非接觸式配向工藝(光配向工藝)Zara Particle不良產(chǎn)生機理分析及改善方向研究

合肥京東方光電科技有限公司 張 龍 陳霖東 江 橋 陳維誠 劉俊豪

非接觸式配向工藝(光配向工藝)Zara Particle不良產(chǎn)生機理分析及改善方向研究

合肥京東方光電科技有限公司 張 龍 陳霖東 江 橋 陳維誠 劉俊豪

目前在TFT-LCD生產(chǎn)中最為廣泛運用的配向技術(shù)是摩擦配向（Rubbing alignment）法。光配向工藝以非接觸式配向正在逐漸取代現(xiàn)有的摩擦配向方式，其配向原理及材料與摩擦配向方式有著本質(zhì)區(qū)別。光配向使用PI Ink需要在Coating固化以后再次進行斷鏈和重組，并且需要將斷開分子鏈進行去除。由于其分解特性及斷開分子鏈的去除效果、固化后膜層與CF側(cè)PS間摩擦擠壓都與盒內(nèi)產(chǎn)生Zara相關(guān)，隨著行業(yè)內(nèi)對產(chǎn)品品質(zhì)需求的提高，客戶對Zara不良的容忍度也在一度降低。通過對Oven條件(斷鏈分子的去除)和Polish條件(PS對PI膜層摩擦擠壓)進行測試，找出最佳斷鏈去除條件以及摩擦擠壓條件，為后續(xù)光配向量產(chǎn)尋找可靠條件，降低Zara發(fā)生率。

非接觸式配向；光配向；Zara Particle

一、前言

（一）背景

為解決傳統(tǒng)摩擦方式配向帶來的不良影響，非接觸式配向工藝領(lǐng)域取得了很大的進展。目前非接觸式配向方式主要分為三類：曝光異構(gòu)化、曝光二聚化以及曝光降解。在行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用的模式為曝光降解方式，此類非接觸式配向依靠紫外光對PI膜層進行分解，然后利用高溫將分解后斷裂的分子鏈進行揮發(fā)[3]。

這種方式自然也存在其弊端，紫外光強度影響分子鏈斷裂程度、固化溫度和時間影響斷裂分子鏈的揮發(fā)程度。另一方面，手機、平板電腦以及電視品牌客戶需求面板超薄化，面板的減薄工藝必然進行。TFT面板上下層(TFT，CF)依靠封框膠固定，PS進行支撐。當(dāng)前的減薄工藝主要為使用HF酸進行蝕刻，完成后通過拋光的方式對表面減薄不均點進行打磨，消除表面外觀不良。在拋光過程中勢必產(chǎn)生壓力使得面板內(nèi)支撐PS對TFT基板表面PI膜面造成磨損，進而產(chǎn)生細(xì)小碎屑最終聚集為Zara Particle不良。部分條件下Zara Particle發(fā)生率可達(dá)80%以上，對產(chǎn)品品質(zhì)影響巨大。

圖1 Zara Particle在顯微鏡下現(xiàn)象

（二）目的

通過對曝光條件(斷鏈分子的去除)和Polish條件(PS對PI膜層摩擦擠壓)進行測試，找出最佳斷鏈去除條件以及摩擦擠壓條件，為后續(xù)光配向量產(chǎn)尋找可靠條件，降低Zara發(fā)生率，提高工藝能力。另一方面，對此類不良的重要影響材料PI ink成分進行改進，準(zhǔn)確拿捏PI ink的曝光強度以及固化條件，既能使斷裂分子鏈完全揮發(fā)又能保證一定的耐磨強度，才能有效降低Zara Particle的發(fā)生。產(chǎn)品減薄拋光是影響Zara Particle的重要因素，制定拋光測試條件并選取最佳條件應(yīng)用。

二、工藝條件對不良產(chǎn)生機理分析

（一）紫外光強度、固化溫度、固化時間對Zara Particle產(chǎn)生影響程度測定

1.光配向工藝原理

隨著手機產(chǎn)品以及穿戴體驗的迅速發(fā)展，各高世代TFT產(chǎn)線都在進行小型化轉(zhuǎn)型，由于摩擦工藝的不均和劃傷問題，致使傳統(tǒng)摩擦配向工藝造成大量不良成為成本浪費。

相比摩擦工藝使用的PI ink，光配向用PI ink中添加有具有感光成分的基團，在一定的紫外光光強照射下，基團便會斷裂[1]。根據(jù)這種特點，使用特定的線柵使紫外光偏振形成紫外偏振光，在偏振光方向的PI分子鏈會吸收較多的光照量，當(dāng)累積吸收的光照強度達(dá)到一定值時，分子中連接部分的基團便會斷裂，PI分子鏈形成一些小分子分散在基板表面。從與偏振光平行方向至垂直方向，偏振光的光照量逐漸減少。

圖2 沿偏振光方向分子鏈吸收光照[1]

如圖1所示，與偏振光方向平行，同等照射條件下吸收的累積光量高，能量達(dá)到時基團發(fā)生斷裂，分裂成為小分子[2]。

圖3 非偏振光方向分子鏈不易吸收降解[1]

如圖2所示，與偏振光方向垂直，同等照射條件下吸收的累積光量低，無法達(dá)到基團斷裂必須的累積光照量條件，光照后無變化保留下來[2]。

光照完成后，斷裂的小分子依然存在于基板表面。利用斷裂小分子易于揮發(fā)的特點，使用高溫爐進行加熱，使表面小分子揮發(fā)，只留下未發(fā)生斷裂的分子鏈。整個基板表面的PI膜面就表現(xiàn)出了整體沿著偏光方向垂直方向的方向性，可以進行液晶分子的定向有序排列。圖3，4，5表示了從PI ink涂敷至配向完成各個階段的PI分子鏈排布示意。

圖4 涂覆的PI分子分布

圖5 光照后PI分子狀態(tài)

圖6 固化后PI分子有序性分布

2.累積光照量對Zara Particle產(chǎn)生影響程度的測定

累積光照量是影響PI分子鏈分解的重要條件。累積光照量越大，PI分子鏈分解的程度越高。針對這個條件，制定了單獨累積光照量條件的測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖6測試結(jié)果顯示，低/中/高累積光照量強度下，中度照射量強度Zara程度最重，目鏡下Zara等級0.16，肉眼可見Zara等級0.78，反而低和高累積光量下現(xiàn)象較為輕微。隨著累積光照量的增加，Zara Particle不良并未有增長趨勢。在高累積光量條件下，與偏振光方向垂直的PI分子鏈斷裂為易揮發(fā)的小分子，在后續(xù)工藝過程中正常揮發(fā)；反而在累積光照量不足的低和中度條件下，分子鏈并未徹底分解為易揮發(fā)的小分子，所以未能在二次固化條件下?lián)]發(fā)，最終形成Zara Particle。中低度累積光照量的條件下，隨累積光照量增加，Zara Particle不良發(fā)生率呈現(xiàn)出了增長趨勢。在這個條件區(qū)間內(nèi)，PI分子鏈的分解程度逐漸增加，但是由于仍未達(dá)到PI分子徹底分解的累積光照量，導(dǎo)致各個方向PI分子鏈分解程度不一，顯現(xiàn)為Zara Particle高發(fā)生率的現(xiàn)象。

圖7 不同曝光強度下 Zara 不良狀況

累積光照量影響PI分子鏈的斷裂的程度，光照量越大，PI分子斷裂的越多越徹底，從這個層面講累積光照量越大越好；在達(dá)到這個累積光照量后，過多的光照量則會使垂直偏振光方向的PI分子鏈更多的分解，一方面影響產(chǎn)品的配向能力，另一方面浪費更多的能量。在對產(chǎn)品配向能力的確認(rèn)中，增加了累積光照量與產(chǎn)品對比度的對比。表1測試結(jié)果如下：

表1 累積光照量對對比度影響

圖8 累積光照量對對比度影響

圖7 測試結(jié)果明顯在高曝光量后對比度數(shù)據(jù)下降，在經(jīng)過對PI配向性能力確認(rèn)后，輸出最佳累積光照量為高曝光量。

3.二次固化溫度對Zara Particle產(chǎn)生影響程度的測定

圖9 不同二次固化溫度下 Zara 不良狀況

根據(jù)圖8不同二次固化溫度下Zara不良狀況并從光配向工藝原理上推測，高溫爐溫度越高，在基板上殘留斷裂分子鏈的數(shù)量越少。

在進行的高溫爐溫度測試中，測試結(jié)果反映了隨溫度升高，Zara Particle變少變輕的趨勢。結(jié)果與原理推測相同，在低固化溫度下目鏡Zara等級0.12，肉眼可見Zara等級1.32，程度最重；高溫度下目鏡Zara等級0.04，肉眼可見Zara等級0.12，程度最輕。

實際上并非二次固化溫度越高越好，TFT基板和CF基板均需要進行此項固化工藝。對于兩種基板而言，有些膜層在受到高溫的烘烤后，會發(fā)生劣化分解，導(dǎo)致整個產(chǎn)品失效。所以在進行二次固化溫度的選擇時，也必須同時考慮各種基板膜層可耐受的最大溫度，才最為合適。考慮到這點，可選擇二次固化溫度設(shè)定為中。

4.二次固化時間對Zara Particle產(chǎn)生影響程度的測定

圖10 不同固化時間下 Zara 不良狀況

圖9 顯示隨二次固化時間增加，Zara Particle不良下降。

理論上，固化時間越長越好，殘留小分子鏈的揮發(fā)程度越高。在揮發(fā)到“中”后，Zara Particle等級已經(jīng)沒有明顯下降趨勢，說明在當(dāng)前的固化溫度下，已經(jīng)無法繼續(xù)揮發(fā)殘留PI分子。考慮到工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)能問題，選取能夠去除殘留小分子的最短時間作為工藝條件。

（二）光配向工藝最優(yōu)搭配選擇

在各項光配向工藝條件對Zara Particle影響的測定中已經(jīng)有初步結(jié)果。針對Nissan-A款PI ink，累積光照量：高曝光量；二次固化溫度：中固化溫度；二次固化時間：中固化時間，是按照測試結(jié)果選定的最佳工藝條件。

從上面的測試結(jié)果可以看出，累積光照量減少，PI分子鏈斷裂越不徹底，殘留的斷裂的分子鏈越不易清除；二次固化溫度越高，時間越長，對PI分子鏈的去除能力越強。所以，在特定的情形下，可根據(jù)需要對各項參數(shù)進行調(diào)整。例如，需要降低能量消耗、提升產(chǎn)能就要降低累積光照量，此時若要避免Zara Particle不良發(fā)生，就需要調(diào)整二次固化溫度和時間來增強殘留分子鏈的去除能力，使其完全揮發(fā)。

（三）材料特性及不良機理分析

隨著光配向技術(shù)在TFT行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，越來越多的PI ink開發(fā)完成并進行推廣。降解式光配向工藝其Zara Particle產(chǎn)生原理是在特定的累積光照量下，PI分子鏈不能徹底分解為小分子進行揮發(fā)。針對Nissan-A和Nissan-B 兩種PI ink進行了Zara Particle不良的確認(rèn)，不良程度有了很大幅度的下降。

圖11 不同PI類型 Zara 不良狀況

圖12 Nissan-B PI分子結(jié)構(gòu)[1]

圖13 Nissan-A PI分子結(jié)構(gòu)[1]

如圖10中所示，Nissan-A較Nissan-B有著明顯的下降趨勢。到底是什么原因?qū)е聝煞NPI ink之間產(chǎn)生的差異呢？這要從PI分子的結(jié)構(gòu)說起，Nissan-A和Nissan-B分子結(jié)構(gòu)如下圖，紅色方塊結(jié)構(gòu)為降解反應(yīng)特殊基團，青色橢圓結(jié)構(gòu)為紫外光吸收基團。相比Nissan-B，Nissan-A增加了紫外光吸收基團，使得Nissan-A更容易吸收紫外光并進行降解反應(yīng)，一方面需求的累積光照量降低，另一方面，PI分子鏈更容易降解為易揮發(fā)的小分子，減少殘留大分子的比例，最終降低Zara Particle的發(fā)生。圖11中Nissan-B分子結(jié)構(gòu)一個吸收基團對應(yīng)一個降解基團，而圖12中Nissan-A則增加了兩個吸收基團對應(yīng)一個降解基團，更容易降解為小分子[1]。

（四）外觀拋光對Zara Particle不良產(chǎn)生影響確認(rèn)

在產(chǎn)品刻蝕減薄后，需要進行拋光對表面刻蝕不均勻處進行修復(fù)。在基板對盒以后，CF基板上的PS起支撐作用，在拋光過程中不可避免將會與TFT側(cè)PI膜面進行擠壓。根據(jù)拋光工藝條件，制定測試條件。測試結(jié)果如圖13所示：

圖14 不同拋光條件Zara不良狀況

只有在最重拋光條件下，才有大量Zara Particle發(fā)生?？傻贸鼋Y(jié)論，只有在拋光壓力和拋光時間達(dá)到一定程度后，Zara Particle才會高發(fā)。此時再通過各種拋光條件的外觀良率確認(rèn)最佳拋光條件。

結(jié)論

從接觸式配向升級為非接觸式配向， 摩擦配向方式的詬病，摩擦不均勻、膜面劃傷以及Zara Particle等不良一直未得到有效改善，光配向工藝從設(shè)計初始就避免了不均勻以及劃傷，若在Zara Particle不良上有明確改善方向，必然會完全取代傳統(tǒng)摩擦配向方式，成為TFT領(lǐng)域中主流配向工藝。

從光配向工藝條件看，主要影響Zara Particle的參數(shù)為累積光照量、二次固化溫度及二次固化時間。累計光照量影響PI分子鏈的降解程度，隨累積光照量增加，PI分子鏈的降解比例越高，其降解為小分子的能力越強；二次固化溫度決定PI材料降解的小分子揮發(fā)的程度，溫度越高，小分子越容易揮發(fā)；二次固化時間決定降解后殘余小分子的揮發(fā)程度，時間越長，小分子揮發(fā)越徹底。

影響光配向工藝產(chǎn)生Zara的原因還有減薄工藝的拋光條件，隨拋光條件加重，存在一個拋光強度臨界點，Zara Particle不良高發(fā)。所以，確認(rèn)Zara Particle高發(fā)的臨界拋光工藝條件是制定最佳拋光條件的關(guān)鍵。

對于光配向使用的PI ink來說，其在光照下的降解程度、降解的小分子的揮發(fā)性將決定著Zara Particle不良的發(fā)生狀況。從材料設(shè)計上講，若要改善Zara Particle不良，需要增強PI分子鏈降解程度，降解部分的PI分子鏈更加敏感，而保留部分的PI分子鏈要更有惰性；降解的小分子揮發(fā)所需的條件則需要降低，使其在更低的溫度、更少的時間內(nèi)完全揮發(fā)。

[1]Nissan Chemical Materials Research Lab． Introduction of newly developed photo-alignment materials[R/MK]． 2015．

[2]Ushio電機株式會社光工藝事業(yè)部． IPS/FFS用長弧光取向設(shè)備技術(shù)介紹資料[R/MK]． 2013．

[3]李文欽 陳嘉明 李政道．光配向材料與技術(shù)發(fā)展[J]．工業(yè)材料雜志，1992(199):1-10．