TFT-LCD中液晶取向異常亮點(diǎn)機(jī)理研究及改善

周 波，王 祺，宋勇志，洪永泰，陳維濤

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司, 北京 100176)

1 引 言

目前市場(chǎng)上ADS/IPS等硬屏TFT LCD顯示產(chǎn)品中，液晶取向技術(shù)仍主要是接觸式摩擦配向工藝，其中亮點(diǎn)類不良由于其可視性，一直是顯示屏出貨的主要不良。

按照亮點(diǎn)不良形成原理，可以將其分為兩大類：像素亮點(diǎn)和不規(guī)則亮點(diǎn)。像素亮點(diǎn)主要是由于單個(gè)TFT充電異常造成的整個(gè)亞像素亮點(diǎn)[1]，此種不良主要是依靠陣列基板(Array)工藝條件優(yōu)化、檢測(cè)維修工序進(jìn)行改善及維修[2]；另一種不規(guī)則亮點(diǎn)，正如其名，亮點(diǎn)形狀不規(guī)則，與TFT充電無關(guān)，按其成因又分為兩大類：異物亮點(diǎn)和非異物亮點(diǎn)。由屏內(nèi)可見異物造成的亮點(diǎn)即為異物亮點(diǎn)，異物亮點(diǎn)可以通過人員作業(yè)管理、清洗設(shè)備優(yōu)化[3]、摩擦強(qiáng)度優(yōu)化[4]等方面進(jìn)行改善。另一種非異物造成的不規(guī)則亮點(diǎn)，即為本文所要分析改善的亮點(diǎn)不良。

針對(duì)上述非異物亮點(diǎn)不良，一直未有有效的分析手段和明確的不良發(fā)生機(jī)理。本文通過對(duì)非異物亮點(diǎn)不良進(jìn)行詳細(xì)宏觀和微觀分析，同時(shí)建立實(shí)驗(yàn)室測(cè)試模型找到不良發(fā)生的根本影響要素，從本源上對(duì)這種不良建立了改善對(duì)策，并將改善條件在生產(chǎn)線進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)證及導(dǎo)入，驗(yàn)證了不良機(jī)理和實(shí)驗(yàn)室模型有效性，并提升了TFT LCD的量產(chǎn)良率。

2 非異物亮點(diǎn)不良的描述及初步分析

2.1 非異物亮點(diǎn)的不良描述

以我公司為例，該類不良的發(fā)生率維持在0.5%～1.5%左右，極大影響了我公司產(chǎn)品的良率和邊效等級(jí)。

圖1中像素亮區(qū)即為非異物亮點(diǎn)的不良顯現(xiàn)。該不良具有3個(gè)特征：一是亮點(diǎn)大小形狀不規(guī)則，可能小于一個(gè)亞像素，也可能是橫跨幾個(gè)亞像素，且形狀邊緣不規(guī)則；二是該亮點(diǎn)不良在玻璃母板和單個(gè)顯示屏中的位置分布無集中性；三是使用顯微鏡觀察時(shí)，微調(diào)焦距，亮點(diǎn)周邊無暈且大小變化不明顯。

圖1 非異物亮點(diǎn)不良照片

由上述非異物亮點(diǎn)不良的特征，不良位置和形狀不固定，可以說明一個(gè)問題：這里所研究的液晶取向異常造成的亮點(diǎn)，與集中分布在摩擦陰影區(qū)(陣列金屬布線邊緣區(qū))的摩擦力度不均勻造成的PI配向異常[5]亮點(diǎn)不一致，是由于其他原因影響了液晶取向而發(fā)生了亮點(diǎn)不良。

2.2 非異物亮點(diǎn)的初步分析

按照常規(guī)不良的分析思路，我們對(duì)非異物亮點(diǎn)不良進(jìn)行了分析，在分析中發(fā)現(xiàn)不良在TFT和彩色濾光膜(CF)側(cè)均有發(fā)生，由于CF側(cè)現(xiàn)象便于觀察，此處以CF側(cè)不良為例進(jìn)行介紹。主要分析步驟可參照?qǐng)D2所示。

圖2 非異物亮點(diǎn)不良初步分析

步驟一：實(shí)驗(yàn)室顯微鏡觀察微觀現(xiàn)象，如圖2(a)，對(duì)不良區(qū)進(jìn)行標(biāo)記。

步驟二：將顯示面板拆開分為TFT和CF兩部分，在顯微鏡下分別觀察TFT側(cè)和CF側(cè)是否存在可見不良，如圖2(b)和圖2(c) 所示，不良在CF側(cè)可見，TFT側(cè)不可見。

步驟三：去除液晶后再次觀察CF側(cè)，確認(rèn)不良是否可見。見圖2(d)，去除液晶后，CF側(cè)不良現(xiàn)象消失；

步驟四：在上述CF側(cè)重新滴上液晶，放置在顯微鏡下進(jìn)行觀察，現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)，如圖2(e)所示；

步驟五：去除液晶和配向膜(Polyimide，PI)后，CF側(cè)不良現(xiàn)象消失；

步驟六：在CF側(cè)不良區(qū)重新滴上液晶，不良現(xiàn)象不可見。

綜上，參考示例，可以判斷所分析非異物亮點(diǎn)發(fā)生在CF側(cè)，亮點(diǎn)由PI配向異常導(dǎo)致液晶取向異常[6]，顯現(xiàn)為亮點(diǎn)不良。下面我們通過微觀分析等手段對(duì)這里的PI配向異常產(chǎn)生的根本原因進(jìn)行深入研究。

3 PI配向異常原因分析

3.1 PI配向異常區(qū)微觀分析

圖3 AFM分析結(jié)果

我們主要采用原子力顯微鏡(AFM)和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜技術(shù)(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS)兩種分析設(shè)備對(duì)PI配向異常原因進(jìn)行研究。同時(shí)為了便于分析，排除CF側(cè)有機(jī)膜層的影響，選取成分較為簡(jiǎn)單的TFT側(cè)不良為例進(jìn)行分析說明。

首先，使用AFM的形貌模式(Height Mode)和相模式(Phase Mode)[7]對(duì)不良區(qū)域進(jìn)行掃描。如圖3(a)為TFT的不良區(qū)域，去除TFT側(cè)液晶后，利用AFM的形貌模式進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在不良區(qū)域PI表面有7.5～10 nm厚的粗糙區(qū)，如圖3(b)所示；利用AFM相模式觀察不良區(qū)域，發(fā)現(xiàn)有位相差異，說明該位置存在非PI成分的雜質(zhì)。

根據(jù)AFM結(jié)果，可確認(rèn)在不良區(qū)PI表面存在粗糙形貌的雜質(zhì)層。由此結(jié)果也可以證明，這里所分析的亮點(diǎn)不是由于摩擦力度不均勻造成的PI配向異常，而是由于雜質(zhì)影響了PI配向，進(jìn)而影響了液晶取向形成亮點(diǎn)。

然后，用TOF-SIMS對(duì)雜質(zhì)區(qū)成分進(jìn)行了正離子和負(fù)離子分析[8]。使用TOF-SIMS進(jìn)行正離子測(cè)試，如圖4所示，該雜質(zhì)區(qū)檢測(cè)到CxHyOz成分含量較高；使用TOF-SIMS進(jìn)行負(fù)離子測(cè)試，如圖5所示，該雜質(zhì)區(qū)C2H3O2含量較高。

圖4 TOF-SIMS正離子分析結(jié)果

圖5 TOF-SIMS負(fù)離子分析結(jié)果

綜合TOF-SIMS測(cè)試結(jié)果，有機(jī)成分CxHyOz是造成該區(qū)域配向異常的主要成分。下面是對(duì)雜質(zhì)成分產(chǎn)生的一個(gè)預(yù)測(cè)。

3.2 成分及機(jī)理推測(cè)

為了說明我們的機(jī)理推測(cè)，首先簡(jiǎn)單說明一下LCD的PI成膜、配向及LCD成盒的工藝制程[9]。

(1)PI成膜：采用輥輪或者噴墨[10]的方式將PI分別涂覆在TFT基板和CF基板表面，經(jīng)過預(yù)固化(約100 ℃，120 s)實(shí)現(xiàn)溶劑蒸發(fā)，并在主固化(約230 ℃，1 000 s)條件下完成酰胺轉(zhuǎn)換，PI膜厚約為50～120 nm;

(2)摩擦配向：將摩擦布粘附在摩擦設(shè)備的輥輪上，控制輥輪轉(zhuǎn)速、輥輪在基板上的壓入量、基板行進(jìn)速度等參數(shù)，分別對(duì)TFT和CF表面的PI進(jìn)行摩擦配向；

(3)成盒前清洗：摩擦配向后，使用水、水氣混合液等對(duì)PI表面進(jìn)行清洗，去除PI表面異物，并通過風(fēng)刀(Air Knife)和IR加熱等設(shè)備去除基板表面水份；

(4)按照設(shè)計(jì)的圖形，完成液晶滴入和封框膠涂覆；

(5)成盒：完成液晶滴入和封框膠涂覆的CF和TFT基板，在真空狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)盒，對(duì)盒后對(duì)封框膠進(jìn)行紫外線固化和熱固化，完成成盒工藝。

圖6 LCD成盒工藝

LCD的PI涂覆到成盒工藝過程中，易于產(chǎn)生雜質(zhì)的環(huán)節(jié)主要在于接觸式的摩擦配向，對(duì)發(fā)生機(jī)理的推測(cè)如下：

(1)雜質(zhì)產(chǎn)生：在摩擦配向過程中，摩擦布中的成分、PI的成分、TFT表面膜層成分可能會(huì)散落在PI表面；

(2)雜質(zhì)堆積：在成盒前清洗過程中，由于高壓水、水氣混合溶液的沖擊以及氣刀的沖擊，上述雜質(zhì)離子在TFT表面段差區(qū)域形成堆積，經(jīng)IR熱處理后，形成難以清除的雜質(zhì)層；

(3)成分推測(cè)：由TOF-SIMS結(jié)果中有機(jī)物CxHyOz含量高可以推測(cè)出，雜質(zhì)區(qū)可能的成分主要是摩擦布中的成分、PI成分等有機(jī)成分。TFT表面膜層成分主要為無機(jī)化合物和金屬，在TOF-SIMS中未檢出，可以將其排除。PI碎屑成分已知，可以通過摩擦參數(shù)和PI材料優(yōu)化改善，下面主要針對(duì)摩擦布中各種成分殘留對(duì)PI配向和液晶取向的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

4 摩擦布成分與不良關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)分析

4.1 摩擦布主要成分說明

我公司ADS型TFT-LCD主要使用的是Hybrid摩擦布，如表1所示，其中有機(jī)成分主要包含布毛纖維、背膠、柔順劑、防靜電劑。

其中布毛纖維、背膠、防靜電劑為摩擦布成品必要成分，柔順劑會(huì)在紡織完成后被清洗掉，余少量殘存在摩擦布中。

表1 Hybrid摩擦布主要有機(jī)成分

4.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方案設(shè)計(jì)

為了研究上述摩擦布中何種成分堆積形成了PI表面的雜質(zhì)區(qū)，造成了亮點(diǎn)不良，我們進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方案設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)所用材料如表2所示，其中摩擦布、布毛纖維為固體狀，背膠、柔順劑為濃溶液，防靜電劑為稀溶液。

表2 實(shí)驗(yàn)所用材料列表

實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)如圖7所示，共分為萃取溶液制作、萃取液滴附、點(diǎn)燈測(cè)試3個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟。

(a)萃取溶液制作(a) Preparation of extraction solution

(b)萃取溶液滴附(b) Surface treatment by the extraction solution

(c)點(diǎn)燈測(cè)試(c) Microscopic observation with LC

4.2.1 萃取溶液制作

為了便于測(cè)試，我們將各測(cè)試樣品分別制作成測(cè)試溶液。

固態(tài)的Hybrid摩擦布和布毛纖維溶液制法，主要有溶解、老化和過濾3個(gè)小步驟。

(1)溶解：將上述固態(tài)物質(zhì)放置到溶劑去離子水(DIW)中，固態(tài)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%；

(2)老化：將上述溶液放置在40 ℃的環(huán)境中，靜置1 d，靜置時(shí)保持超聲處理；

(3)過濾：使用0.2 μm的過濾器進(jìn)行過濾。

濃溶液狀態(tài)的背膠、柔順劑溶液制法主要有稀釋和過濾兩個(gè)步驟。

(1)稀釋：使用DIW進(jìn)行稀釋，稀釋比為濃溶液∶DIW=1∶500；

(2)過濾：使用0.2 μm的過濾器進(jìn)行過濾。

防靜電劑為稀溶液，無需處理直接使用。

4.2.2 萃取溶液滴附

在第一步中我們得到了Hybrid摩擦布、布毛纖維、背膠、柔順劑和防靜電劑的共5種萃取溶液。如圖7(b)所示，將這5種溶液分別滴附在傾斜放置的PI基板上(已摩擦配向)，隨著液滴流動(dòng)，其按照一定軌跡滑落PI基板。然后用DIW進(jìn)行3次清洗，這是按照生產(chǎn)線的工藝流程模擬清洗過程。最后，將PI基板放置在120 ℃下干燥1 min，完成了萃取溶液滴附。

4.2.3 點(diǎn)燈測(cè)試

將上述5種完成干燥的基板放置在點(diǎn)亮的背光源(背光源表面放置一層偏光片)上面，分別滴入液晶，分別使用顯微鏡觀察，顯微鏡的偏光軸與背光源上偏光片偏光軸成一定夾角(90°最佳)，如圖7(c)所示。

4.3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

圖8為點(diǎn)燈測(cè)試觀察到的5種溶液滴附后PI基板表面的畫面。從圖中可以看到，Hybrid 摩擦布、背膠、柔順劑所對(duì)應(yīng)的基板上出現(xiàn)了亮暗不一致的條紋，該條紋的出現(xiàn)代表了PI表面配向力受到了影響，與在圖1中觀察到的TFT LCD顯示屏中非異物亮點(diǎn)現(xiàn)象一致。由此可見背膠和柔順劑的成分是造成TFT-LCD中非異物亮點(diǎn)的主要雜質(zhì)成分。

圖8 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

5 產(chǎn)線測(cè)試結(jié)果

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們對(duì)摩擦布進(jìn)行了改善優(yōu)化，主要優(yōu)化方向有兩點(diǎn)：

(1)加強(qiáng)織布后的清洗，增強(qiáng)柔順劑和背膠脫落成分的去除能力，主要通過清洗水量加倍實(shí)現(xiàn)。

(2)增加真空吸收環(huán)節(jié)，吸收背膠脫落成分，避免留存在摩擦布中。

使用優(yōu)化后的摩擦布，我們進(jìn)行了兩次測(cè)試，從表3結(jié)果看出，非異物亮點(diǎn)均得到了有效改善，證實(shí)了我們的不良機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有效的。

從表3數(shù)據(jù)看，使用改善后的摩擦布，非異物亮點(diǎn)發(fā)生比例降低了0.6%，按照我公司每個(gè)月300 k 液晶面板的產(chǎn)量，每月可減少1 800片液晶面板的損失，按照每片50美元的價(jià)格，每月可以為公司減少9萬美元的材料損失。

表3 新摩擦布產(chǎn)線測(cè)試結(jié)果

6 結(jié) 論

本文主要對(duì)使用Hybrid摩擦布的TFT LCD產(chǎn)品中出現(xiàn)的非異物亮點(diǎn)進(jìn)行了機(jī)理研究。首先對(duì)非異物亮點(diǎn)進(jìn)行了初步分析，不良區(qū)無可見異物，亮點(diǎn)的成因?yàn)镻I膜配向和對(duì)應(yīng)液晶取向異常；對(duì)PI配向異常的機(jī)理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，PI表面有7.5～10 nm的雜質(zhì)區(qū)，影響了PI膜的配向，其成分主要是CxHyOz；我們推導(dǎo)異物成分主要來源為摩擦布；通過建立實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試方案，驗(yàn)證摩擦布中的柔順劑和背膠成分是造成PI配向異常的雜質(zhì)成分；最后對(duì)摩擦布中的柔順劑和背膠成分進(jìn)行了加強(qiáng)清洗和真空去除，在生產(chǎn)線測(cè)試取得了較好的結(jié)果。結(jié)果表明，柔順劑和背膠成分加強(qiáng)去除后，非異物亮點(diǎn)不良由0.6%降低至0%，預(yù)計(jì)每月為我公司減少9萬美元的材料損失。