TFT-LCD HADS显示模式下黑白Mura机理研究及设计优化

郑箫逸， 袁 帅， 崔晓鹏， 林鸿涛， 陈维涛， 薛海林， 邵喜斌

(北京京东方显示技术有限公司，北京 100176)

1 引 言

显示器作为人机交流的界面，承载着大量的信息传递的功能。LCD在中小尺寸的市场已经确立了不可动摇的地位，近几年随着平板电脑的发展，小巧、轻便、快捷等优点使得它迅速占领市场，得到广泛应用。以触摸屏作为基本的输入设备，对画面品质提出了更高的要求，以高开口率高级超维场转换技术(High aperture advanced super dimensional switching，HADS)为代表的TFT-LCD产品，具有高开口率、高分辨率、高透过率、宽视角可达178°的优势特点，已被广泛地应用在高端产品[1-3]。

实际生产过程中，Mura类不良对显示品质有很大影响。Mura主要表现为有效显示区域内亮度或者颜色显示不均匀。关于Mura的产生原因，大致可以分为电学性和光学性两种。其中，光学性Mura是指由液晶分子排布、液晶分子纯度、液晶盒厚或彩色滤光片颜料纯度、比例及树脂材料和厚度等等光学因素导致的显示画面灰度不均匀造成各种痕迹的现象；而电学性Mura是指在显示区域中，局部位置亚像素的电压与同期正常位置上亚像素的电压存在明显差异导致的灰度不均匀[4-6]。

TFT-LCD HADS显示模式，1stITO作为像素电极(以下简称1ITO)，2ndITO作为公共电极(以下简称2ITO)，两层ITO之间形成电场，液晶在电场力作用下发生相应程度的偏转，从而显示为不同的灰阶。若像素开口区电场是均一的，面板画面显示就是亮暗均一的；若开口区电场不均一、或者不同像素的开口区电场分布不一致，就会导致不同显示区域的亮度不同，形成Mura[7-8]。

本文讨论的黑白Mura即为一种由于1ITO小范围区域内对位偏移程度出现跳变导致的电学性Mura类不良。本文通过研究Mura宏观现象不同表现，测量大量的扫描电镜(SEM)微观数据，从微观到宏观进行机理分析，确定此不良与产品工艺设计、生产工艺条件均相关[9]，最终通过建立模型，进行模拟验证，并给出最优化的设计参数，同时导入优化的工艺参数，对黑白Mura有明显的改善效果，同时为今后产品开发提供了有效设计依据。

2 不良现象描述

本文所述黑白Mura宏观现象表现为黑白不均，主要特征包括：(1)高灰阶可见，L64以下几乎不可见；(2)位置不固定，形状不规则，条状、斑块状均有；(3)正视不明显，侧视明显，且表现为左右视角黑白反转。

图1 黑白Mura宏观现象示意图。 (a)左视角； (b)正视角； (c)右视角。Fig.1 Schematic of black and white Mura. (a) Left viewing angle; (b) Center viewing angle; (c) Right viewing angle.

对现象进行进一步直流确认及电学确认，直流条件下同样可见；像素电压与Vcom电压正负反转，未出现黑白反转。仅点亮背光源不加电条件下，通过转动偏振片，将画面显示为高灰阶，现象不可见。

3 黑白Mura产生原因分析及机理解释

3.1 不良分析

仅点亮背光源不加电条件下，通过转动偏振片，将画面显示为高灰阶，发现现象不可见。由此可大致判断此不良属电学Mura可能性较大。

电路方面对反转方式、扫描方式、驱动能力、频率变化等进行调整，均未发现明显现象变化，因此将重点聚焦在阵列基板各层膜厚及CD(critical dimension)，针对1ITO、2ITO、数据线线宽及彼此之间相对位置关系进行扫描电镜(SEM)测试。由于此不良左右视角黑白存在反转，因此本文以下所说黑、白均代表印刷电路板(PCB)在上，右侧视角观察所呈现的现象。经过SEM制样、扫描、数据量测、数据分析发现，黑/白区域存在较大差异，右视角发黑区域较发白区域1ITO存在明显的偏移跳变。

测试示意图如图2所示，SEM测试选取连续的一段区域，贯穿OK区、黑区、白区、OK区，每个区域拍摄SEM图，测试1ITO、2ITO、数据线线及宽相对位置关系，如图3所示，测量数据见表1。

图2 SEM制样示意图Fig.2 Schematic of SEM sampling

图3 SEM测量位置Fig.3 Schematic of SEM measurement

表1 图3中各数字所代表的距离Tab.1 Representative distance of the number in Fig.3

通过对OK区-黑区(B)-白区(W)-OK区4个区域的数据分析发现，表1所示1～5组数据，黑区、白区对比可知，1ITO与2ITO相对位移关系存在较大差异(表1中1、5)，其余CD值均未见明显差异。

(a)右侧(a)Right

(b)左侧(b)Left图4 1ITO与2ITO 相对偏移数据图Fig.4 Overlay of 1ITO and 2ITO

由图4数据可知，黑区与白区相比较，1ITO↔2ITO(右)偏大0.5 μm，1ITO↔2ITO(左)偏小0.5 μm，1～5数据相加，总和为相邻像素间1ITO间距，因此可判断，1ITO本身CD无异常，而是小范围区域内出现了偏移跳变。为了更加直观地理解此跳变，将黑、白区SEM图拼接在一起观察，如图5所示。

其三，研究方法单一，多元研究方法的比例较低.研究应融合定性、定量等多种方法，弥补单一方法的局限性.如结合前后测数据和访谈调查研究学生认知发展水平现状.

图5 黑区与白区对比图Fig.5 Contrast diagram of black area and white area

从图5可以看出，黑区与白区对比，数据线左右两侧标齐，2ITO左、右边界(实线标记)同样标齐，1ITO(虚线标记)左、右边界均有所偏移，即1ITO与2ITO间相对位移有所偏差，白区较黑区右侧偏小(对应表1中数据1)，左侧偏大(对应表1中数据5)，偏移绝对值相当。

3.2 机理解释

通过前面的分析数据可知，黑区、白区的差异是由于相邻两个区域1ITO与2ITO之间相对偏移量不同导致，下面我们建立模型进行分析。

(a)正常区(a) OK area

(b)非正常区(b) Mura area

(c)侧视角观察(c) Side viewing angle图6 机理分析图Fig.6 Mechanism analysis diagram

如图6所示，1ITO正常的样品，开口区电场是均衡的，左右两边是完全对称的，边缘电场均一。若1ITO出现偏移(图中示例为向右偏移)，则开口区左侧电场减弱，右侧电场加强，因此开口区整体亮度会减弱。右侧视角观察时，强电场被黑矩阵遮挡部分有效区域，弱电场区域被进一步放大，因此亮度更低，现象加重。左侧视角观察，情况相反，强电场被放大，弱电场被遮挡，因此会出现黑白反转。如果不同像素的偏移程度不同，则即使从同一角度观察，亮度也存在差异，可以看到黑白Mura。

4 模 拟

改善此不良有两个方向，一是针对此相对偏移不均一进行改善，加强曝光设备管控，整体提升设备对位偏移(Overlay)管控能力，提升ITO OL均一度；二是提升设计能力，对1ITO、2ITO设计进行调整，提升产品对ITO OL不均一的容忍度，从而降低不良发生率。下面针对1ITO、2ITO设计进行模拟分析。

4.1 1ITO设计优化

图7所示为像素结构截面图，调整1ITO与数据线之间距离，在5.0，5.2，5.4 μm 3种不同距离条件下，模拟1ITO向右偏移0.5 μm，黑矩阵左右两侧开口区透过率差异，模拟区域如图8所示，①、②分别代表黑矩阵左、右两侧区域。

图7 像素结构截面图Fig.7 Sectional diagram of pixel

图8 模拟区域示意图Fig.8 Schematic of simulation

为比较偏移前后的对应模拟区域电场强度的变化，用偏移前后对应模拟区域透过率进行比较，以①区为例，1ITO与数据线距离为5.4 μm时，1ITO向右偏移 0.5 μm，①区电场变强，与偏移之前①区透过率相减，再求比值，即

透过率变化=[透过率(偏移后) -透过率(偏移前)]÷透过率(偏移前)

由于人眼对于相邻区域亮度差异较亮度自身明暗更为敏感，为便于更直观判断1ITO向右偏移后①、②区电场强弱的变化，可用1ITO 向右偏移 0.5 μm之后，①区透过率减去②区透过率，差值与①区透过率求比值，表征1ITO与数据线3种距离条件下，哪个条件①、②区电场强弱差异最小，即为对ITO不均一容忍度较高的条件，即

透过率差异=[透过率(①区) -透过率(②区)]÷透过率(①区)

图9所示为3种条件模拟结果。结果显示：随着1ITO与数据线之间距离减小，偏移后，左右电场强度差异越小，对ITO不均一容忍度越高。

图9 对不均一容忍度随1ITO↔数据线间距关系图Fig.9 Relational diagram of tolerance for nonuniformity and 1ITO ↔Data

4.2 2ITO设计优化

按照4.1 1ITO同样的模拟原理，调整2ITOW/S(W：2ITO宽度；S：2ITO间距宽度)比例，比较1ITO向右偏移 0.5 μm时，①、②区透过率差异，表征电场强弱差异，结果显示(图10)：W+S即总尺寸不变的前提下，随着W减小，S增大，左右电场强弱差异减小，对ITO不均一容忍度提高。

图10 对不均一容忍度随2ITO W/S关系图Fig.10 Relational diagram of tolerance for nonuniformity and 2ITO W/S

5 结 论

本文通过一系列测试与模拟，得出以下结论：

(1)TFT-LCD HADS显示模式下黑白Mura产生原因为黑区、白区1ITO 偏移量存在偏差，导致临近的两区域边缘电场不一致，表现为黑白Mura。

(2)正视角左右强弱电场相互冲抵，现象不明显，侧视角观察，强弱电场一方被遮挡，一方被放大，因此视角转换，黑白反转。

(3) 为了提升产品对1ITO、2ITO OL不均一的容忍度，增加1ITO CD，减小1ITO↔数据线间距，在相同的1ITO 偏移量前提下，左右两侧边缘电场差异明显减小。

(4) 固定1ITO设计值，对2ITO建模验证，2ITO 尺寸(W+S)不变的条件下，减小W，在相同的1ITO 偏移量前提下，左右两侧边缘电场差异明显减小，可提升产品对此不均一容忍度。

经过大量的分析和测量，结合模拟给出的提升产品对不均一容忍度的改善方案，将1ITO与数据线间距由5.4 μm降为5.0 μm，2ITOW/S由2.9/4.6改为2.6/4.9，加上图形的设计尺寸与真实尺寸的整体差异(total pitch,TP)非线性补正以求最佳对位数据，1ITO和2ITO同设备生产，4大条件并举，最终黑白Mura不良比例由最高时的14.2%降为目前0.2%左右，A级率提升10%以上，提升客户满意度，为产品盈利做出贡献。本文针对高PPI产品发生的Mura不良所提出的设计优化方法、以及模拟分析方法，为以后的TFT-LCD的产品设计以及不良解析、性能改善，均具有重要的指导意义。