TFT-LCD制程对低频横纹色差的影响及研究

顾小祥，杨 丽，曾 龙

(昆山龙腾光电有限公司，江苏 昆山 215301)

1 引 言

液晶配向是TFT-LCD显示的关键技术，目前应用较多的有两种方式：摩擦配向(Rubbing)和光配向(Photo-Alignment)。与摩擦配向相比，光配向不需要和配向膜接触，利用紫外光敏聚合物在光化学反应下产生各向异性，从而形成具有配向能力的聚合物膜，以实现对液晶分子取向的控制，能够解决摩擦造成的粉尘和颗粒污染、静电残留、刷痕等问题，有效提高产品良率[1]。最常用的光配向技术是线性偏振紫外光(LPUV)裂解技术，与紫外光偏振方向相同的分子链在UV照射下发生光裂解反应。另外，光配向的预倾角接近0°，应用于IPS显示模式能获得较高的对比度。因此，随着应用品质的提升，光配向技术越来越多地应用于TFT-LCD中[2]。

TFT的半导体层可以使用非晶硅、微晶硅或者多晶硅，目前绝大部分产品是采用氢化非晶硅(Amorphous silicon, a-Si∶H)制成[3-4]。对于非晶硅(SiNx)+欧姆层(n+)结构的有源层来说，光配向制程中紫外光照射到非晶硅层时会导致该层中产生光生载流子，电子发生迁移，导致漏电流变大，从而影响薄膜晶体管的电学特性，进而导致串扰等问题的发生，影响液晶面板的显示质量[5]，因此研究光配向对于非晶硅层电学特性的影响具有重要意义。本文以IPS型产品为研究平台，研究了制程和电性调整对TFT-LCD漏电流的影响，对优化光配向制程工艺具有一定的指导作用。

2 实 验

2.1 横纹色差现象

330 mm(13.0 in)IPS产品使用光配向制程，完成模组工艺后，在48 Hz下出现横纹色差现象(图1)，降低频率至30 Hz时横纹色差恶化(图2)。

图1 横纹色差Fig.1 Striped Mura

图2 低频横纹色差Fig.2 Low frequency striped Mura

2.2 横纹色差初步分析

如表1所示，摩擦配向模组成品频率30/48 Hz测试横纹色差比例均为0.00%，光配向模组成品频率30 Hz测试横纹色差比例为100.00%，频率48 Hz测试横纹色差比例为60.00%。光配向模组成品在低频状态下，横纹色差会变严重，而摩擦配向模组成品低频状态下无此现象，初步确定光配向制程是造成横纹色差的原因。

光配向制程相比摩擦配向制程主要差异在于配向方式不同：光配向通过紫外光光照射达到配向效果，摩擦配向通过布毛接触达到配向效果。紫外光会对TFT非晶硅层电学特性产生影响[5]，IPS产品中非晶硅层主要集中在AA(Active Area)区和GOA区。此光配向制程选用光裂解方式，经过紫外光照射后，会裂解产生小分子，需进行高温烘烤制程去除，摩擦配向无烘烤制程，光配向后烘烤对TFT漏电流是否有影响，需要研究确认。

表1 不同配向方式横纹色差比例

2.3 实验条件

实验样品选用330 mm(13.0 in) IPS产品TFT作为平台。图3为TFT基板的光配向配向膜制作流程[6]。将PI液涂布在TFT基板上，PI在一定的温度和时间下进行Pre-bake和Post-bake，形成配向膜，实验设置不同紫外光功率及累积光量、After-bake温度及时间(表2)。光配向制程结束后，通过测量电学特性，确认不同紫外光功率及累积光量、After-bake温度及时间对TFT电学特性的影响。

图3 配向膜制作流程Fig.3 Manufacturing flow of alignment film

表2 实验方案Tab.2 Experimental scheme

2.4 测试与表征

采用电性量测机台(Probe station，是德科技有限公司，型号4156C)进行测试，电学特征表征参数有4项：

(1)漏电流(Ioff)：选定为栅极电压Vgl的漏极电流；

(2)开启电压(Vth)：TFT打开所需栅极最小电压；

(3)工作电流(Ion)：TFT开态电流，选定为栅极电压Vth的漏极电流；

(4)迁移率(μ)：载流子在栅极电压为Vth时的电子迁移速率。

3 结果与讨论

3.1 TFT电学特性实验

3.1.1 紫外光功率对TFT电学特性的影响

使用不同紫外光功率照射TFT基板前后4项电学特性变化见表3、图4所示。TFT不进行紫外光照射，仅进行烘烤，Ioff漏电流变化幅度小；紫外光功率越大，Ioff漏电流变化幅度越大；Vth/Ion/μ无明显变化。

表3 不同紫外光(UV)功率下的TFT电性变化趋势Tab.3 TFT electrical properties trend under different UV power

续 表

图4 不同紫外光(UV)功率下的TFT电性变化量。(a) Ioff; (b) Vth; (c) Ion;(d) μ。Fig.4 TFT electrical properties under different UV power. (a) Ioff. (b) Vth. (c) Ion.(d) μ.

3.1.2 紫外光累积光量对TFT电学特性的影响

使用不同紫外光累积光量照射TFT基板前后4项电学特性变化见表4、图5所示。随着紫外光累积光量变大，Ioff漏电流有明显变大的趋势，说明紫外光照射是造成Ioff漏电流变大的主要因子；Vth/Ion/μ无明显变化。

表4 不同紫外光(UV)累积光量下的TFT电性变化趋势Tab.4 TFT electrical properties trend under different UV dosage

图5 不同紫外光(UV)累积光量下的TFT电性变化量。(a) Ioff; (b) Vth; (c) Ion;(d) μ。Fig.5 TFT electrical properties of different UV dosage. (a) Ioff. (b) Vth. (c) Ion.(d) μ.

3.1.3 紫外光后烘烤温度对TFT电学特性的影响

使用不同烘烤温度TFT基板前后4项电学特性变化如表5、图6所示。只进行紫外光照射且不烘烤，Ioff漏电流变化最大；紫外光照射后烘烤，因TFT沟道的界面层有缺陷，有些空穴没有被填补，载流子浓度不稳定，通过高温烘烤可以填补一些缺陷和空位，从而使Ioff漏电流变小，不同烘烤温度在固定时间内(1 800s)差异不大；Vth/Ion/μ无明显变化。

图6 不同烘烤温度下的TFT电性变化量。(a) Ioff; (b) Vth; (c) Ion;(d) μ。Fig.6 TFT electrical properties under different bake temperature. (a) Ioff. (b) Vth. (c) Ion.(d) μ.

Temp./℃RefInitialBy pass bake230InitialAfter PA235InitialAfter PA240InitialAfter PAIoff/pA20.966.016.231.015.127.310.226.0Vth/V2.6512.4882.5203.2422.5922.4792.7552.719Ion/μA2.491.682.461.812.622.832.592.47μ/(cm2·V-1·s-1)0.2590.1590.2510.1820.2700.2570.2720.246

3.1.4 紫外光后烘烤时间对TFT电学特性的影响

使用不同烘烤时间TFT基板前后4项电学特性变化如表6、图7所示。长时间烘烤可以有效降低因紫外光照射而造成的Ioff漏电流变大的现象；对于降低Ioff漏电流，烘烤时间相比烘烤温度效果更显著；Vth/Ion/μ无明显变化。

表6 不同烘烤时间下的TFT电性变化趋势Tab.6 TFT electrical properties trend under different bake time

图7 不同烘烤时间下的TFT电性变化量。(a) Ioff; (b) Vth; (c) Ion;(d) μ。Fig.7 TFT electrical properties under different bake time. (a) Ioff. (b) Vth. (c) Ion.(d) μ.

3.2 横纹色差实验

3.2.1 制程调整

3.2.1.1 光配向制程

通过以上TFT电学特性实验，TFT非晶硅层经过紫外光照射后，会造成Ioff变大，可以通过光配向后热烘烤处理，有效降低Ioff。

3.2.1.2 增加TFT OC厚度

若将TFT OC厚度增大，可以使非晶硅(SiNx)+欧姆层(n+)结构的有源层接受的累积光量更低(图8)，使漏电流变少。

图8 紫外光照射TFTFig.8 UV light irradiation TFT

3.2.2 时序和驱动电压调整

3.2.2.1 延长Out Enable

受紫外光光照射影响，光线照射到非晶硅层时会导致该层中产生光生载流子，导致部分像素漏电流变大，此像素在充电时会充不饱和。人眼观察LCD样品时，LCD样品上同时存在饱和像素和不饱和像素，画面会出现色差，造成横纹色差现象。若将Out Enable(Gate关闭至Source关闭时间差)延长，栅极电压相比之前提前打开同时源极信号输入维持不变，从而使像素充电更加饱和，最终可以有效降低横纹色差。

3.2.2.2 降低Vgh

如图9所示，在同一画面中，存在充电饱和像素的电容C1和不饱和的像素电容C2(C1>C2)，降低Vgh可以使整面像素的电容充电更加均一((C1-C2)>(C3-C4))，画面无明显色差，人眼不易观察到横纹色差。

图9 降低VghFig.9 Reducing Vgh

3.2.2.3 提高VSS_Q

VSS_Q：栅极驱动电路(GOA)中Q(Q：静态工作点)的低电位。在0 V的情况下，I-V曲线仍有少部分漏电(如图10)，设置VSS_Q使与Vgl的压差小于0 V，从而使漏电流更小。

经过光配向前后，I-V曲线变化如图10所示：漏电流相比光配向之前变大，VSS_Q与Vgl的压差为Va，漏电流为α，若提高VSS_Q后，VSS_Q与Vgl的压差为Vb，漏电流为β(α>β)，因此提高VSS_Q，可以有效降低漏电流。

3.2.3 实验结果

图10 光配向前后I-V 曲线Fig.10 I-V curve before and after photo-alignment

将制程调整(增加TFT OC厚度、光配向制程条件)、时序和驱动电压调整(延长Out Enable/降低Vgh/提高VSS_Q)应用到IPS产品上，使用光配向制程，完成模组工艺。为确认对策改善效果，选取330 mm(13.0 in) IPS产品进行分析，结果如表7所示。

表7 低频横纹色差比例对比Tab.7 Low frequency Mura comparison

续 表

(1)增加TFT OC厚度(OC 2.5 μm)：可以有效降低横纹色差(比例:68.00%)，但无法完全改善；

(2)更改光配向制程条件(240 ℃，4 200 s)：可以完全改善横纹色差(比例:0.00%)；

(3)延长Out Enable(4.8 V)：可以大幅度降低横纹色差(比例:7.33%)，但无法完全改善；

(4)延长Out Enable(4.8 V)/降低Vgh(18 V)/提高VSS_Q(-7.5 V)：可以完全改善横纹色差(比例:0.00%)。

以上条件(2)可以在光配向制程中改善横纹色差，条件(4)可以在组成Module成品中通过优化驱动改善横纹色差。

4 结 论

本文以IPS产品为研究平台，探讨了低频横纹与光配向、摩擦配向的相关性，发现光配向制程中紫外光照射使TFT AA区和GOA区非晶硅层的漏电流变大，产生低频横纹色差现象从而影响图像品质。并对低频横纹色差进行了影响性研究，结果表明：

(1)紫外光照射后进行烘烤，可以有效降低漏电流，高温度(240 ℃)+长时间(4 200 s)改善低频横纹色差效果佳(比例：0.00%)；

(2)延长Out Enable(4.8 μs)+降低Vgh(18V)+提高GOA电路中电压VSS_Q(-7.5 V)，改善低频横纹色差效果佳(比例：0.00%)。