設備污染，還會使得有機樹脂層和PVX2膜層間產生鼓包，導致PVX2膜層極易脫落，引發更大的信賴性風險。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]。這是因為隨著沉積溫度的升高，反應室內氣體的活化率提高，基板表面的離子能量增強，反應離子遷移能力增強，使得生成的膜層致密。綜上所述，我們認為PVX2阻水性的不足是與制程中存在的有機樹脂層密切相關，需要進行工藝上的優化。

圖5 ITO表面空隙

4 機 理

ADS(Advanced Super Dimension Switch)顯示模式下的存儲電容(Cst)由兩層ITO的交疊面構成，因此單基板65/90測試TEG B的電容變化可等效為TFT-LCD 的Cst在信賴性過程中發生的變化。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，充電電壓和對應灰階的變化，具體結果見表2。Cst增加后，充電電壓減小，其與初始狀態的差值即為充電電壓的變化量ΔCV，再根據V-T曲線換算得出灰階的變化量ΔGrey。當Cst增大10%時，即可達到肉眼可分辨的約2個灰階的差異。Cst不斷增加，相應的灰階差異也就越大，當Cst增大20%和30%時，相應的灰階差異分別有4個和6個。從實際觀察結果看，Mura區域至少比正常區低了10個灰階以上，據此推算在長期信賴性過程中，相應的Cst的電容變化量應該在50%以上。而針對有機樹脂層吸水后導致介電常數增大的問題，我們也模擬了其對ADS模式下Vcom信號波形的影響，但從結果上看，Vcom信號波形的變化很小不足以導致如此明顯的灰階差異。由于在實際測試中，也沒有探測到Mura區Vcom信號的明顯異常，因此，從設計模擬結果來看，不良發生的根本原因是水汽進入PVX2膜層導致的Cst的差異，而非水汽進入了有機樹脂層引起的。

表2 不同Cst下的模擬結果

通過以上分析，推導的不良發生機理見圖6，封框膠的材質同為有機樹脂材料，具有吸濕和透濕性，且很難避免。在長期信賴性過程中，環境中的水汽不斷穿透封框膠的阻隔在盒內聚集，逐步擴散進入到TFT側膜層；由于TFT側有機樹脂的存在，PVX2成膜的致密性不佳，水汽可進入PVX2膜層，導致其介電常數不斷增加和TFTCst的持續升高。充電電壓亦隨之改變，液晶偏轉狀態與正常區即有所差別，最終造成Mura區較低的顯示灰階，從宏觀上即可觀測到發黑。隨著信賴性時間的增加，水汽不斷向TFT膜層傳輸，Mura區由面板四角向中心不斷擴大，同時發黑的區域會顯得更黑，灰階差異更為明顯。由于水汽能同時從橫向和縱向兩個方向穿透封框膠進入盒內，因此面板的4個角受影響最大，不僅最先發生此不良，而且發黑的程度也是最高的。而越靠近顯示中心的區域越遠離水汽傳輸路徑，在信賴性過程中越不容易造成Mura。

圖6 四角發黑Mura機理分析示意圖

5 改善驗證

以加強PVX2膜層致密性或阻水性為出發點，我們對PVX2 PECVD沉積條件做了調整[7-8]，一方面增加沉積氣體SiH4/NH3的比例：當反應氣體中Si/N比大時，沉積出的氮化硅薄膜中Si的含量增加，沒有富余的N和Si結合，Si原子自身形成 Si—Si 鍵，即所制備的薄膜呈現富硅的特性，折射率偏高，膜層致密性增加；同時還降低沉積壓強[8]：腔體壓強降低，腔體內的反應氣體減少，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，反應氣體解離充分，且在離子體加速下沉積在基板上，Si-N鍵結合更緊密，生成薄膜的致密度增加。且低壓強下，等離子體解離反應物時減少了Si—H2/N—H2含量，從而生成薄膜的致密度增加。我們同樣測試了改善條件下TFT基板TEG B電容的變化量，并與前文的測試結果相比較，其結果見圖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%，且趨于穩定，改善效果明顯，說明此時的PVX2膜層已經能夠有效阻擋外界水汽的進入，不易再引起較大的Cst的變化和灰階差異。將改善的PVX2條件應用到產品中進行信賴性評價，四角發黑Mura在1 000 h的THO測試中未再出現，產品信賴性通過，不良得以徹底改善。

圖7 TEG B電容變化量曲線

6 結 論

通過分析和推理，確定了四角發黑Mura不良為Cst電學變化造成的，而非光學引起的Mura。其機理為長期信賴性過程中水汽透過封框膠后進入TFT膜層，由于PVX2膜層致密性或阻水性的不足，長時間的水汽進入會造成像素Cst不斷增加，進而引起充電電壓和顯示灰階的持續降低，使得不良不斷加重。通過PECVD成膜工藝的優化，PVX2膜層的成膜阻水性增強，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%，產品1 000 h信賴性通過，產品品質得以提升。