氮化硅膜层对TFT白点色度均匀性的影响及其改善

操彬彬，叶成枝，安 晖，马 力，刘广东，吕艳明，彭俊林，杨增乾，栗芳芳，陆相晚，黄正峰，刘增利，廖伟经，李恒滨

(合肥鑫晟光电科技有限公司，安徽 合肥 230001)

1 引 言

随着人们对显示屏画质的要求不断提高，对显示屏的色度均匀性的要求也越来越高，通常显示屏的色度均匀性采用测量白点色度均匀性(White Color Uniformity，WCU)的方法来监控，因此WCU成为TFT-LCD产品一项新的光学检测项目。之所以选择白点，是因为白点是RGB色空间的靶心，它的色坐标会影响显示屏绝大部分颜色的表现，RGB三原色的三刺激值共同决定白点色度坐标[1]，故白点色度均匀性可以间接反应其他色彩色度均匀性。目前WCU检测设备主要利用CCD光电转换器拍摄显示屏白画面，再经视频卡采集，把图像的RGB三基色值存入计算机，经过计算机软件处理，最终输出白点色度偏差Δu′v′值，当Δu′v′超出规格则会判为不良品[2-3]。

目前针对TFT-LCD产品WCU改善研究中，除了背光色块、偏光片、盒厚、配向膜、彩膜等常规研究对象外，理论上TFT光学水平也会对白点色度坐标产生影响，但是现有文献极少涉及。TFT光学透过率主要是受开口区的膜层结构影响，如栅极绝缘层、钝化绝缘层、透明导电膜(ITO)等等，本文重点研究了SiNx的绝缘膜层(包含GI，PVX1和PVX2)对WCU的影响，依据1931 CIE-XYZ表色系和1976 CIE均等色度表色系[4-7]，将TFT基板开口区透过率数据拟合得到白点色度坐标，通过测量TFT 阵列基板内大量均匀分布点位SiNx膜厚(SiNxTHK)，建立其余u′、v′和Δu′v′的匹配关系，分析总结各层SiNx对TFT WCU的影响并制定相应的改善措施以期优化TFT WCU的整体水平。

2 实验设计

本次实验样品制备基于合肥鑫晟光电G8.5 TFT-LCD生产线进行某款HADS有机膜笔记本(NB)产品，其TFT像素区膜层结构示意图如图1所示。为匹配各层SiNxTHK和TFT WCU的关系，二者需采用相同的坐标点位分别进行测试，测试点位图见图2，即单个面板分别测试12点的SiNx膜厚和TFT WCU，整个TFT基板80片面板共计960个测试点，为进一步提升WCU测试的准确性，面板内四周的点位均选择在近乎于AA区的最边缘。

图1 TFT像素区膜层结构示意图Fig.1 Schematic diagram of TFT film structure in pixel area

图2 测试点位分布图Fig.2 Distribution map of test points

2.1 TFT WCU的测量及其计算

完成全部TFT工艺的基板使用Otsuka LCF-8000型MCPD设备测试像素区各点位的全波段透过率光谱，测试点位均聚焦于像素ITO条状电极正上方。为排除对盒工艺、彩膜RGB、偏光片以及背光色块波动等对白点色度的影响，将最理想状态下背光色块光通量、CF RGB光谱带入模拟，根据公式(1)(2)计算出LCD 面板白点色度坐标u′、v′值；单个TFT 面板内测试若干个点位白点色度坐标，根据公式(3)计算任意两点之间的白点坐标色度偏差Δu′v′(i,j)，以差异最大两点的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各层膜厚的测量

采用K-Mac膜厚测量设备分别测试栅极绝缘层(GI)，第一绝缘层(PVX1)和第二绝缘层(PVX2)层的960点膜厚：GI膜厚在源漏(SD)层工艺完成后测试像素区的剩余厚度即可，测试结果为GI层剩余厚度(GI remain THK)，而考虑后续膜层堆叠对膜厚测试的影响，PVX1和PVX2的膜厚测试样品为白玻璃上PECVD沉积的单膜，测试结果分别简称为PVX1 THK和PVX2 THK。为保证测试的准确性，膜厚测试的样品成膜条件、所用的设备和腔室均与2.1章节所述的基板逐层保持一致。

3 实验结果及讨论

3.1 SiNx膜厚对u′的影响

图3为u′与各层SiNxTHK的散点分布图，从大体趋势上看，u′与PVX1 THK无明显的分布关联性，与PVX2 THK和GI剩余厚度有一定的线性关系，而在图3(a)中还看到，u′随着GI剩余厚度的增加分布变的愈加发散，尤其是在>350 nm的区间。由此可见，GI，PVX1和PVX2虽然同为SiNx材质，但THK-u′的趋势上看，三者还是存在很大的区别的。

为确保TFT特性的需求，各层SiNx沉积的条件和需要的规格存在很大的差异[8]，表1列举了GI，PVX1和PVX2成膜参数和物理参数(ε介电常数，n折射率，T透过率)的对比，其中GI由高速沉积的和低速沉积两部分膜层组成(以下分别简称为GH和GL)。结合数据可看到PVX1的膜厚最薄、n值最大，但其趋势性最不明显，区间内各THK下u′分布的上限和下限差异不大；而n值较小的GI和PVX2两层对应的SiNxTHK和u′可见一定的线性关系，其中PVX2 THK趋势性最为明显，而GI剩余厚度的趋势性弱于PVX2 THK的主要原因推测是GH和GL存在一定的光学差异：在TFT SD层制作过程中，通常GI剩余厚度集中在320～370 nm区间，而沉积的GH厚度为350 nm，即当GI剩余厚度大于350 nm时，此时的GI剩余厚度很可能是GH和GL的复合膜。由于GH和GL的光学特性本身就存在差异，因此二者在不同厚度组合的下整体光学差异更为明显和不可控[9-10]，这也能解释为何GI剩余厚度越大，u′分布越发散，并且在350 nm后愈发明显。

图3 u′与各层SiNx THK的散点图。(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成膜参数和物理参数的对比Tab.1 Comparison of each SiNx layer with deposition parameter and physical parameter

3.2 SiNx膜厚对v′的影响

图4为v′与各层SiNxTHK的散点分布图，从图中的分布趋势看，v′与各层SiNxTHK未见有较强的相关性，各个SiNxTHK下，v′分布的上下限都没有太大的变化，因此我们认为v′与SiNxTHK没有太大的关联性，针对膜层对TFT WCU影响可能更多的是集中在u′参数上。

图4 v′与各层SiNx THK的散点图。(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 面内SiNx膜厚差异对Δu′v′的影响

单个面板内12个点位的THK[max]与THK[min]的差值为各层的ΔTHK，从中可以得到Δu′v′(即TFT WCU)与各层SiNxΔTHK的散点分布图，如图5可以看出，PVX2 ΔTHK与Δu′v′的线性趋势最为明显，其对TFT WCU的影响表现的最为直接，即面内PVX2 ΔTHK越小，相应的TFT WCU的结果越佳。从u′和v′与SiNxTHK的趋势看，GI剩余厚度和PVX2 THK二者都是相似的，但从ΔTHK与Δu′v′的关系看，二者差异较大，推测还是由于GI剩余厚度大于350 nm时可能存在GL层造成的，即考虑到基板内均一性的工艺波动，对应350 nm左右的GI剩余厚度下，既有可能是GH的单膜，也有可能是各组厚度组合的GH和GL复合膜，光学特性差异大，最终造成Δu′v′的离散和不可控，而PVX2一直是单层膜结构，特定厚度下光学特性稳定，整体上看呈现出较好的ΔTHK- Δu′v′线性关系。PVX1同样为单层膜结构，但其整体厚度只有100 nm，且最大ΔTHK不到6 nm，面内厚度均一性明显优于GI和PVX2，因此PVX1THK层对WCU的影响相对最不明显，u′、v′和Δu′v′均无明显的趋势性。

图5 Δu′v′与各层SiNx ΔTHK的散点图。(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

综合前文所述，PVX1 THK与u′，v′和Δu′v′关系均不明显；对于GI剩余厚度，若其过厚，由于GH和GL膜层间的差异会导致u′和Δu′v′的离散。PVX2 THK与u′的线性关系明显，且面板内PVX2 ΔTHK越小，相应的Δu′v′的数值就越低。因此，对于GI层改善的方案为增加干法刻蚀的刻蚀量，降低整体GI剩余厚度，以避免像素区GL层的存在，即增加有源层刻蚀和N+层刻蚀的干法刻蚀时间使得GI层多被刻蚀约25 nm，最终的GI剩余厚度的最大值小于350 nm，中心值在325 nm的水平；对于PVX2层，需要尽量减少面板内厚度的差异，相应的改善方案膜厚降低，即在满足设计需求的前提下(如充电率，Cst等)，根据PVX2成膜速率折算并降低PECVD的沉积时间，使得厚度中心值由200 nm降低至150 nm。

图6为改善前后基板内80片面板的TFT WCU分布图，为取得更佳的效果，我们的改善措施综合了前述的两项改善方案，从中可以看出，通过同时降低GI剩余厚度和PVX2 THK的中心值分别至325 nm和150 nm，TFT WCU整体均值可降低约0.000 7，基板内各面板的分布更加均匀，最大值由改善前的0.007 0降至改善后的0.005 2，从而满足了最大值≤0.005 5的管控规格，改善效果明显。

图6 改善前后TFT WCU数值对比Fig.6 TFT WCU value comparison of before and after improvement

4 结 论

通过分别测试相同点位下SiNxTHK与TFT WCU的数值，分析了u′，v′和Δu′v′分别与GI剩余厚度，PVX1 THK和PVX2 THK的匹配关系，明确了TFT WCU与各层SiNxTHK的关联性为PVX2 THK>GI乘余厚度>PVX1 THK。对于TFT WCU的优化方案，一方面可根据3.3章节中的PVX2 ΔTHK与Δu′v′线性关系，降低PVX2整体膜厚，Δu′v′也相应降低；另一方面可根据3.1章节中的GI剩余厚度与u′散点图，增加SD HT工艺的过刻量，避免GL层的残留造成的GI膜层光学特性的波动。通过组合上述两个改善方案，使得基板内80 面板的最大值降到了≤0.005 5的规格范围内，成功优化了TFT WCU的整体水平，进一步提升了产品品质。