Array 5 mask和4 mask工藝對LC Margin的影響

南京中電熊貓平板顯示科技有限公司 葉 寧

成都中電熊貓顯示科技有限公司 童 超 王 尖

液晶量范圍(LC Margin)作為TFT-LCD液晶顯示開發中一個必不可少的驗證項目，是指液晶面板受到外界溫度或者大氣壓力變化后，無重力Mura和液晶氣泡的一個安全液晶量范圍。實驗中通常采用不同的液晶量制作樣品，并進行低溫和高溫保存實驗，得到一個無液晶氣泡和重力Mura的液晶量區間，即產品的LC Margin(液晶量范圍)，理想的液晶量范圍通常是在中心液晶量上下浮動±3%。

LC Margin驗證的主要目的是當制程工藝發生波動時，產品以固定液晶量滴下時，依然在理想的LC Margin范圍內，無氣泡和重力Mura不良，具有容錯特性。研究表明，對LC Margin影響較大的因素主要有：Array膜厚、CF膜厚、PS柱高、PS段差和PI膜厚，本文主要研究Array膜厚的影響。

4 mask工藝是指將有源層和源漏金屬層采用一道光罩進行制備，因此相比于5 mask工藝可以降低制作成本和縮短周期。然而，由于工藝的不同，面內器件結構有一定差異，尤其是SD走線位置的膜層堆疊結構有所不同，因此在相同工藝參數條件下，5 mask和4 mask成盒工藝中的LC Margin存在差異。關于該差異問題的研究，目前鮮有報道。為了揭示4 mask和5 mask兩種不同Array工藝對LC Margin的影響，本研究深入分析a-Si工藝下4 mask和5 mask Array基板微觀形貌變化，并對導致LC Margin差異的原因進行探討。

表1 液晶量滴下條件

圖1 重力Mura(A)和液晶氣泡(B)現象

圖2 LC Margin結果：A為5Mask產品、B為4Mask產品

1 實驗方法

1.1 實驗設計

采用同一批次的CF基板與Array基板對組，共20枚。其中，10枚CF基板與10枚4 mask Array基板對組（每枚基板上有8個Panel），另外10枚CF基板與10枚5 mask Array（每枚基板上有8個Panel）基板對組，形成Bare Cell。液晶滴下量范圍為97%～116%，間隔1%設置一個液晶量條件，每4個Panel 1個液晶量條件，即4 mask和5 mask的Bare Cell各有20個液晶量條件(如表1所示)。測試每個條件對應的Cell Gap值，采用相同線體，同一批次完成Cell制程，然后進行高低溫保存實驗，進行LC Margin測試。

1.2 LC Margin驗證

采用高溫爐(日本電計，SEWT-A-230S)進行LC Margin高溫上限驗證，設置溫度為60℃，保存時間4h。當液晶量超出上限時，宏觀表現為重力Mura（G-Mura），即在灰階或者全黑畫面下檢出樣品底部發白發黃現象(如圖1A所示)，這是由于液晶量相對于盒內空間偏大時，在高溫和重力的作用下，多余的液晶會向下流動積聚在樣品底部，PI對多余的液晶配向錨定力不足，液晶發生偏轉，從而產生透光發白的現象。本次驗證根據Cell Gap中心值，確定投入高溫保存樣品的液晶量為104%～116%。采用低溫爐(日本電計，SEWT-A-230LS)進行LC Margin低溫下限驗證，保存溫度-20℃，保存時間24h。當液晶量超出下限時，可檢出液晶氣泡，既在灰階或者全黑畫面下檢出此異常(如圖1B所示)。當液晶量相當于盒內空間時，出現線狀氣泡；根據Cell Gap中心值，確定投入97%～104%樣品。綜合高溫/低溫試驗結果，可確定LC Margin范圍。

1.3 驗證分析

圖3 5 mask(A)和4 Mask(B)SD圖形下的膜層堆疊圖

圖4 5 Mask(A)和4mask(B)SD信號走線Taper角和截面圖

圖5 5Mask(A)和4Mask(B)盒內空間示意圖

采用SEM(日立，SU8010)對比分析了4 mask和5 mask Array基板中TFT、PS對頂處Gate/Source走線的膜厚值，以及Taper角的差異。測試時每個樣品挑選3個位置，每個位置量測3個點位數據。測試包括Gate層、GI層、半導體層、SD層、PAS層膜厚值和Taper角度值。通過分析對比4 mask和5 mask各膜層的膜厚及Taper角差異，反映4 mask和5 mask成盒后的盒內空間變化。

2 結果與討論

2.1 LC Margin驗證

此次驗證采用同一批次生產的相同規格的CF，RGB膜厚無差異，4 mask和5 mask CF基板參數一致。

圖2所示A和B分別表示5 mask和4 mask LC Margin結果，橫坐標為液晶量，縱坐標為Cell Gap值，△表示Cell Gap最大值，○表示Cell Gap均值，□表示Cell Gap最小值。5 mask產品LC Margin結果如下：當液晶量為97%～99%時檢出液晶氣泡，故低溫邊界液晶量為100%(如圖3A所示)；當液晶量為108%～116%時，檢出重力Mura，故高溫邊界為107%(如圖3A所示)，因此LC Margin安全液晶量范圍為7%。中心Cell gap 3.2μm對應液晶量為104.5%。4 mask產品LC Marign結果如下：當液晶量為97%～99%時，檢出液晶氣泡，故低溫邊界為100%；當液晶量為107%～116%時，檢出重力Mura，故高溫邊界為106%，LC Margin安全范圍為6%，中心Cell Gap 3.2μm對應液晶量為104%。4 Mask相比于5 mask LC Margin的主要差異點為高溫邊界內縮1%，但低溫邊界相同。此外，相同液晶量條件下，4 mask產品相比于5 mask產品Cell Gap高約0.03μm。

根據LC Margin結果可知：5 mask的 Cell Gap是3.2μm，中心液晶量為104.5%，距離低溫邊界4.5%，距離高溫邊界2.5%；4 mask的Cell Gap是3.2μm，中心液晶量為104%，距離低溫邊界4%，距離高溫邊界2%；中心液晶量未在LC Margin正中間，靠近高溫邊界，有重力Mura風險，所以PSH高度值需要修正增高；5 mask的Cell Gap 3.2μm對應的中心液晶量是104.5%，如果要在7% Margin的正中間，則距離低溫邊界和高溫邊界各3.5%，修正后LC Margin相當于高溫和低溫邊界整體向右移動1%，換算成對應的Cell Gap高度值為0.03um，即PS高度(PSH)需修正增加的高度值；同理4 mask產品，PSH需修正增加的高度值為也為0.03um。讓中心液晶量處在LC Margin正中間，可以讓產品的LC Margin分布更加合理，液晶氣泡和重力Mura的風險降低。

2.2 4 mask與5 mask Array膜層結構分析

5 mask和4 mask工藝Array各膜層及作用如下，柵電極Gate層，起到TFT開關作用；絕緣層GI，保護柵電極；半導體（a-Si & n+a-Si），導通源/漏極；源/漏極SD層，傳輸電信號；絕緣層（PAS），保護源/漏電極。GI層和PAS層為整面覆蓋，部分位置有開孔，占比盒內空間大；而Gate、a-Si和SD以圖案的形式存在，占比盒內空間較小。如表2所示，4 mask與5 mask各膜層差值為△Gate+△GI+△ASI+△SD+△PAS=139.7?>0，該差異非常小，主要是由于工藝波動導致。但是SD走線下的膜厚段差有很大差異，達到了2624.75?，這則是由于5 mask和4 mask工藝不同導致的膜層堆疊方式的不同(如圖3所示)。具體如下：5 mask主要工藝為（TN模式）：1）Gate圖形制作；2）SiNx/a-Si/n+a-Si三層一次成膜、曝光顯影、刻蝕；3）SD層圖形制作，以及溝道處a-Si刻蝕；4）PAS層圖形制作；5）Pixel ITO圖形制作。共使用5張光罩，因此稱為5 mask。4 mask工藝與前者的主要區別是，采用Half tone/Gray tone工藝，將SiNx/a-Si/n+a-Si三層和SD層采用1道光罩制成，因此共使用4張光罩，即4 mask。分析可知，4 mask Array工藝相比于5 mask，將半導體層和SD金屬層合二為一，減少一次曝光和顯影。由于a-Si和SD曝光使用的是一張mask（TFT溝道處采用Half tone設計），SD走線下覆蓋著a-Si以及n+a-Si，會使4 mask基板占比盒內空間更大。

表2 4 mask和5 mask Array基板不同位置膜厚差值

各膜層Taper角度如表3所示，4 mask工藝下SD層Taper角相比于5 mask大約8.99°，這主要是因為SD層金屬會有兩次蝕刻，一次是a-Si和SD層溝道外蝕刻，一次是SD溝道內蝕刻。因此，4 mask SD金屬層兩次蝕刻后Taper角增大約9°(如圖4所示)。圖5A表示5 mask產品盒內結構，圖5B表示4 mask產品盒內結構，紅色標記內可以看出，4 mask產品SD走線處的Taper更大，因此盒內液晶的相對高度值增加，所以在相同液晶量條件下4 mask產品Cell Gap值相比于5 mask偏高0.03μm(如圖5所示)。

表3 不同位置膜層Taper角差值

綜上所述，4 mask產品LC Margin比5 mask產品高溫邊界內縮1%，原因有以下兩點：（1）4 mask產品SD信號走線下新增a-Si/n+a-Si膜層(段差可達0.26μm)，所以4 mask Array基板占比盒內空間更大，同等的液晶量下相對于盒內空間變小；（2）在相同液晶量條件下4 mask Cell Gap比5 mask偏大0.03μm，這是由于4 Mask產品SD膜層Taper角較大，液晶相對高度值更高，對應的Cell Gap值更大。因此，更容易出現重力Mura，使得高溫邊界內縮1%。

結論：研究發現，4 mask產品相比于5 mask產品，LC Margin高溫邊界內縮1%，低溫邊界相同。由于4 mask的工藝特點，SD膜層下新增a-Si&n+a-Si半導體層，使得4 Mask產品Array基板占比盒內空間大，相同液晶條件下更容易出現重力Mura。此外，4 mask產品SD膜層Taper角比5 mask產品大8.99°，會使盒內液晶的相對高度值增加，相同液晶量條件下Cell Gap值偏高0.03μm。因此，當Array膜厚或者工藝發生變化時應做LC Margin評價，并對CF PS高低值進行修正，讓產品處在一個安全的LC Margin范圍內，保證產品品質。