一種適用于TFT LCD開機(jī)Mura改善的TP定向補(bǔ)正研究

高雪松 薛婕 蔣遷 王恒英 龐華山

摘 要：薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）由薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）和彩色濾光膜（Color Filter，CF）經(jīng)過對(duì)盒工藝（Cell）制作而成。兩類面板對(duì)盒過程中的相對(duì)偏移精度（Alighment Inspection，AI）是保障產(chǎn)品顯示品質(zhì)的重要指標(biāo)，而AI由兩類面板的曝光精度（Total Pitch，TP）共同決定。文章主要進(jìn)行了CF TP與開機(jī)Mura不良的機(jī)理分析與改善研究。通過CF工藝制程對(duì)CF TP影響的深入分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)得到了一種可定向補(bǔ)正的CF TP Design優(yōu)化方法，可有效實(shí)現(xiàn)開機(jī)Mura不良的定點(diǎn)改善，不良率由9.17%降至0.10%以下。相對(duì)于傳統(tǒng)補(bǔ)正方法，該方法具有定向性、快速性、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，可推廣運(yùn)用于其他與CF TP對(duì)位精度有關(guān)的不良改善中。

關(guān)鍵詞：彩色濾光膜；曝光精度；定向補(bǔ)正

中圖分類號(hào)：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）26-0012-04

Abstract： The thin film transistor liquid crystal display （TFT-LCD） is made of thin film transistor （TFT） and color filter film （CF） by cell technology. The alignment inspection （AI） of the two kinds of panels is an important index to ensure the display quality of the products， and AI is determined by the total pitch （TP） of the two kinds of panels. In this paper， the mechanism analysis and improvement of bad CF TP and Mura boot are studied. Through the deep analysis of the influence of CF process upon CF TP and the experimental verification， an optimization method of CF TP Design with directional correction is designed， which can effectively realize the bad fixed point improvement of starting Mura， and the failure rate is reduced from 9.17% to less than 0.10%. Compared with the traditional correction method， this method has the advantages of directivity， rapidity and accuracy， and can be popularized and applied to other bad improvements related to the alignment accuracy of CFTP.

Keywords： color filter film； exposure accuracy； directional correction

引言

近年來，隨著人們對(duì)于顯示設(shè)備越來越高的要求，薄膜晶體管液晶顯示器（簡(jiǎn)稱TFT-LCD）憑借其小體積、低能耗、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)已成為顯示市場(chǎng)主流[1]。為了增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和客戶滿意度，就需要提高產(chǎn)品品質(zhì)，減少產(chǎn)品顯示不良。TFT-LCD常見的品質(zhì)不良包括重力Mura、Touch Mura、開機(jī)Mura等[2-3]。Mura指TFT-LCD各種色斑類不良的總稱，即顯示出現(xiàn)灰度不均一的現(xiàn)象[4]。在Mura中，開機(jī)Mura指顯示器開機(jī)瞬間部分區(qū)域顯示異常的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響客戶體驗(yàn)，是急待解決的品質(zhì)問題。TFT-LCD由薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）和彩色濾光膜（Color Filter，CF）經(jīng)過對(duì)盒（Cell）制作而成，對(duì)盒過程又包含PI、Rubbing、Assy等工藝[5]。其中，Rubbing工藝的主要作用是對(duì)面板表面的PI液進(jìn)行摩擦以確定液晶取向，由于TFT面板表面存在電極Pattern，導(dǎo)致Rubbing過程電極的背面存在Rubbing弱區(qū)（簡(jiǎn)稱Rubbing Shadow），這類弱區(qū)的PI液摩擦就會(huì)不充分進(jìn)而影響后續(xù)的液晶取向和偏轉(zhuǎn)[6]。當(dāng)此類液晶偏轉(zhuǎn)異常被暴露就會(huì)形成開機(jī)Mura不良，因此如何通過CF TP優(yōu)化，利用CF面板有效遮擋TFT側(cè)Rubbing Shadow是不良改善的關(guān)鍵。

CF TP是監(jiān)控曝光位置精度的重要參數(shù)，表示曝光實(shí)際位置與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)位置之差。監(jiān)控方法為，CF首道BM工藝制作時(shí)，在面板固定位置曝光形成方形Mark，然后測(cè)量該Mark實(shí)際中心位置與設(shè)計(jì)中心位置的坐標(biāo)差異（包含X和Y兩個(gè)方向），差異數(shù)值即為BM TP。BM工藝曝光形成的Mark，經(jīng)過后續(xù)工藝烘烤，會(huì)有進(jìn)一步收縮，此時(shí)測(cè)量的TP為產(chǎn)品的Final TP。當(dāng)CF與TFT面板對(duì)盒，CF Final TP出現(xiàn)偏移時(shí)，可以通過BM TP補(bǔ)正加以調(diào)整。

本文依托8.5代工廠21.5 Inch產(chǎn)品開機(jī)Mura不良案例，通過對(duì)開機(jī)Mura不良實(shí)物分析、特性數(shù)據(jù)測(cè)量和不良機(jī)理模擬，確認(rèn)了開機(jī)Mura不良高發(fā)與CF TP相關(guān)性；通過對(duì)CF BM TP～Final TP變化規(guī)律研究，設(shè)計(jì)得到一種新型TP定向平移補(bǔ)正的方法；通過Shot別定向量化補(bǔ)正，有效完成不良改善，并為其他TP相關(guān)不良提供了快速、準(zhǔn)確的改善方向。

1 不良成因分析

1.1 現(xiàn)象描述

21.5 Inch產(chǎn)品L0點(diǎn)燈畫面下，Panel開機(jī)瞬間，左側(cè)出現(xiàn)貫穿豎條狀白色Mura，Mura隨點(diǎn)燈時(shí)間延長(zhǎng)逐漸消失，不良現(xiàn)象如圖1所示；且不良在Glass上5列具有Mapping集中性，需重點(diǎn)調(diào)查5列Panel與其他列Panel的特性差異。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為確認(rèn)開機(jī)Mura不良區(qū)域與正常區(qū)域的相關(guān)參數(shù)異常點(diǎn)，尋找改善方向，本實(shí)驗(yàn)優(yōu)先對(duì)不良Panel進(jìn)行了盒厚（Cell Gap）和液晶扭轉(zhuǎn)角（Twist Angle）測(cè)試，但Mura區(qū)與正常區(qū)特性未見明顯區(qū)別，表明該不良非對(duì)盒形成的Gap性不良。之后，利用顯微鏡對(duì)不良區(qū)域微觀現(xiàn)象進(jìn)行觀察（圖1右側(cè)），發(fā)現(xiàn)不良區(qū)域的像素左側(cè)存在明顯漏光，而正常區(qū)域無此現(xiàn)象，確認(rèn)此次開機(jī)Mura發(fā)白主要與像素漏光有關(guān)。因此深入研究TFT、CF兩側(cè)面板對(duì)位是否存在偏移導(dǎo)致像素漏光，對(duì)兩側(cè)面板的對(duì)位精度（AI）進(jìn)行調(diào)查。測(cè)量時(shí)，以TFT為基準(zhǔn)，測(cè)量了CF相對(duì)TFT的偏移程度，結(jié)果如圖2（a）所示。從中可以看出，CF面板5列Panel相對(duì)TFT X方向存在明顯內(nèi)縮。進(jìn)一步調(diào)查CF本身曝光精度，發(fā)現(xiàn)CF TP相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模板就存在內(nèi)縮的現(xiàn)象（圖2（b）藍(lán)框區(qū)域）。對(duì)比不良高發(fā)5列Panel與非高發(fā)1列Panel的TP數(shù)值，發(fā)現(xiàn)5列Panel Final TP X方向存在多點(diǎn)超Spec的情況（表1），而1列Panel Final TP均Spec In，即表明不良區(qū)域的對(duì)位偏移為CF TP內(nèi)縮導(dǎo)致，不良改善需從CF TP優(yōu)化入手。

1.3 不良機(jī)理

結(jié)合上述分析結(jié)果，對(duì)此次開機(jī)Mura不良的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究。如圖3所示，CF和TFT面板在Cell對(duì)盒前均需經(jīng)過Rubbing工藝對(duì)面板表面的液晶配向膜（PI膜）進(jìn)行摩擦處理，以保證后續(xù)液晶分子滴落面板表面后能按預(yù)期方向擴(kuò)散排布。但是TFT側(cè)面板電極厚，且為金屬材質(zhì)較硬，Rubbing輥軸在滾動(dòng)過程中，會(huì)在滾動(dòng)方向的電極背部形成Rubbing Shadow，此區(qū)域內(nèi)PI膜表面摩擦處理力度不夠，導(dǎo)致此處液晶初始配向位置與正常區(qū)域不同，加電后液晶旋轉(zhuǎn)異常，從而形成不良。正常TFT和CF面板對(duì)位設(shè)計(jì)時(shí)，CF BM與TFT會(huì)設(shè)計(jì)一定的重疊Margin（A區(qū)域）用于遮擋TFT Rubbing Shadow，但當(dāng)兩類面板對(duì)位出現(xiàn)偏移，CF BM由C'偏移至C位后，二者的重疊區(qū)域減少，相應(yīng)地，會(huì)暴露出一些本應(yīng)被遮住的Rubbing Shadow區(qū)（B區(qū)域），從而導(dǎo)致開機(jī)瞬間，B區(qū)域的液晶偏轉(zhuǎn)異常被發(fā)現(xiàn)，形成Mura類顯示不良。

2 CF TP改善與研究

2.1 工程間伸縮量對(duì)TP的影響研究

21.5 Inch產(chǎn)品的CF曝光由6個(gè)Shot拼接而成（如圖4），每個(gè)Shot的曝光精度決定該Shot包含Panel的TP精度。且BM工藝曝光形成的TP Mark經(jīng)過后續(xù)工藝的Oven熱處理會(huì)進(jìn)一步向Glass中心收縮，即CF完成品的Final TP除去 BM本身曝光精度的影響，還受到BM～PS工程間伸縮量的影響。因此在后續(xù)的研究中，主要以Shot為單位分別從這兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。如圖4所示，此次開機(jī)Mura不良高發(fā)的5列Panel由Shot 3和Shot 4曝光形成，因此我們首先對(duì)比了Shot3和Shot 4相對(duì)其他Shot的工程間收縮量差異，工程間收縮量計(jì)算公式如下：

工程間伸縮量表征經(jīng)過多道工藝后，F(xiàn)inal TP相對(duì)BM TP的收縮程度，單位為μm/100mm。表2為計(jì)算得到的各Shot工程間伸縮量的實(shí)際值和理論值，從中可以看出，每個(gè)Shot的實(shí)際伸縮量都較理論伸縮量大，表明21.5 Inch產(chǎn)品的Final TP較BM TP向面板中心收縮，且X方向相對(duì)Y方向收縮更明顯，與不良與TP對(duì)應(yīng)關(guān)系相符。但Shot 3和Shot 4與其他Shot的工程間收縮量無明顯差異，表明5列Panel的TP內(nèi)縮與BM～PS工藝間的工程收縮無關(guān)，應(yīng)與BM TP本身偏小有關(guān)，開機(jī)Mura不良的改善應(yīng)從BM TP調(diào)整入手。

2.2 整體擴(kuò)大法BM TP改善研究

BM TP常見調(diào)整方法包括曝光Mask變更、BM TP Offset補(bǔ)正、BM TP設(shè)計(jì)值變更三種。其中，Mask變更存在約40萬人民幣的財(cái)務(wù)投入，且Mask制作周期長(zhǎng)；BM TP Offset補(bǔ)正適用于略微偏離目標(biāo)值的情況，不適用于本不良的改善。綜合考慮投資成本、改善周期和效果，本文主要通過BM TP設(shè)計(jì)值變更來改善Final TP，該方法無財(cái)務(wù)投資且改善周期短。

目前TFT-LCD的BM TP設(shè)計(jì)值變更常用整體擴(kuò)大法，旨在通過Final TP與BM TP收縮量差異的補(bǔ)償，刻意放大BM TP模板從而改善Final TP內(nèi)縮的情況。因此本文優(yōu)先采用整體擴(kuò)大法對(duì)21.5 Inch產(chǎn)品的TP進(jìn)行改善驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示。從中可以看出，按整體擴(kuò)大法改善的TP并沒有達(dá)到預(yù)期效果，5列Panel Final TP仍存在多點(diǎn)Spec Out的情況。探究原因，發(fā)現(xiàn)整體擴(kuò)大法雖然將BM TP的設(shè)計(jì)值予以放大，但因曝光使用的Mask并未改變，曝光出來的Pattern大小其實(shí)并不會(huì)如預(yù)想般放大，反而還會(huì)加劇BM TP實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的差異，影響B(tài)M TP過程能力指數(shù)。此外，整體放大法對(duì)Final TP的改善效果具有隨機(jī)性，當(dāng)BM實(shí)際Mapping無法與設(shè)計(jì)模板匹配的時(shí)候，使BM Offset值補(bǔ)正失真，導(dǎo)致BM TP補(bǔ)正位置隨機(jī)，進(jìn)而影響Final TP Mapping。且整體擴(kuò)大法無Shot別差異，有可能導(dǎo)致5列Panel的TP朝不良惡化的方向補(bǔ)正。

2.3 局部平移法BM TP改善研究

通過對(duì)BM TP與Final TP關(guān)聯(lián)性的深入研究，我們發(fā)現(xiàn)，TP的本質(zhì)是對(duì)Panel位置的調(diào)控，既然每個(gè)Shot的伸縮量可以單獨(dú)計(jì)算和補(bǔ)償，同樣地，我們也可以對(duì)于每個(gè)Shot的位置進(jìn)行專一的調(diào)整，以彌補(bǔ)整體擴(kuò)大法補(bǔ)正失真和改善隨機(jī)的弊端。由此我們提出了一種新的CF Final TP改善方法——BM TP設(shè)計(jì)值局部平移法。相對(duì)于整體擴(kuò)大法改變Shot大小，局部平移法的改善核心在于，保證BM TP設(shè)計(jì)值各個(gè)Shot大小、形狀不變，僅對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整，突破Mask本身大小的限制，盡可能地將TP數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)的Shot向不良改善的方向移動(dòng)。我們先根據(jù)Cell AI精度對(duì)CF Final TP的需求，計(jì)算出目前Final TP實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)需求的差值，再對(duì)BM TP的設(shè)計(jì)值進(jìn)行反向補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)BM TP設(shè)計(jì)模板的局部平移。如圖4所示，以5列Shot4為例，假設(shè)AI對(duì)位要求的Final TP為綠色模板，Shot4對(duì)應(yīng)四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為A'、B'、C'和D'，對(duì)這四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)取中心值為M'（x'，y'），而5列Shot4內(nèi)縮時(shí)Final TP實(shí)測(cè)頂點(diǎn)A、B、C、D的中心坐標(biāo)為M（x，y），則對(duì)M'和M的中心坐標(biāo)做差，即可得到設(shè)計(jì)目標(biāo)模板與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的Shot中心偏移量，將此偏移量反向補(bǔ)償至原有BM TP設(shè)計(jì)模板中，即得到了有利于不良定向改善的新BM TP設(shè)計(jì)模板。采用此種方法，改善后的BM TP實(shí)際坐標(biāo)可以與設(shè)計(jì)模板很好的匹配，有利于提高BM TP過程能力指數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)BM TP定量、定向的雙向補(bǔ)正。

考慮到設(shè)備本身波動(dòng)以及BM～PS工程間波動(dòng)的影響，我們?cè)趯?duì)21.5 Inch產(chǎn)品的BM TP設(shè)計(jì)模板變更時(shí)，針對(duì)5列Shot3和Shot4進(jìn)行了X方向不同補(bǔ)償量的實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)最優(yōu)的BM TP補(bǔ)償模板，改善結(jié)果如圖5和表4所示。其中，Shot3相對(duì)AI標(biāo)準(zhǔn)中心偏移量為-0.90μm，因此進(jìn)行了X正向補(bǔ)償0.3μm、0.6μm、0.9μm、1.2μm、1.5μm五個(gè)Split的驗(yàn)證；Shot4相對(duì)AI標(biāo)準(zhǔn)中心偏移量為-1.67μm，進(jìn)行了X正向補(bǔ)償0.8μm、1.2μm、1.6μm、2.0μm、2.4μm五個(gè)Split的驗(yàn)證。從表4中我們可以看出，隨著Shot正向補(bǔ)償量的增大，5列Panel的TP最大值逐漸減小，Mapping內(nèi)縮情況得到了有效的改善。但因Shot3和Shot4本身Mask設(shè)計(jì)偏小，若X正向補(bǔ)償量太多，會(huì)造成Shot左邊的Panel左側(cè)內(nèi)縮，因此補(bǔ)償量并不是越大越好。綜合產(chǎn)品Shot3和Shot4 Panel左右兩側(cè)TP數(shù)值，最終選取Shot3正向補(bǔ)償0.9μm，Shot4正向補(bǔ)償2.0μm變更BM TP設(shè)計(jì)模板。圖5為變更后的Cell AI Mapping，從中可以看出，5列Panel內(nèi)縮的情況得到了明顯改善，且其他Shot Panel并沒有受到影響，實(shí)現(xiàn)不良改善的TP定點(diǎn)優(yōu)化。且優(yōu)化批次產(chǎn)品在下游無CF TP相關(guān)開機(jī)Mura不良發(fā)生，在無Mask成本投入、設(shè)備改造的前提下，實(shí)現(xiàn)了不良的快速有效改善。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)CF TP與開機(jī)Mura不良的關(guān)聯(lián)性解析與機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)CF TP也是開機(jī)Mura的重要影響因素。通過對(duì)CF TP的深入分析，設(shè)計(jì)得到一種新型BM TP設(shè)計(jì)值變更方法-局部平移法。局部平移法顛覆了液晶顯示行業(yè)傳統(tǒng)的BM TP整體擴(kuò)大改善方法，相比原先按照Glass整體收縮量制作BM TP模板，我們將Glass曝光補(bǔ)償拆分成不同的Shot模塊，然后根據(jù)每個(gè)Shot具體偏移量針對(duì)性地進(jìn)行局部反向補(bǔ)償，使BM TP模板變更更加合理和靈活。通過新型設(shè)計(jì)變更的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在無Mask成本投入、設(shè)備改造的前提下，成功實(shí)現(xiàn)了21.5 Inch產(chǎn)品開機(jī)Mura不良改善，不良率由9.17%降至0.10%以下。該方法具有定向性、快速性、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛運(yùn)用于CF TP對(duì)位精度有關(guān)的不良改善中。

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