RGBW彩色濾光片技術開發(fā)與應用

姜晶晶，萬冀豫，汪 棟，郭楊辰，宋勇志，張國華，肖 暉，王琳琳，齊鵬煜

(北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示(TFT-LCD)技術日益成熟，已成為目前顯示市場的主流產(chǎn)品，因其顯示品質(zhì)卓越，外形輕巧，壽命周期長，廣泛應用于移動設備、電腦、電視、醫(yī)療、車載，及戶外顯示等領域[1]。隨著對顯示設備高亮度、低功耗和準確顯示顏色的不斷追求，以及高分辨率顯示面板的快速發(fā)展，RGBW顯示產(chǎn)品成為近年來的熱門產(chǎn)品。

RGBW技術是在原有的RGB三原色上增加白色(W)子像素，為四色像素設計，可大幅度提高液晶面板的透光率，將超大尺寸、超高分辨率與綠色低功耗實現(xiàn)完美結合[2]。彩色濾光片(CF)作為薄膜晶體管液晶顯示(TFT-LCD)技術的重要元器件之一，是RGBW技術實現(xiàn)的關鍵。

本文通過材料開發(fā)，工藝條件優(yōu)化，設備參數(shù)優(yōu)化，設備清潔管理等方法，完成RGBW CF技術開發(fā)，并結合公司產(chǎn)線特點，對該技術的量產(chǎn)性能提升進行研究。最終，該技術應用于多款產(chǎn)品，滿足產(chǎn)品品質(zhì)及量產(chǎn)穩(wěn)定性要求。

2 RGBW CF工藝

RGBW CF目前有3種實現(xiàn)工藝：

(1)圖形化白像素(Pattern white, PW)

使用透明材料，經(jīng)過涂布、曝光、顯影、熱固化等工藝，制作W像素圖形，與RGB產(chǎn)品CF工藝相比，需增加一條產(chǎn)線對應W像素的制作。CF工藝流程如下：

(2)涂布白像素(Coating white, CW)：采用高平坦OC(Over Coating)材料替代常規(guī)OC材料，經(jīng)過一次 OC涂布，實現(xiàn)CF表面平坦化。該工藝流程與RGB產(chǎn)品CF工藝相同，無需增加產(chǎn)線設備投資，但該工藝實現(xiàn)的CF完成品表面平坦性低于RGB產(chǎn)品。其CF工藝流程如下：

(3) 光固化OC(UV-OC)

使用感光OC材料+Half Tone Mask工藝，一次完成W像素+OC保護層的制作，可實現(xiàn)與RGB產(chǎn)品一樣的CF表面平坦性水平，但該工藝需進行全新材料的開發(fā)，并需要改造OC產(chǎn)線，增加曝光機及顯影設備。其CF工藝流程如下：

3種工藝W像素制作流程如表1所示。

3種工藝優(yōu)劣勢分析如表2所示，綜合分析了產(chǎn)能影響情況、材料開發(fā)風險、品質(zhì)風險以及開發(fā)日程等因素。其中PW技術不需要進行新材料開發(fā)，可實現(xiàn)的CF表面平坦性最好(<0.15 μm，同常規(guī)RGB產(chǎn)品)，風險小，但產(chǎn)能損失高達30%，嚴重影響盈利能力的提升。UV-OC材料開發(fā)目前尚不成熟，影響產(chǎn)能且產(chǎn)品風險不可預期。綜合考量，以CW作為RGBW技術開發(fā)的重點方向，著重開發(fā)高平坦OC材料，通過材料及工藝調(diào)整，優(yōu)化CF表面平坦性，確保產(chǎn)品品質(zhì)，提高該技術的量產(chǎn)實用性。以下就CW技術開發(fā)過程和結果做出論述。

表1 3種W工藝制作流程Tab.1 Three kinds of W process flow

表2 3種白像素制作工藝優(yōu)劣勢分析Tab.2 Analysis of advantages and disadvantages of three white process

3 技術開發(fā)測試結果分析

3.1 RGB-W段差影響因素分析

3.1.1 OC材料

對業(yè)內(nèi)現(xiàn)有成熟的高平坦OC材料進行調(diào)研，其平坦化原理分為兩類，如圖1所示。圖1(a)的開發(fā)理念是提高材料本身的熱熔流動性，在熱固化階段達到更高的平坦度(A類)；圖1(b)的開發(fā)理念是在熱固化之前即達到很好的平坦度，采用耐熱特性優(yōu)秀的材料，在熱固化階段收縮量最小化，以維持較高的平坦性(B類)。

(a) A類(a) A type

(b) B類(b) B type圖1 平坦化原理Fig.1 Principle of planarization

選取一款低平坦OC和4款高平坦OC材料(低平坦OC命名為Ref，A公司兩款高平坦OC分別命名為A-1/A-2，B公司兩款高平坦OC分別命名為B-1/B-2)，以43UHD RGBW產(chǎn)品為平臺進行測試。該產(chǎn)品在OC工藝前，RGB-W段差為2.7μm，高平坦OC工藝后，段差均降低至0.5 μm以下，高平坦OC材料的撫平性能遠優(yōu)于低平坦OC材料。結果顯示，新材料的開發(fā)及應用是實現(xiàn)CW技術的關鍵。而在相近的OC厚度下(2.70 μm)，A公司的平坦性能要略優(yōu)于B公司，這與兩類材料的平坦化實現(xiàn)原理有關，熱熔流動性強的OC材料，可以實現(xiàn)更高的平坦性。詳細數(shù)據(jù)見表3。

表3 OC材料對CF表面平坦度的影響Tab.3 Effect of OC material on CF flatness

3.1.2 OC厚度

選取一款高平坦OC材料，在兩款RGBW產(chǎn)品上分別制作不同的OC厚度(1.9～2.8 μm)，測量OC后的RGB-W段差，并對數(shù)據(jù)進行處理分析。兩款產(chǎn)品的測試結果均顯示，在OC厚度較薄的情況下，膜厚增加，RGB-W段差顯著降低，平坦性提高；而當OC膜厚增大到一定程度以后，段差變化不再明顯。OC膜厚與段差的擬合曲線會出現(xiàn)一個拐點，如圖2所示。綜合考慮產(chǎn)品品質(zhì)、材料成本及工藝穩(wěn)定性，新產(chǎn)品開發(fā)以擬合曲線的拐點作為OC厚度規(guī)格。

圖2 OC膜厚對RGB-W段差的影響Fig.2 Effect of OC thickness on RGB-W difference

3.1.3 像素尺寸

測試像素尺寸(Pixel pitch)分別為81.7 μm/82.75 μm/105 μm/127.25 μm的4款產(chǎn)品在不同OC 厚度下達到的CF表面平坦情況，具體數(shù)據(jù)見圖3。像素尺寸是影響CF表面平坦性的主要因素，當間距增大到120 μm以上時，OC材料的平坦能力大幅度下降，OC厚度達到2.6 μm時，段差仍在0.7 μm以上。CF表面高段差會影響后工序PI膜厚度均一性及液晶取向，影響顯示品質(zhì)。而OC厚度過高，會造成OC膜層與玻璃間的附著力下降，進而影響產(chǎn)品信賴性。因此，建議像素尺寸在120 μm以下時，使用CW技術；對于像素尺寸大于120 μm的產(chǎn)品，使用PW技術。

圖3 像素尺寸對段差的影響Fig.3 Effect of pixel pitch on RGB-W difference

3.2 段差對盒厚的影響

CW工藝由于W像素與其它像素存在高度差，盒厚測試結果與PW工藝存在差異，需要重新建立盒厚與色溫及顯示屏透過率的關聯(lián)性[2]，結果如圖4所示。

圖4 液晶盒厚與色溫/透過率的關聯(lián)性Fig.4 Relevance of Cell gap and CCT/Tr

3.3 支撐點Mura改善

8.5G玻璃尺寸為2 200 mm×2 500 mm，CF制程中，很多設備設計有支撐點用于承載玻璃基板，這些支撐點易引起附近的膜厚異常，嚴重的可表現(xiàn)為宏觀可見的Pin Mura。其中干燥設備(Hot plate，HP)及熱固化設備(Oven)為加熱設備，支撐點的溫度與設備內(nèi)的空氣溫度有差異，更易造成OC膜厚異常。

為實現(xiàn)RGBW產(chǎn)品CF表面的高平坦性，要求OC材料熱熔流動性強，且使用的OC膜厚更高(RGBW產(chǎn)品OC厚度2.0～2.5 μm，RGB產(chǎn)品OC厚度1.2～1.6 μm)，在OC制作過程中易發(fā)生干燥設備支撐點 Mura和熱固化設備支撐點 Mura，本次技術開發(fā)設計多種對比測試，從OC材料、OC膜厚度、干燥設備溫度&時間等角度對支撐點 Mura進行改善。具體測試條件及結果見表4所示。

表4 支撐點 Mura改善測試結果Tab.4 Improvement results of pin Mura

材料對比測試結果顯示，B公司產(chǎn)品Mura發(fā)生嚴重程度明顯低于A公司。從材料的平坦化原理分析(圖1)，B公司材料熱穩(wěn)定性高，在加熱時膜層變化?。欢鳤公司材料，為達到高平坦度，熱熔流動性高，造成支撐點 Mura的風險也相應提高。

OC膜層厚度對比測試結果：材料A ，厚度2.1 μm無Mura，2.30～2.50 μm有輕微Mura發(fā)生；材料B，2.15 μm時無Mura，2.30～2.55 μm時Mura輕微，2.65 μm時Mura嚴重。OC膜層減薄，有利于減輕支撐點 Mura。

干燥溫度對比結果顯示，A公司材料在100 ℃時無Mura，90 ℃時有輕微Mura。溫度提高，有利于膜層的快速干燥，Mura改善效果也較明顯。

干燥時間從90～130 s，Mura無顯著差異。

3.4 OC工藝對PCT的影響

為了確保產(chǎn)品可以在高溫高濕高壓等特殊環(huán)境下正常工作，防止水汽從OC界面侵入面板內(nèi)部，OC工藝變更需要在PCT惡化條件下(121 ℃、2大氣壓、100%濕度，12 h/24 h)，對OC層的附著力進行測試。

表5 OC工藝對PCT的影響Tab.5 Effect of OC process on PCT

本文從材料、OC厚度、OC 固化工藝等方面進行對比測試，結果如表5所示。A公司材料優(yōu)于B公司，OC膜厚度減薄，固化溫度提高/時間延長，有利于PCT改善。

4 良率提升

技術開發(fā)過程中，發(fā)生OC異物高發(fā)問題。我們對異物的特性、狀態(tài)進行分析，將異物分為兩類，透明片狀異物和非透明暈狀異物[3]，如圖5所示，針對兩類異物分別進行設備狀態(tài)排查和改善。

圖5 OC異物Fig.5 Foreign object

4.1 透明片狀異物

第一次測試，該不良導致的CF良率損失高達21%。該種異物硬度極高，強行修補會導致研磨帶斷裂[4]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，量產(chǎn)使用的低平坦OC易發(fā)生干燥結晶問題，導致Coater Nozzle堵塞。該異物的形態(tài)和硬度與OC結晶體類似，因此對Coater管道進行拆解，發(fā)現(xiàn)其中存在大量的結晶物，如圖6所示。分析認為，在管路清洗及新OC材料切換過程中，破壞了原本穩(wěn)定的結晶體，導致結晶隨PR膠流出，殘留在玻璃表面。對管道進行清潔后，該種異物的發(fā)生率幾乎為0，改善有效。

圖6 設備內(nèi)結晶體Fig.6 Crystallizer of OC tank

4.2 非透明暈狀異物

該類不良現(xiàn)象與其它RGB量產(chǎn)品類似，為產(chǎn)線常規(guī)不良，主要是設備異物及HP/Oven 升華物造成的，但是RGBW產(chǎn)品的發(fā)生率明顯高于RGB產(chǎn)品。我們設計了兩個實驗，對低平坦OC和高平坦OC材料成膜后的特性進行對比分析。

實驗一：在白玻璃上涂布OC材料，經(jīng)過真空干燥和HP干燥處理后，在膜面散布粉末狀異物，然后用氣槍吹異物，最后通過顯微鏡觀察OC表面狀態(tài)。結果顯示，低平坦OC樣品表面無異物殘留痕跡，而高平坦OC樣品表面異物殘留明顯，如圖7所示。這一結果說明，高平坦OC在HP后膜面的吸附性大，環(huán)境異物更容易附著。

圖7 試驗一Fig.7 Experiment No.1

實驗二：在白玻璃上涂布OC材料，經(jīng)過真空干燥和HP干燥處理后，在膜面上散布直徑為25 μm的球狀異物，靜置10 min后，通過SEM觀察異物狀態(tài)。實驗結果如圖8所示，低平坦OC樣品，球狀異物在OC膜的表面；而高平坦OC樣品，球狀異物沉降至OC膜內(nèi)，并在周圍產(chǎn)生圓暈。

圖8 試驗二Fig.8 Experiment No.2

實際生產(chǎn)過程中還發(fā)現(xiàn)，異物周邊產(chǎn)生的圓暈會導致微觀異物檢查機檢出的不良尺寸大于異物本身的尺寸(圖9)，實驗二的結果與實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的不良現(xiàn)象類似。這說明高平坦OC在HP后的膜硬度低，異物容易沉降到OC膜內(nèi)，并產(chǎn)生圓暈，導致不良尺寸增大。

以上試驗說明，非透明異物的高發(fā)與HP后OC膜面的狀態(tài)和設備環(huán)境潔凈度相關，因此制定改善對策如下：(1)更換設備備件，加強設備清潔頻率；(2)延長HP時間，改善HP后膜面的粘性和硬度。通過以上改善措施，OC良率提升明顯，從量產(chǎn)初期的97%提升至目前的99.5%以上，達到與其它量產(chǎn)品一致的良率水平。

圖9 異物檢出尺寸大于實際尺寸Fig.9 Detection size of foreign object is bigger than actual size

5 結 論

本文針對RGBW技術開發(fā)的測試結果做出詳細分析論述，并結合產(chǎn)線現(xiàn)狀對實際量產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進行分析驗證，最終實現(xiàn)量產(chǎn)性能提升。目前該技術已應用于多款RGBW兩款產(chǎn)品中，滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求及量產(chǎn)穩(wěn)定性要求。