[一种用于增加制程范围的新型ＦＦＳ液晶显示器件结构]对重越程距距离范围

　　摘要：FFS (fringing field switching) 技术作为三大主流广视角液晶显示技术之一，与IPS/VA相比有高开口率的优势。 然而由于其存储电容易受制程偏移的影响而较容易产生显示不均，因此在制造过程中对设备精度要求十分严格。本文介绍一种新的FFS器件结构，能很大程度上降低由于制程偏移造成的显示不均。
　　关键词：边缘切换；回踢电压；制程偏移
　　中图分类号：TN141.9文献标识码：A
　　
　　A New Structure of FFS TFT-LCD for Process Margin Enlargement
　　
　　MAO Lian-bo, QIAO Yan-bing, DAI Wen-jun, LI You-jun, Peter Liao, DC Chung, TS Jen
　　(Infovision Optoelectronics (Kunshan) Co., Ltd, Jiangsu 215301, China)
　　
　　Abstract:As one of popular wide viewing angle display technology, FFS TFT-LCD had the advantage of high aperture ratio as compared to IPS and VA. But FFS mode always appears the display non-uniformity phenomena when its storage capacitance affected by the process variation, so it has rigid requirement to the manufacturing apparatus. This paper has presented a new FFS structure which could decrease the defects ratio that caused by the process variation.
　　Keywords: fringe field switching (FFS)；kick-back voltage; process variation
　　
　　1引言
　　
　　边缘场切换(fringe field switching，FFS) 技术作为三大主流广视角液晶显示技术之一，与共面开关转换（in-plane-switching，IPS）以及垂直阵列（vertically aligned,VA）技术相比有高透光效率、高对比度、高亮度、低色差等优势。但它的存储电容Cst的大小受制程偏移的影响会造成像素电位差ΔVp（又称回踢电压，kick-back voltage）面内分布的差异，从而引起亮度不均，因此对制程精度要求非常之高。本文介绍了一种新的像素设计方法，可以控制回踢电压，达到有效改善产品的闪烁、残影以及问云纹(mura)等问题的目的，也可以在一定程度上起到增加制程范围的作用。
　　2FFS 工作原理及像素结构
　　
　　FFS是为了改善IPS水平电场驱动时开口率小、透过率低等缺点而发展的一种显示技术[1]。与IPS相比，它主要降低了电极间的距离，使调变液晶分子的电场以边缘电场为主。图1为IPS与FFS两种类型LCD操作原理比较图[2]。
　　与IPS技术利用水平电场相比，FFS是利用电场的边缘效应(fringing effect)，这让像素区内更大面积的液晶可以受控，若采用透明电极取代IPS结构中的金属电极，增大开口率，可以获得与TN型LCD相当的透过率。图2为TN、IPS与FFS三种类型LCD的透过率比较图，通过此图同时可以看到，FFS-LCD的饱和透过率(transmittance-saturation)的电压范围也比IPS-LCD要大[3]。
　　图3为一个典型的FFS像素结构的截面图，其等效电路图如图4所示。
　　
　　3普通FFS技术的显示亮度不均问题
　　
　　液晶显示器的亮度取决于加于液晶的均方根电压，因此像素电压越大，透过率就越大，亮度也就越高。如果液晶显示器出现面内像素电压分布不均，就会造成亮度的显示不均。影响像素电压的主要因素有TFT的充电能力，TFT的漏电流大小，以及kick-back 电压。其中，可以通过增大TFT尺寸使之获得足够的充电能力；选择合适的Vgl可以有效抑制漏电流的大小；但由于蚀刻均一性差异造成的kick-back电压差异却很难进行有效控制。虽然通过增加Cst可以同时控制漏电流和kick-back电压，但会影响到TFT的充电能力，而TFT尺寸不可能无限制增大，因此如何有效控制液晶面板面内kick-back电压分布成为面板设计一个重要的研究课题。
　　其中，由图4可以推导得到kick-back的近似计算公式为：
　　
　　对一种FFS-LCD而言，kick-back电压中的Cgs大小取决于M2（不同层）的CD/OVL,受制程影响变化较小；Vgh与Vgl均为一定值；因此Cst与Clc成为影响ΔVp的主要因素。从图3可以看出，FFS的Cst与Clc两者电容大小直接取决于像素电极pixel ITO的尺寸，FFS的像素电极是由许多条slit ITO组成的，slit尺寸和各slit之间的间距都非常小（通常只有5~7μm），而这种结构恰恰对ITO的蚀刻过程的 CD loss非常敏感，当显示区域的ITO在蚀刻过程中CD loss分布有差异时会造成面内回踢（kick-back）电压产生较大差异，从而造成面内显示亮度不均。
　　
　　4改善FFS面内kick-back分布不均的方法与实验结果
　　
　　 为了解决上面所提到的问题，我们提出了在栅极线上另外引出与M2相连的ITO电极，增加会随ITO蚀刻制程发生改变的Cgs，其结构与显示区内电极结构相仿，用于平衡在同一制程中随之变化的Cst与Clc，达到可以减小kick-back面内分布差异的目的。我们提出的新的FFS像素结构与传统的像素结构对比如图5所示。A-A"与B-B"的截面图分别为图3与图6。
　　
　　 在新的结构中，kick-back电压的计算公式如下：
　　
　　其中Cgs1为新的像素设计中，栅极线上引进新的ITO电极所增加的电容。当ITO蚀刻时CD发生变化，Cgs1、Cst和Clc一起发生改变，且变化的趋势应该是一致的，即Cst与Clc增加时Cgs1也会随之增加，这样所引起的面内ΔVp差异会大大减小，从而可以给制程提供更大的操作范围。
　　我们用SPICE模拟了图5中两种像素结构在ITO CD loss变化时所造成的ΔVp差异。以制程无偏差（CD bias =0）为参考，分别对当CD bias为 -0.5、-0.25、0.25、0.5μm时的ΔVp 所产生的偏移量进行了比较。
　　表1为普通FFS结构的结果，从中可以看到，当CD发生偏移达到+/-0.5μm时，ΔVp与制程无偏时相比分别减小16.35% 和增加了25.08%。
　　表2为改进后新的FFS像素结构的模拟结果，当CD偏移值同样为+/-0.5μm时，ΔVp与制程无偏时相比分别只减小4.86% 和增加了8.16%，这大大低于改善前的数值。
　　表3为从生产车间的SPC系统中提取的某一产品在一段时间里ITO的CD数据，可以看到在x与y两个方向的3σ都比较接近模拟的最大值+/-0.5，这说明若在制程不变的情况下，若用于生产，FFS-LCD极易出现较严重的面内亮度不均情况。
　　
　　5结论
　　
　　本文从设计的角度提出了改善FFS TFT-LCD面内ΔVp分布不均的方法，即在栅极线上增加一随制程变化的Cgs电容；并用仿真的方法验证了这一方法的可行性。ΔVp分布的改善一方面可以提高工厂制程的抗变能力；另一方面也能有效减小产品的Flicker，残影及mura等方面的性能，使产品更有竞争力；而且这一改善不会产生成本提高以及良率降低等负面效应。
　　
　　参考文献:
　　[1] S.H. LEE, S.L. Lee, I.C. PARK. Liquid crystal display having high aperture ratio and high transmittance and method of manufacturing the same[P]. US PATENT: 6281953.
　　[2] 纪国钟，郑晃忠. 液晶显示器技术手册[M]. 台湾电子材料与元件协会，2004.省略。
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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