氮化硅膜層對TFT白點(diǎn)色度均勻性的影響及其改善

操彬彬，葉成枝，安 暉，馬 力，劉廣東，呂艷明，彭俊林，楊增乾，栗芳芳，陸相晚，黃正峰，劉增利，廖偉經(jīng)，李恒濱

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥 230001)

1 引 言

隨著人們對顯示屏畫質(zhì)的要求不斷提高，對顯示屏的色度均勻性的要求也越來越高，通常顯示屏的色度均勻性采用測量白點(diǎn)色度均勻性(White Color Uniformity，WCU)的方法來監(jiān)控，因此WCU成為TFT-LCD產(chǎn)品一項(xiàng)新的光學(xué)檢測項(xiàng)目。之所以選擇白點(diǎn)，是因?yàn)榘c(diǎn)是RGB色空間的靶心，它的色坐標(biāo)會影響顯示屏絕大部分顏色的表現(xiàn)，RGB三原色的三刺激值共同決定白點(diǎn)色度坐標(biāo)[1]，故白點(diǎn)色度均勻性可以間接反應(yīng)其他色彩色度均勻性。目前WCU檢測設(shè)備主要利用CCD光電轉(zhuǎn)換器拍攝顯示屏白畫面，再經(jīng)視頻卡采集，把圖像的RGB三基色值存入計算機(jī)，經(jīng)過計算機(jī)軟件處理，最終輸出白點(diǎn)色度偏差Δu′v′值，當(dāng)Δu′v′超出規(guī)格則會判為不良品[2-3]。

目前針對TFT-LCD產(chǎn)品WCU改善研究中，除了背光色塊、偏光片、盒厚、配向膜、彩膜等常規(guī)研究對象外，理論上TFT光學(xué)水平也會對白點(diǎn)色度坐標(biāo)產(chǎn)生影響，但是現(xiàn)有文獻(xiàn)極少涉及。TFT光學(xué)透過率主要是受開口區(qū)的膜層結(jié)構(gòu)影響，如柵極絕緣層、鈍化絕緣層、透明導(dǎo)電膜(ITO)等等，本文重點(diǎn)研究了SiNx的絕緣膜層(包含GI，PVX1和PVX2)對WCU的影響，依據(jù)1931 CIE-XYZ表色系和1976 CIE均等色度表色系[4-7]，將TFT基板開口區(qū)透過率數(shù)據(jù)擬合得到白點(diǎn)色度坐標(biāo)，通過測量TFT 陣列基板內(nèi)大量均勻分布點(diǎn)位SiNx膜厚(SiNxTHK)，建立其余u′、v′和Δu′v′的匹配關(guān)系，分析總結(jié)各層SiNx對TFT WCU的影響并制定相應(yīng)的改善措施以期優(yōu)化TFT WCU的整體水平。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

本次實(shí)驗(yàn)樣品制備基于合肥鑫晟光電G8.5 TFT-LCD生產(chǎn)線進(jìn)行某款HADS有機(jī)膜筆記本(NB)產(chǎn)品，其TFT像素區(qū)膜層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為匹配各層SiNxTHK和TFT WCU的關(guān)系，二者需采用相同的坐標(biāo)點(diǎn)位分別進(jìn)行測試，測試點(diǎn)位圖見圖2，即單個面板分別測試12點(diǎn)的SiNx膜厚和TFT WCU，整個TFT基板80片面板共計960個測試點(diǎn)，為進(jìn)一步提升WCU測試的準(zhǔn)確性，面板內(nèi)四周的點(diǎn)位均選擇在近乎于AA區(qū)的最邊緣。

圖1 TFT像素區(qū)膜層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TFT film structure in pixel area

圖2 測試點(diǎn)位分布圖Fig.2 Distribution map of test points

2.1 TFT WCU的測量及其計算

完成全部TFT工藝的基板使用Otsuka LCF-8000型MCPD設(shè)備測試像素區(qū)各點(diǎn)位的全波段透過率光譜，測試點(diǎn)位均聚焦于像素ITO條狀電極正上方。為排除對盒工藝、彩膜RGB、偏光片以及背光色塊波動等對白點(diǎn)色度的影響，將最理想狀態(tài)下背光色塊光通量、CF RGB光譜帶入模擬，根據(jù)公式(1)(2)計算出LCD 面板白點(diǎn)色度坐標(biāo)u′、v′值；單個TFT 面板內(nèi)測試若干個點(diǎn)位白點(diǎn)色度坐標(biāo)，根據(jù)公式(3)計算任意兩點(diǎn)之間的白點(diǎn)坐標(biāo)色度偏差Δu′v′(i,j)，以差異最大兩點(diǎn)的Δu′v′(i,j)表征TFT的WCU，即Δu′v′=Max{Δu′v′(i,j)}。

u′=4X/(X+ 15Y+ 3Z)，

(1)

v′=9Y/(X+ 15Y+ 3Z)，

(2)

(3)

2.2 SiNx各層膜厚的測量

采用K-Mac膜厚測量設(shè)備分別測試柵極絕緣層(GI)，第一絕緣層(PVX1)和第二絕緣層(PVX2)層的960點(diǎn)膜厚：GI膜厚在源漏(SD)層工藝完成后測試像素區(qū)的剩余厚度即可，測試結(jié)果為GI層剩余厚度(GI remain THK)，而考慮后續(xù)膜層堆疊對膜厚測試的影響，PVX1和PVX2的膜厚測試樣品為白玻璃上PECVD沉積的單膜，測試結(jié)果分別簡稱為PVX1 THK和PVX2 THK。為保證測試的準(zhǔn)確性，膜厚測試的樣品成膜條件、所用的設(shè)備和腔室均與2.1章節(jié)所述的基板逐層保持一致。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 SiNx膜厚對u′的影響

圖3為u′與各層SiNxTHK的散點(diǎn)分布圖，從大體趨勢上看，u′與PVX1 THK無明顯的分布關(guān)聯(lián)性，與PVX2 THK和GI剩余厚度有一定的線性關(guān)系，而在圖3(a)中還看到，u′隨著GI剩余厚度的增加分布變的愈加發(fā)散，尤其是在>350 nm的區(qū)間。由此可見，GI，PVX1和PVX2雖然同為SiNx材質(zhì)，但THK-u′的趨勢上看，三者還是存在很大的區(qū)別的。

為確保TFT特性的需求，各層SiNx沉積的條件和需要的規(guī)格存在很大的差異[8]，表1列舉了GI，PVX1和PVX2成膜參數(shù)和物理參數(shù)(ε介電常數(shù)，n折射率，T透過率)的對比，其中GI由高速沉積的和低速沉積兩部分膜層組成(以下分別簡稱為GH和GL)。結(jié)合數(shù)據(jù)可看到PVX1的膜厚最薄、n值最大，但其趨勢性最不明顯，區(qū)間內(nèi)各THK下u′分布的上限和下限差異不大；而n值較小的GI和PVX2兩層對應(yīng)的SiNxTHK和u′可見一定的線性關(guān)系，其中PVX2 THK趨勢性最為明顯，而GI剩余厚度的趨勢性弱于PVX2 THK的主要原因推測是GH和GL存在一定的光學(xué)差異：在TFT SD層制作過程中，通常GI剩余厚度集中在320～370 nm區(qū)間，而沉積的GH厚度為350 nm，即當(dāng)GI剩余厚度大于350 nm時，此時的GI剩余厚度很可能是GH和GL的復(fù)合膜。由于GH和GL的光學(xué)特性本身就存在差異，因此二者在不同厚度組合的下整體光學(xué)差異更為明顯和不可控[9-10]，這也能解釋為何GI剩余厚度越大，u′分布越發(fā)散，并且在350 nm后愈發(fā)明顯。

圖3 u′與各層SiNx THK的散點(diǎn)圖。(a)GI剩余厚度；(b)PVX1 THK；(c)PVX2 THK。Fig.3 Scatter diagram of u′ and SiNx THK of each layer.(a)GI remain THK;(b)PVX1 THK;(c)PVX2 THK.

表1 不同SiNx成膜參數(shù)和物理參數(shù)的對比Tab.1 Comparison of each SiNx layer with deposition parameter and physical parameter

3.2 SiNx膜厚對v′的影響

圖4為v′與各層SiNxTHK的散點(diǎn)分布圖，從圖中的分布趨勢看，v′與各層SiNxTHK未見有較強(qiáng)的相關(guān)性，各個SiNxTHK下，v′分布的上下限都沒有太大的變化，因此我們認(rèn)為v′與SiNxTHK沒有太大的關(guān)聯(lián)性，針對膜層對TFT WCU影響可能更多的是集中在u′參數(shù)上。

圖4 v′與各層SiNx THK的散點(diǎn)圖。(a)GI剩余THK；(b)PVX1 THK；(c)PVX2 THK。Fig.4 Scatter diagram of v′ and SiNx THK of each layer.(a)GI remain THK;(b)PVX1 THK;(c)PVX2 THK.

3.3 面內(nèi)SiNx膜厚差異對Δu′v′的影響

單個面板內(nèi)12個點(diǎn)位的THK[max]與THK[min]的差值為各層的ΔTHK，從中可以得到Δu′v′(即TFT WCU)與各層SiNxΔTHK的散點(diǎn)分布圖，如圖5可以看出，PVX2 ΔTHK與Δu′v′的線性趨勢最為明顯，其對TFT WCU的影響表現(xiàn)的最為直接，即面內(nèi)PVX2 ΔTHK越小，相應(yīng)的TFT WCU的結(jié)果越佳。從u′和v′與SiNxTHK的趨勢看，GI剩余厚度和PVX2 THK二者都是相似的，但從ΔTHK與Δu′v′的關(guān)系看，二者差異較大，推測還是由于GI剩余厚度大于350 nm時可能存在GL層造成的，即考慮到基板內(nèi)均一性的工藝波動，對應(yīng)350 nm左右的GI剩余厚度下，既有可能是GH的單膜，也有可能是各組厚度組合的GH和GL復(fù)合膜，光學(xué)特性差異大，最終造成Δu′v′的離散和不可控，而PVX2一直是單層膜結(jié)構(gòu)，特定厚度下光學(xué)特性穩(wěn)定，整體上看呈現(xiàn)出較好的ΔTHK- Δu′v′線性關(guān)系。PVX1同樣為單層膜結(jié)構(gòu)，但其整體厚度只有100 nm，且最大ΔTHK不到6 nm，面內(nèi)厚度均一性明顯優(yōu)于GI和PVX2，因此PVX1THK層對WCU的影響相對最不明顯，u′、v′和Δu′v′均無明顯的趨勢性。

圖5 Δu′v′與各層SiNx ΔTHK的散點(diǎn)圖。(a)GI剩余ΔTHK；(b)PVX1 ΔTHK (c)PVX2 ΔTHK。Fig.5 Scatter diagram of Δu′v′ and SiNx ΔTHK of each layer.(a)GI remain ΔTHK;(b)PVX1 ΔTHK;(c)PVX2 ΔTHK.

3.4 TFT WCU的改善

綜合前文所述，PVX1 THK與u′，v′和Δu′v′關(guān)系均不明顯；對于GI剩余厚度，若其過厚，由于GH和GL膜層間的差異會導(dǎo)致u′和Δu′v′的離散。PVX2 THK與u′的線性關(guān)系明顯，且面板內(nèi)PVX2 ΔTHK越小，相應(yīng)的Δu′v′的數(shù)值就越低。因此，對于GI層改善的方案為增加干法刻蝕的刻蝕量，降低整體GI剩余厚度，以避免像素區(qū)GL層的存在，即增加有源層刻蝕和N+層刻蝕的干法刻蝕時間使得GI層多被刻蝕約25 nm，最終的GI剩余厚度的最大值小于350 nm，中心值在325 nm的水平；對于PVX2層，需要盡量減少面板內(nèi)厚度的差異，相應(yīng)的改善方案膜厚降低，即在滿足設(shè)計需求的前提下(如充電率，Cst等)，根據(jù)PVX2成膜速率折算并降低PECVD的沉積時間，使得厚度中心值由200 nm降低至150 nm。

圖6為改善前后基板內(nèi)80片面板的TFT WCU分布圖，為取得更佳的效果，我們的改善措施綜合了前述的兩項(xiàng)改善方案，從中可以看出，通過同時降低GI剩余厚度和PVX2 THK的中心值分別至325 nm和150 nm，TFT WCU整體均值可降低約0.000 7，基板內(nèi)各面板的分布更加均勻，最大值由改善前的0.007 0降至改善后的0.005 2，從而滿足了最大值≤0.005 5的管控規(guī)格，改善效果明顯。

圖6 改善前后TFT WCU數(shù)值對比Fig.6 TFT WCU value comparison of before and after improvement

4 結(jié) 論

通過分別測試相同點(diǎn)位下SiNxTHK與TFT WCU的數(shù)值，分析了u′，v′和Δu′v′分別與GI剩余厚度，PVX1 THK和PVX2 THK的匹配關(guān)系，明確了TFT WCU與各層SiNxTHK的關(guān)聯(lián)性為PVX2 THK>GI乘余厚度>PVX1 THK。對于TFT WCU的優(yōu)化方案，一方面可根據(jù)3.3章節(jié)中的PVX2 ΔTHK與Δu′v′線性關(guān)系，降低PVX2整體膜厚，Δu′v′也相應(yīng)降低；另一方面可根據(jù)3.1章節(jié)中的GI剩余厚度與u′散點(diǎn)圖，增加SD HT工藝的過刻量，避免GL層的殘留造成的GI膜層光學(xué)特性的波動。通過組合上述兩個改善方案，使得基板內(nèi)80 面板的最大值降到了≤0.005 5的規(guī)格范圍內(nèi)，成功優(yōu)化了TFT WCU的整體水平，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品品質(zhì)。