TFTGLCD白点不良机理研究及改善

第３６卷㊀第３期
２０２１年３月㊀㊀
㊀㊀㊀
㊀㊀液晶与显示
㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a y
s ㊀㊀㊀㊀㊀
V o l ．３６㊀N o ．３
㊀M a r ．２０２１
㊀㊀收稿日期:２０２Ｇ０６Ｇ１３;修订日期:２０２０Ｇ１０Ｇ０７．
㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :l i u x i n _c q
＠b o e ．c o m．c n 文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０２１)０３Ｇ０４０５Ｇ０６
T F T ＧL C D 白点不良机理研究及改善
刘㊀信１∗,高玉杰１,郭㊀坤１,杨㊀志１,程㊀石１,林鸿涛２,毛大龙１,
盛子沫１,赵㊀剑１,吴㊀伟１,郭会斌１,江㊀鹏１
(１．武汉京东方光电科技有限公司,湖北武汉４３００４０;
２．北京京东方显示技术有限公司,北京１００１７６)
摘要:T F T 基板四道掩膜版工艺可提升产能,但其带来的产品品质困扰着各工厂,白点不良即为四道掩膜版工艺产生.本文通过直流实验探究了白点产生的原因;采用光照实验和高温实验,研究了白点产生的机理,同时利用工艺调整来改善白点不良.结果表明,有源层膜质存在异常,其导电性不同导致了反冲电压(ΔV p )的差异,最佳公共电压的不同形成白点不良.栅极和源极耦合电容越小,即硅边宽度越小,白点越少,直至消失.子像素存储电容越大,钝化层厚度(P V X )
由６００n m 减小到４００n m ,白点不良程度可减轻１个等级.通过工艺调整,将硅边宽度降低到１．２μm ,可解决四道掩膜版工艺导致的白点问题.该研究对于产品品质和收益的提升以及后续产品开发提供了有效的解决方法及参考.关㊀键㊀词:白点;反冲电压;S t a e b l e r ＧW r o n s k i 效应
中图分类号:T N ８７３＋．９３;T N ３２１＋．５㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/C J L C D．２０２０Ｇ０１５３
M e c h a n i s mr e s e a r c ha n d i m p
r o v e m e n t o f T F T ＧL C Dw h i t e d o t
L I U X i n １∗,G A O Y u Ｇj i e １,G U O K u n １,Y A N GZ h i １,C H E N GS h i １,L I N H o n g
Ｇt a o ２
,MA O D a Ｇl o n g １,S H E N GZ i Ｇm o １,Z H A OJ i a n １,WU W e i １,G U O H u i Ｇb i n １,J I A N GP e n g
１
(１．C h o n g q i n g B O EO p t o e l e c t r o n i c sT e c h n o l o g y C
o ．,L t d ．,W u h a n ４３００４０,C h i n a ;２．B e i j i n g B O E D i s p l a y T e c h n o l o g y C o ．,L t d ．,B e i j i n g １
００１７６,C h i n a )A b s t r a c t :T h e ４m a s k p r o c e s so fT F Ts u b s t r a t ec a n i m p r o v e p r o d u c t i o nc a p a c i t y ,b u t i t a l s ob r i n g
s t h e p r o b l e m s i n p r o d u c t q u a l i t y ．F o r e x a m p l e ,t h e ４m a s k p r o c e s s c a n g e n e r a t ew h i t e d o t d e f e c t s ．T h e c a u s e s o fw h i t e d o t s i s e x p l o r e d t h r o u g hD Ce x p e r i m e n t ．T h em e c h a n i s mo fw h i t e d o t s i s s t u d i e d b y
i l Ｇl u m i n a t i o n e x p e r i m e n t a n dh i g h t e m p e r a t u r e e x p e r i m e n t ,a n d t h ew h i t ed o t s d e f e c t s a r e i m p r o v e db y
p r o c e s s a d j u s t m e n t ．T h em e c h a n i s mo fw h i t e d o t s d e f e c t s i s t h a t t h e c o n d u c t i v i t y o f a c t i v e l a y
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f Ｇf e r e n t d u e t oS We f f e c t ,r e s u l t i n
g i nd i f f e r e n t f e e d t
h r o u g hv o l t a g e (ΔV p ),a n d t h ed
i f f e r e n c e o f o p t i Ｇm a l V c o m l e a d s t ow h i t e d o t s d e f e c t s ．W i t h t h e g a t e a n dd r a i n e l e c t r o d e s i g n a l c o u p l i n g c a p a c i t a n c e C g s
b e
c a m i n g s m a l l e r (i ．e ．t h e s m a l l e r a c t i v e t a i l w i
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e d o t s g r a d u a l l y d e c r e a s e u n t i l t h e y d
i s Ｇ. All Rights Reserved.
a p p e a r．W i t h t h e p i x e l s t o r a g e c a p a c i t o r C s t
b e
c o m i n g l a r g e r,t h e i n s u l a t i o n l a y e r t h i c k n e s s(P V X)i s r e
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r o d u c t d e v e l o p m e n t．
K e y w o r d s:w h i t e d o t;f e e d t h r o u g hv o l t a g e;S We f f e c t
１㊀引㊀㊀言
㊀㊀随着生活水平提升,人们对显示器的品质需求越来越高,高分辨率㊁高刷新频率㊁高对比度㊁高亮度等高端产品逐渐占领市场.高端产品开发必然带来成本和周期的上升,进而影响企业收益,因此各企业不断采取各项措施来降低产品开发和生产成本[１Ｇ２].四道掩膜版工艺是各工厂为降低生产成本而普遍采用的一种曝光工艺,相比于五道掩膜版工艺,减少了一道光刻工艺,即有源层和数据线采用一道掩膜版完成,用半曝光替代全曝光,减少工艺流程,提升工厂产能,增加产品收益.但四道掩膜版工艺会使数据线下方存在有源层,在显示器使用时,光照会使有源层导电,等效于数据线宽度增加[３Ｇ４].高端产品的设计,在考虑工艺波动的情况下,其走线宽度和间距均处于极端值,四道掩膜版工艺带来的实际数据线宽度增加加重了液晶显示器的负载,影响产品画质及良率,本文研究的白点不良就是其中的一例.
对于任何一种高端显示器的开发,产品性能和良率一样重要.本文主要研究了四道掩膜版工艺导致白点不良的原因,通过光照和高温实验,明确了不良发生的机理.同时研究了栅极和源极的耦合电容及子像素存储电容对白点不良的影响,通过工艺调整相应的几何尺寸和膜厚,解决白点不良,为后续高端产品的四道掩膜版设计及工艺提供了可行性方案.
２㊀实㊀㊀验
实验选择尺寸和分辨率相同的模组,将其分为４组,用于光照实验.选用不同工艺模组产品A㊁B㊁C㊁D研究栅/源极电容与白点的关系;模组产品B㊁E用于研究子像素存储电容与白点的关系.２．１㊀直流实验
T F TＧL C D正常显示时,栅极和数据信号均为交流电.对于数据信号,本实验将柔性电路板除掉,酒精清洗各向异性导电胶,在焊盘(B o n d i n g P a d)涂上银浆,外接直流电源,可实现数据信号为直流电.该样品采用栅极驱动功能集成在阵列基板上的G O A(G a t eD r i v e r o nA r r a y)设计[５Ｇ６],将G O A所有信号C L K/S T V/V D D O/V D D E/ V G L等设置为高电压,可实现栅级直流信号.实验时观察并记录白点现象等级.
２．２㊀光照实验
第１组(１Ｇ１＃~１Ｇ３＃)为参考组,T F T朝下放置(正常放置),被背光源照射;第２组(２Ｇ１＃~２Ｇ３＃)彩膜朝下放置(翻转放置),被背光源照射;第３组(３Ｇ１＃~３Ｇ３＃)在正常放置情况下,将白点区域下方用黑色垫片遮挡,样品背光源光照;第４组(４Ｇ１＃~４Ｇ３＃)在正常放置情况下,将白点以外其他区域下方用黑色垫片遮挡,样品背光源光照.以上实验每隔２４h进行观察,以上分别记录白点现象等级.
２．３㊀高温存储实验
将完成光照实验的第１组样品(１Ｇ１＃~１Ｇ３＃)放入高温炉中,温度为１５０ħ,每隔２h,进行现象观察,记录白点现象等级.
３㊀结果与讨论
３．１㊀电信号对白点的影响
为研究扫描/数据信号对白点不良的影响,本文设计了不同组合的信号加载到显示屏上,观察白点现象,其结果如表１所示.
６０４㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀. All Rights Reserved.
表１㊀扫描/数据信号与白点现象的关系
T a b．１㊀W h i t e d o t p h e n o m e n o n v s．g a t e/d a t a s i g n a l
实验编号扫描信号数据信号白点现象１直流交流消失２交流直流消失３直流直流消失
㊀㊀从表１可以看出,施加直流扫描信号时,白点消失.相比于交流,直流无电压跳变,可以消除数据线与扫描线的电容对像素电压的影响,即反冲电压(ΔV p)[７Ｇ８]的影响.施加直流数据信号时,白点消失,此时扫描信号仍为交流,ΔV p的存在会影响像素电压,但数据信号处于直流,即使扫描信号处于关闭状态,由于漏电流的存在,像素仍处于一定的充电状态,可以抵消大部分由于ΔV p不同导致的像素电压差异.另外,同时给扫描/数据线施加直流信号,白点依然消失.以上实验结果说明,白点不良是由于存在ΔV p,导致白点与其他区域的像素电压不同,使其最佳公共电压不一致,从而出现黑白的差异,导致白点,以下做详细说明.
图１㊀像素与公共电极间的电压示意图
F i g．１㊀S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f t h ev o l t a g eb e t w e e n
t h e p i x e l a n d t h e c o mm o ne l e c t r o d e ㊀㊀如图１所示,公共电压的电位是依据屏内多数像素闪烁程度确定的,可以认为对于多数像素,公共电压的电位是在综合考虑了ΔV p和漏电流的基础上,保证了像素的正负帧电压的对称(大小设为a).但对于白点区域,由于该区域的ΔV p与其它区域存在差异,因此白点区域与其他区域的最佳公共电压存在差异(设为c,可正可负).
本样品为常黑模式,像素电极与公共电压之间的有效电压越大,像素的亮度越高.因此,对于正常区域和白点区域,像素亮度可以分别用式(１)和式(２)定性地表示.
正常区域亮度:
a２＋a２＝２a２．(１)白点区域亮度:
(a＋c)２＋(a－c)２＝２(a２＋c２),(２)显然,白点区域亮度高于正常区域亮度,因此该区域发白.
３．２㊀光照/温度对白点的影响
我们研究了照射不良样品的不同区域,白点的变化情况,并对其中部分样品进行了高温存储实验,结果见表２和表３.
表２㊀光照条件与白点现象的关系
T a b．２㊀W h i t e d o t p h e n o m e n o n v s．l i g h t c o n d i t i o n s
样品编号照射面照射区域
白点现象
０h２４h４８h７２h
１Ｇ１T F T整面L３．５L２．５L１．５L０１Ｇ２T F T整面L３．０L２．０L１．０L０１Ｇ３T F T整面L３．５L２．５L１．５L０２Ｇ１C F整面L３．５L３．５L３．５L３．５２Ｇ２C F整面L３．５L３．５L３．５L３．５２Ｇ３C F整面L３．５L３．５L３．５L３．５３Ｇ１T F T白点外区域L３．５L３．５L３．５L３．５７０４
第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀刘㊀信,等:T F TＧL C D白点不良机理研究及改善. All Rights Reserved.
续㊀表样品编号照射面照射区域白点现象
０h２４h４８h７２h ３Ｇ２T F T白点外区域L４．０L４．０L４．０L４．０３Ｇ３T F T白点外区域L３．５L３．５L３．５L３．５４Ｇ１T F T白点区域L３．０L２．０L１．０L０４Ｇ２T F T白点区域L３．５L２．５L１．５L０４Ｇ３T F T白点区域L３．５L２．５L１．５L０
表３㊀高温老化与白点现象的关系
T a b．３㊀W h i t e d o t p h e n o m e n o n v s．h i g h t e m p e r a t u r e a g i n g
样品编号照射面照射区域
白点现象
０h２４h４８h７２h
１Ｇ１T F T整面L０L１．０L２．５L３．５１Ｇ２T F T整面L０L１．０L２．０L３．０１Ｇ３T F T整面L０L１．０L２．５L３．０
㊀㊀从表２㊁３可以看到,T F T朝下放置状态下被背光源照射,白点不良逐渐减轻;彩膜朝下放置状态下被背光源照射,白点不良无变化.同时,背光源照射白点外区域,白点现象无变化;照射白点区域,白点现象消失.从中不难看出,不良受彩膜基板黑矩阵下T F T基板上有源层光照导电性能的影响.将白点消失样品进行高温存储,白点均复现.从该实验可以看出,白点区域有源层受S t a eＧb l e rＧW r o n s k i效应影响,改变有源层的导电性,ΔV p发生变化又得到了还原,使白点在光照下消失,在高温下复现.
S t a e b l e rＧW r o n s k i效应现象为aＧS iʒH在可见光持续照射下,暗电导率和光电导率会随时间的增加而下降,在１５０ħ以上的温度下退火可恢复.采用电子自旋共振进行测试,发现在光照情况下,aＧS iʒH中的悬挂键(D a n g l i n g B o n d,D B)信号强度增加.针对非掺杂的aＧS iʒH,导带的电子迁移率比空穴电子迁移率大得多,电流主要通过电子传输形成.随着光照的进行,D B密度逐渐增加,靠近费米能级的深能级和其态密度均增加,导带内跃迁电子的寿命减少,导致光导率减小.在aＧS iʒH中,光的电导率与迁移率和载流子寿命的乘积成正比,光的照射对迁移率的影响非常小,因此载流子寿命的减少是光电导率降低的主要原因.另外,在光照射下,跃迁的带间距内态密度增加.在光照射前,跃迁带间距中央靠近导带侧的费米能级向价带方向移动,所需的活化能增加,因此暗电导率也减少.
对于S t a e b l e rＧW r o n s k i效应产生的机理,国内外主要有３种解释模型.一是弱键断裂模型(图２),其机理为S i S i弱键中的S i原子存在一个S i H键,当两个载流子在弱S i S i键附近复合时,其中部分能量以声子的非辐射方式释放出来,使膜中的S i S i弱键断裂,形成两个临时悬挂键,为了达到更稳定的亚稳状态,邻近原子会在小范围内发生重构,其中一个S i原子的S i H转向悬挂处,从而增加了悬挂键缺陷态密度[８].二是 氢玻璃 模型(图３),在光照下,H从S i H键中脱离出来并在aＧS iʒH中移动,这种移动的H 造成了弱S i S i的热力学断裂,从而形成两个悬挂键缺陷,增加了悬挂键缺陷态密度[９Ｇ１０].三是氢碰撞模型(图４),光照射下,诱导S i H键断开,形成１个悬挂键和１个可移动的H原子,当两个可自由移动的H原子在运动过程中在弱S i S i键附近发生碰撞时,弱的S i S i键断裂,形成了亚稳的不可移动的化合物(S i H)２,增加了２个悬挂键,因此造成了H的聚集和悬挂键的增多,导致悬挂键缺陷态密度增加[１１].
８０４㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀. All Rights Reserved.
图２㊀弱键断裂模型中S t a e b l e r ＧW r o n s k i 效应微观
机理
F i g ．２㊀M i c r o s c o p
i c m e c h a n i s m o f t h eS W e f f e c t i n S J T m o d e
l
图３㊀ H 玻璃
模型中悬挂键形成示意图F i g ．３㊀S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no fd a n g l i n g b
o n df o r Ｇm a t i o n c o r r e s p o n d i n g t oH Ｇg
l a s sm o d e
l 图４㊀氢碰撞模型示意图
F i g ．４㊀S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f h y d r o g
e n c o l l i s i o n m o d e l
３．３㊀栅/源极电容和存储电容对白点不良的影响通过实验研究,白点是由于该区域的ΔV p 与
邻近区域差异导致,结合ΔV p 的计算公式:
ΔV P i x e l ＝C g s
C L C ＋C s t ＋C g
s (V g h －V g l )．
(３)对于扫描信号确定的产品,ΔV p 主要受到
T F T 基板各耦合电容㊁液晶电容及存储电容的影响,其中栅/源极耦合电容的影响较大.本文主要研究了栅/源极电容和存储电容对白点不良的影响.
３．３．１㊀栅/源极电容对白点不良的影响
栅/源极电容为T F T 开关舌头处源极与栅
极的耦合产生,对于四道和五道掩膜版,如图５所示,主要区别为数据线下方是否存在有源层,结合平行板电容公式:
C ＝εS
d
,(４
)图５㊀信号线下有无半导体截面图
F i g
．５㊀S e c t i o n a l v i e w o f t h ed a t a l i n ew i t h /w i t h o u t a m o r p h o u s s i l i c o n l a y
e r 其大小主要受到源极宽度和栅绝缘层厚度影响,
源极宽度体现为数据线侧边保留的有源层,即硅边.本文主要研究了不同的硅边宽度对白点的影响,其结果如表４所示.
表４㊀硅边宽度与白点现象的关系
T a b ．４㊀W h i t e d o t p h e n o m e n o n v s ．a c t i v e t a i lw i d t h
样品编号
M a s kN u m．硅边/μ
m C g s
/p F (模拟值)白点现象
A ５m a s k 无０．０２５３无B
４m a s k ２．００．０２７７L ３．５C ４m a s k １．３０．０２６８L ２．０D ４m a s k
１．２
０．０２６７
L １．５
㊀㊀从表４可以看出,
随着硅边的减小,由于数据线与扫描线的交叠面积减小,使栅极和源极耦合电容减小,白点逐渐减轻,如果有源层和数据层采用两道掩膜版,即无硅边,可以完全消除白点不
良,但采用两道掩膜版,将增加开发成本,减少工厂产能.因此,兼顾经济效益,选择方案为有源层和数据线采用一道掩膜版,降低硅边宽度,硅边宽度受限于工艺,会存在一个极限值.在本实验中,
９
０４第３期
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀刘㊀信,
等:T F T ＧL C D 白点不良机理研究及改善. All Rights Reserved.
硅边为１．２μm 时,
白点基本不可见,品质可接受.３．３．２㊀存储电容对白点的影响
像素存储电容受像素和公共电极的交叠面
积㊁两者之间距离的影响,本文探究了不同钝化层
厚度对白点不良的影响.
从表５可得,随着钝化层厚度降低,像素和公
表５㊀钝化层膜厚与白点现象的关系
T a b ．５㊀W h i t e d o t p h e n o m e n o n v s ．P V Xt h i c k n e s s
样品编号
钝化层膜厚/n m
存储电容/p
F (模拟值)白点现象B ６０００．８２０L ３．５E
４００
１．０２５
L ２．５
共电极距离减小,存储电容逐渐增大,ΔV p 减小,白点不良程度逐渐减轻,但无法解决白点不良,存储电容提升会增加充电相关的问题,对于高端产品不太建议采用.因此,对于白点不良,建议仍然采用钝化层６００n m .
４㊀结㊀㊀论
白点不良的产生,与有源层膜质和ΔV p 存在
直接关联性.白点区域有源层膜质与其他区域存
在导电差异(这种差异性是由设备原因导致,目前
还无法从设备方面消除),导致ΔV p 有差异.通过持续光照白点消失实验和高温老化白点复现实验,直接证明了白点的消失是由于有源层在背光源照射下发生了S t a e b l e r ＧW r o n s k i 效应,电导率降低,减小了导电差异性,从而证明了白点产生的原因是有源层不同区域膜质与ΔV p 的差异性.工艺上通过调整硅边宽度和钝化层厚度,来减小ΔV p 值,改善白点不良.硅边宽度由２．０降低到
１．２μm 可以解决白点不良.本研究成果对产品的效益提升及S t a e b l e r ＧW r o n s k i 效应的现象提供了重要的指导作用.
参㊀考㊀文㊀献:
[１]㊀K A G A NCR ,A N D R YP ．薄膜晶体管(T F T )及其在平板显示器中的应用[M ]．
廖燕平,王军,译．北京:电子工业出版社,２００８:１３２Ｇ１３８．
K A G A N CR ,A N D R YP ．T h i n Ｇf i l m T r a n s i s t o r s [M ]．L I A O YP ,WA N GJ ,t r a n s ．B e i j i n g :P u b l i s h i n g H o u s e o f E l e c t r o n i c s I n d u s t r y
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MA QG．T F T ＧL C DP r i n c i p l e a n dD e s i g
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)０
１４㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀
第３６卷㊀
. All Rights Reserved.
[８]㊀朱海鹏,吴海龙,但艺,等．T F T ＧL C D 画面闪烁影响因子及定量分析方法[J ]．液晶与显示,２０１９,３４(１２):１１７２Ｇ１１８１．
Z HU HP ,WU H L ,D A N Y ,e t a l ．T F T ＧL C D f l i c k e r i n f l u e n c e f a c t o r s a n d q u a n t i t a t i v e a n a l y
s i sm e t h o d [J ]．C h i Ｇn e s eJ o u r n a l o f L i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a y s ,２０１９,３４(１２):１１７２Ｇ１１８１．(i nC h i n e s e )[９]㊀S T U T Z MA N N M ,J A C K S O N W B ,T S A ICC ．L i g h t Ｇi n d u c e dm e t a s t a b l e d e f e c t s i nh y d r o g e n a t e d a m o r p h o u s s i l i Ｇc o n :a s y s t e m a t i c s t u d y [J ]．P h y s i c a lR e v i e w B ,１９８５,３２(１):２３Ｇ４７．[１０]㊀S T R E E T R A ,W I N E R K．D e f e c te q u i l i b r i ai nu n d o p e da ＧS i ʒH [J ]．P h y s i c a lR e v i e w B ,１９８９,４０(９):６２３６Ｇ６２４９．
[１１]㊀B R A N Z H M．H y d r o g e nc o l l i s i o n m o d e lo f l i g h t Ｇi n d u c e d m e t a s t a b i l i t y i nh y d r o g e n a t e da m o r p
h o u ss i l i c o n [J ]．S o l i dS t a t eC o mm u n i c a t i o n s ,１９９８,１０５(６):３８７Ｇ３９１．
作者简介
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刘信(１９８８－),男,湖北荆州人,硕士,高级研究员,２０１４年于武汉理工大学获得硕士学位,主要从事液晶面板相关不良分析及改善工作.E Ｇm a i l :l i u x i n _c q
＠b o e ．c o m．c n １
１４第３期
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀刘㊀信,
等:T F T ＧL C D 白点不良机理研究及改善. All Rights Reserved.。