氮化硅膜層對側視角白畫面色偏的影響及發紅改善

葉成枝，操彬彬，呂艷明，馬 力，安 暉，彭俊林，馮耀耀，楊增乾，栗芳芳，陸相晚，李恒濱

（合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示技術（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT-LCD）是目前平板顯示市場主流的顯示技術之一［1］。TFTLCD 器件因其輕薄、輕質、功耗低等特點，廣泛地應用于各種中大尺寸的終端顯示設備［2］。隨著高端顯示技術的發展，消費者對液晶顯示屏的畫質要求越發嚴格，因此液晶顯示屏不同視角下顯示的色偏（Off-Angle Color shift，OAC shift）成為評價面板性能的重要指標，特別是采用了DCI-P3材料的高色域產品，隨觀察視角增大更容易出現發紅等色偏現象［3］。理論上影響TFT-LCD 產品的色度的關鍵因子有很多，如背光源（BLU）、偏光片（POL）、液晶（LC）、彩膜（CF）以及陣列（Array）基板等［4-6］。現有文獻對于前4 個方面的研究較多，比如背光源類型不同、光源色度不同直接影響色度曲線的起始位置，偏光片類型對色度影響較小，液晶類型不同、折射率不同但是只影響色度曲線的延伸長度，彩膜厚度不同主要影響色度曲線的延伸長度。以上因素都沒有涉及到對色度曲線形態的影響，因此，對陣列的研究成為突破口。

對于薄膜晶體管陣列而言，一方面其與側視角白畫面色偏的研究十分欠缺，可參考經驗較少；另一方面像素開口區內的透光膜層復雜，界面較多，光經過不同界面時會發生干涉作用，理論上會影響色度［7］。因此本文以像素開口區內的氮化硅絕緣層作為突破口，研究氮化硅膜層厚度對TFT-LCD 產品側視角白畫面色偏的影響，并建立薄膜晶體管陣列與OAC shift 的關聯模型，進而指導高色域面板色偏改善。

2 實驗方法

2 .1 側視角白畫面色偏測試

本次實驗樣品制備基于合肥鑫晟光電8.5 G TFT-LCD 生產線生產的色域為DCI-P3 99.5%的某尺寸HADS 有機膜產品，其TFT 膜層結構示意圖如圖1 所示。透光膜層包括氮化硅材質的柵極絕緣層（Gate Insulator，GI）和鈍化絕緣層（Passivat，PVX1，PVX2）、樹脂材質的有機絕緣層（Organic Resin）、氧化銦錫材質的公共電極層（1stITO）和像素電極層（2ndITO），其中氮化硅膜厚參考值分別為：GI（320 nm）、PVX1（100 nm）和PVX2（200 nm）。

圖1 TFT 結構示意圖Fig.1 TFT structure schematic

本文使用F-STAR 光學特性自動測量設備（型號PR 730），待測顯示屏搭配同一塊背光在白畫面（L255）下進行4 個方位不同視角下色度測試，如圖2 所示。測試的光斑位于顯示屏中心，測試視角區間為［-60°，60°］，設置5°為一個測試步階，測試結果為垂直和水平方向不同角度下白點色度坐標為(u＇i，v＇i)，i=-60°，-55°，…，50°，60°。

圖2 四方位的側視角色偏測試示意圖Fig.2 OAC shift test schematic of four directions

2 .2 側視角白畫面色偏的表征

目前行業內常用的色偏量化分析方法，是基于CIE-1976u＇v＇色坐標系統，分別計算出不同視角的坐標（u＇i，v＇i）與正視視角下坐標（u＇i，v＇i）的偏移，偏移量計算如公式（1）所示。但是這個偏移量無法直觀地表達人眼感知的顏色信息，判斷顯示屏偏向哪種顏色還需要通過人眼主觀判定。

為了能找到一種不需要人眼判定，并且可以直觀地表征顯示屏偏向哪種顏色的方法，利用公式（2）計算顯示屏不同視角下色度偏差坐標：

圖3 是基于偏移量和感官判斷建立的色偏坐標系，色度偏差坐標（Δu＇，Δv＇）在該坐標系的位置決定了顯示屏實際顯示顏色的表現［8］。紅色橢圓線代表OAC shift 的規格（人眼對綠色和紅色更敏感，對應規格更嚴格），橢圓大小由短半軸a、長半軸b和傾斜角θ三個參數定義，橢圓面積越小，規格越嚴格。不同的客戶或者不同產品限定的規格存在差異。規定角度范圍的色度偏差坐標都落在橢圓內表示滿足規格，反之有一個點以上落在橢圓外表示超出規格，色偏坐標離橢圓零點距離越遠代表色偏越嚴重。

圖3 色偏坐標系Fig.3 OAC shift coordinate system

3 實驗結果及分析

3 .1 SiNx膜厚對OAC shift 的影響

薄膜晶體管陣列膜層結構相對復雜，沉積了多層膜層（開口區主要包括SiNx、有機膜層（Resin）、ITO 等），因此會形成更多界面，光線透過開口區膜層，在不同界面都會發生光的干涉作用［9］。根據折射定律可以推導出光程差與膜厚的關系式，參考公式（3），其中參數d為膜層厚度，n1為膜層折射率，Ψ為入射角度。因此膜厚不同光程差不同，當光程差為某波長的整數倍時該波長處相干疊加，當光程差為某波長的半數倍時該波長處相干減少［10］。所以透光膜層膜厚變化導致薄膜晶體管陣列整體膜層干涉效應的變化，引起各波段透過率的變化，因此理論上SiNx厚度變化對色度會產生直接的影響。

為驗證上述理論分析，實驗使用某尺寸HADS 產品，選擇陣列膜層中不同作用的SiNx作為單一變量，開口區SiNx膜厚參考值分別為：GI（320 nm）、PVX1（100 nm）和PVX2（200 nm），改變GI/PVX1/PVX2 厚度（設計范圍考慮量產性），其他條件保持不變，不同條件的樣品制作完成無背光的顯示屏待測試，具體實驗設計如表1所示。

表1 SiNx膜厚對側視角白畫面色偏的影響Tab. 1 Effect of SiNx THK on OAC shift

不同條件的樣品搭配同一塊背光進行白畫面（L255）下不同視角下的OAC shift 測試（水平方位下-60°～60°），對比上述樣品色偏量變化曲線，以樣品1#為參考基準，如圖4 所示。由圖4 可以看出，所有樣品的Δu＇v＇值隨著側視角度增大而增大。

由圖4（a）可以看出，相比樣品1#，樣品3#的Δu＇v＇值整體都 有所下降，其中在60°視 角下從0.015 降到0.010；樣品2#和樣品3#整體水平相當，在60°視角下從0.010 微升到0.012；樣品4#的Δu＇v＇值整體明顯下降，其中在60°視角下從0.015 大幅降到0.003；樣品5#的Δu＇v＇值整體反彈回升，在60°視角下從0.003 回升到0.007。總體看，GI 厚度增加對Δu＇v＇值影響較大，GI 厚度減 薄 對Δu＇v＇值 影 響 較 小，但 都 是 非 線 性 變化的。

由圖4（b）可以看出，相比樣品1#，樣品6#的Δu＇v＇值 整 體 都 有 所 下 降，其 中 在60°視 角 下 從0.015 降到0.012；樣品7#的Δu＇v＇值整體明顯下降，在60°視 角 下 從0.012 大 幅 降 到0.005；樣 品8#的Δu＇v＇值 整 體 反 彈 回 升，在60°視 角 下 從0.005 回升到0.008。總體看，PVX1 厚度增加對Δu＇v＇值影響較大，且是非線性變化的。

由圖4（c）可以看出，相比樣品1#，樣品9#的Δu＇v＇值整體變化不大，其中在60°視角下Δu＇v＇值也無明顯差異；樣品10#～12#整體水平相當，Δu＇v＇值 相 對 樣 品1#稍 有 降 低，在60°視 角 下 從0.015 降到0.012。總體看，PVX2 厚度的變化對Δu＇v＇值影響較小。

圖4 （a）不同GI THK 色偏量變化曲線；（b）不同PVX1 THK 色偏量變化曲線；（c）不同PVX2 THK 色偏量變化曲線。Fig. 4 （a）Δu＇v＇ curve changed with GI THK；（b）Δu＇v＇curve changed with PVX1 THK；（c）Δu＇v＇ curve changed with PVX2 THK.

以上基于色偏量Δu＇v＇值分析無法直觀表征顯示屏偏向哪種顏色，下面利用“色偏坐標系”處理得到如圖5 所示結果。由圖5 可以看出，所有樣品的（Δu＇，Δv＇）隨著側視角度增大而遠離原點。

由圖5（a）可以看出，相比樣品1#，樣品3#在60°視 角 下（Δu＇，Δv＇）由（0.011，-0.010）降 到（0.009，0.003），側視角下色度由偏紅轉向偏黃；樣品2#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）由（0.009，0.003）變到（0.006，0.010），側視角下色度偏黃加重；樣品4# 在60°視 角 下（Δu＇，Δv＇）明 顯 下 降，由（0.011，-0.010）降到（0.002，-0.001），側視角下色度偏紅明顯減弱；樣品5#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）升 高，由（0.002，-0.001）回 到（0.005，-0.005），側視角下色度偏紅加重。總體上看，GI 厚度減薄對偏移量影響較小，主要是影響色偏方向，由偏紅轉為偏黃；GI 厚度增加對色偏方向無影響，對偏移量影響較大，但呈非線性變化，GI 360 nm 條件對側視角偏紅改善明顯。

圖5 （a）不 同GI THK 色 偏 坐 標 變 化 曲 線；（b）不 同PVX1 THK 色偏坐標變化曲線；（c）不同PVX2 THK 色偏坐標變化曲線。Fig. 5 （a）OAC shift curve changed with GI THK；（b）OAC shift curve changed with PVX1 THK；（c）OAC shift curve changed with PVX2 THK.

由圖5（b）可以看出，相比樣品1#，樣品6#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）下降到（0.007，-0.009），色度偏紅減弱；樣品7#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）下降到（0.003，-0.003），色度偏紅大幅度減弱；樣品8#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）回到（0.006，-0.005），色度偏紅反轉加重。總體來看，PVX1 厚度的增加對色偏方向無影響，對偏移量影響較大，但呈非線性變化，PVX1 140 nm 條件對側視角偏紅改善明顯。

由圖5（c）可以看出，相比樣品1#，樣品9#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）無變化；樣品10#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）下降到（0.012，-0.002），側視角下色偏方向改變，但是仍偏紅；樣品11#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）下降到（0.009，0.007），側視角下色偏方向改變，由偏紅轉向偏黃；樣品12#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）變到（0.011，0.002），側視角下色偏方向改變較小，仍偏黃。總體來看，PVX2 厚度的增加對偏移量影響較小，對色偏方向有一定影響，有偏紅向偏黃轉換趨勢，但存在波動性，規律不明顯。

綜上所述，GI 和PVX1 對色偏的影響較大，PVX2 對色偏的影響較小，膜層位置不同影響有差異，位于有機膜下面的SiNx（GI）厚度降低對色偏量影響較小，但對色偏方向有影響；位于有機膜層下面的SiNx（GI&PVX1）厚度增加色偏量先減小后增加，呈現非線性影響，符合光干涉規律；而位于有機膜和1stITO 層上面的SiNx（PVX2）厚度增加對色偏量影響較小，但是對色偏方向有一定影響。

3.2 SiNx膜厚對OAC shift 影響的模擬

為了從理論上佐證上述單因子實驗結果，本文基于上述實驗結果選擇GI+PVX1 厚度為420 nm和460 nm 作為模擬條件，利用Matlab 軟件建立光學模型對OAC shift 進行仿真模擬，模擬條件為白畫面下水平方位-60°～60°，模擬方案如表2所示。

表2 SiNx膜厚對OAC shift 的模擬Tab.2 Simulation of OAC shift by SiNx THK

圖6 為OAC shift 模擬結果，其中紅色橢圓線代表OAC shift 的規格線，橢圓短半軸a=0.015，長半軸b=0.007 5，傾斜角θ=16°。圖6（a）OAC 結果顯示色偏量較大（超出規格），且色度偏紅嚴重，與圖5 中樣品1#的OAC 測試結果一致。圖6（b）OAC 結果顯示色偏量較小（規格內），且色偏現象明顯減輕，與圖5（b）中樣品7#的OAC 測試結果接近。模擬結果與實驗結果的匹配證明了前文的理論推斷：透光膜層膜厚變化導致薄膜晶體管陣列整體膜層干涉效應的發生改變，進而引起各波段透過率的變化，最終導致色偏現象。

圖6 （a）OAC shift 模擬曲線1；（b）OAC shift 模擬曲線2。Fig.6 （a）OAC shift simulation curve of case1；（b）OAC shift simulation curve of case2.

3.3 側視角發紅的改善

鑒于上述單因子實驗結果和軟件模擬結果，本文針對側視角白畫面發紅提出改善措施。綜合考慮電學特性和產能影響，改善條件采用PVX1 140 nm 更為合理，按照客戶規格（橢圓線）、斜視方位和角度、測試數量（N=15x）以及實際顯示屏點燈畫面綜合判定樣品是否合格。

參考條件和改善條件分別隨機取15 片樣品搭配同一塊背光進行白畫面下不同視角下的OAC shift 測試（水平方位-60°～60°），樣品OAC shift 測 試 結 果 如 圖7 所 示。圖7（a）OAC shift 實測結果顯示色偏量較大（超出規格），角度越大色度偏紅越嚴重，與圖6（a）OAC shift 模擬結果一致。圖7（b）OAC shift 實測結果顯示色偏量較小（規格內），且無明顯色偏現象，與圖6（b）OAC shift 模擬結果對比無明顯差異。

圖7 （a）參考條件的色偏坐標變化曲線；（b）改善條件的色偏坐標變化曲線。Fig.7 （a）OAC shift curve of reference；（b）OAC shift curve of improved condition.

上述參考樣品和改善樣品分別在水平和垂直方位±60°視角下的白畫面對比如圖8 所示。通過宏觀視角圖對比，參考樣品正視角下的白畫面在±60°斜視角下可見明顯發紅，而改善樣品在斜視角下無此現象，與圖（7）OAC shift 曲線匹配。綜合OAC shift 曲線和實際畫面判定，PVX1 140 nm 的條件針對側視角發紅的改善有效。

圖8 參考樣品和改善樣品白畫面四方位視角圖對比Fig.8 Comparison of the reference sample and improved sample under L255 viewing angle

4 結 論

針對HADS 型TFT-LCD 白畫面側視角發紅現象研究了薄膜晶體管透光區不同氮化硅層對側視角色偏的影響。其中有機膜層以下的氮化硅是影響側視角色偏的關鍵因素之一，不僅會影響色偏量，也會影響到色偏方向。同步進行的軟件模擬驗證了單因子實驗結果，最終綜合考慮特性和產能影響選擇最優的條件解決了大視角發紅問題。

（1）位于有機膜層下面的SiNx（GI 和PVX1）對色偏的影響較大，色偏量隨SiNx（GI+PVX1）厚度增加先減小再增加，呈現非線性影響；位于有機膜下面的SiNx（GI）厚度降低對色偏量影響較小，但對色偏方向有影響；而位于有機膜和1ITO 層上面的SiNx（PVX2）厚度對色偏量的影響較小，但是對色偏方向有一定影響，也是呈現非線性影響。

（2）選擇GI+PVX1 厚度420 nm 和460 nm兩個條件進行OAC shift 仿真模擬，模擬結果與單因子實驗結果匹配，從而證明了以下理論推斷：透光膜層膜厚變化導致TFT 基板整體膜層干涉效應的變化，引起各波段透過率的變化，最終導致色偏現象。

（3）結合單因子實驗結果和模擬結果，綜合考慮電學特性和產能影響，采用PVX1 140 nm 作為改善條件，OAC shift 測試結果和宏觀視角圖綜合判定對側視角白畫面發紅的改善有效。

本文研究填補了薄膜晶體管陣列中氮化硅膜層與TFT-LCD 白畫面色偏的研究欠缺，為其他產品類似的光學色度不良改善提供了有益的參考。