TFT LCD光配向制程對低灰階畫面抖動的影響

李二科

(深圳市華星光電有限公司，廣東 深圳518107)

1 引 言

液晶顯示器(Liquid Crystal Display)是目前顯示器中主流應(yīng)用的品種之一。在液晶顯示器中，通過在液晶與透明電極之間制作一層取向膜，來控制液晶分子取向。液晶分子在配向膜表面排列性能直接影響液晶顯示器的顯示性能，如對比度、視角、響應(yīng)時間、閾值電壓等，影響液晶分子的光學(xué)和驅(qū)動特性。顯示器中的液晶分子的配向技術(shù)至關(guān)重要，配向材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，液晶分子和配向膜界面的相互作用，配向材料表面處理的方法等一系列比較復(fù)雜的問題都會影響液晶分子的配向。液晶分子的配向方法有多種，目前的配向技術(shù)有摩擦配向法、光配向法兩大類。隨著液晶技術(shù)的發(fā)展，液晶取向技術(shù)發(fā)生了革新，光控取向技術(shù)很快引起了人們的關(guān)注，與摩擦配向技術(shù)相比，光控配向技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢:配向過程不會引入雜質(zhì)造成污染，不會產(chǎn)生靜電，從而提升良品率，可進行微區(qū)多疇取向，可用于曲面或柔性基底上等等。在一些應(yīng)用上，傳統(tǒng)的摩擦取向技術(shù)也只能望塵莫及[1-3]。

液晶光控配向技術(shù)是一種通過偏振光照射來實現(xiàn)液晶取向的非接觸式方法，不同于摩擦配向法，它具有無污染、無靜電、易實現(xiàn)微區(qū)多疇取向等優(yōu)點。當(dāng)然光控配向法也有其缺點，比如配向的穩(wěn)定性低，錨定能力低。液晶分子的光控配向在實際生產(chǎn)中也存在一些需要解決的問題，本文對光控配向制程中存在的問題進行研究和改善。

2 失效原因分析及機理研究

2.1 不良現(xiàn)象確認

本文所述畫面抖動不良，宏觀表現(xiàn)為低灰階可見部分區(qū)域畫面抖動，畫面顯示不均勻，在光學(xué)顯微鏡下確認現(xiàn)象， 低灰階畫面不良區(qū)域相鄰像素呈亮暗程度不均，而正常區(qū)域的相鄰像素亮暗程度相同，如圖1所示。

圖1 顯微鏡下不良現(xiàn)象Fig.1 Abnormal phenomena under a microscope

2.2 不良現(xiàn)象分析

為了明確不良發(fā)生的原因，首先需要確認不良發(fā)生的位置，通過顯微鏡觀察異常區(qū)域相鄰像素有明暗交錯規(guī)律，通過盒厚量測儀進行量測預(yù)傾角， 通過對比正常區(qū)采樣像素預(yù)傾角和不良區(qū)域采樣像素，發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域相鄰像素間預(yù)傾角差異明顯大于正常區(qū)域，如圖2所示。

圖2 預(yù)傾角量測圖示。(a)對正常區(qū)域采樣40個像素點量測預(yù)傾角；(b)對不良區(qū)域采樣40個像素點量測預(yù)傾角。Fig.2 Pretilt angle measurement. (a) Pretilt angle of 40 sample pixels for normal area; (b) Pretilt angle of 40 sample pixels for bad area.

考虎到光配向制程中，TFT器件的特性不良會誘發(fā)預(yù)傾角不良的現(xiàn)象，通過面板電性量測機確認正常區(qū)與異常區(qū)的TFT器件特性，由圖3可知，正常區(qū)和異常區(qū)的伏安特性曲線吻合度高，柵極電壓開啟后，飽和區(qū)電流正常區(qū)和異常區(qū)并無差異，不良與TFT器件特性無關(guān)。

圖3 晶體管伏安特性量測圖示Fig.3 Volt-ampere characteristic measurement of TFT

排除TFT器件特性影響后，針對預(yù)傾角的差異進行進一步分析，在液晶顯示器件中，液晶分子與配向膜表面呈某一角度，為防止電場作用時液晶分子間發(fā)生傾斜疇向錯，提高液晶顯示器的成品率和顯示效果的均勻性，應(yīng)使液晶分子長軸方向與配向?qū)又g產(chǎn)生一定的夾角，這一夾角稱之為液晶分子的預(yù)傾角。液晶分子的預(yù)傾角的角度選擇是否合適，將影響液晶分子均一配向的效果，從而影響顯示效果的均勻性及液晶分子的電光特性。

進一步分析液晶分子的預(yù)傾角對其電光特性的影響，發(fā)現(xiàn)顯示器中的液晶分子在疇與疇之間的取向并不相同，只有在配向膜的表面經(jīng)過特殊表面處理后，液晶盒內(nèi)的液晶分子才會形成統(tǒng)一的取向，或者有了取向一致的疇。配向膜表面處理作用是使液晶分子在其表面有一定的預(yù)傾角度。預(yù)傾角可以防止施加電場的作用下液晶分子朝不同方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，我們稱之為液晶分子的反傾疇。合適的預(yù)傾角可以控制液晶盒中液晶分子的反傾疇出現(xiàn)。

液晶分子的反傾疇會降低液晶顯示器的對比度，換言之，如果液晶分子沒有合適的預(yù)傾角，則液晶分子在配向膜表面排列不規(guī)則。如圖4所示，當(dāng)液晶分子的預(yù)傾角為2°時，液晶分子在施加電壓時，所有的液晶分子朝一定方向排列，顯示器正常顯示。而當(dāng)液晶分子的預(yù)傾角為0°時，在施加電壓時，由于液晶分子在配向膜表面排列不規(guī)則，造成液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向不同，從而影響液晶分子折射率，顯示器顯示的圖案中就會出現(xiàn)斑紋、暗紋及抖動等不良。在液晶顯示器的制造過程中，為了獲得合適的可視度和液晶分子的電光特性，要求液晶分子在配向膜表面具有確定的非零值預(yù)傾角。如果液晶分子相鄰像素間的預(yù)傾角差異過大，就會引起液晶分子在施加電壓下的排列差異，在低灰階畫面，微觀上像素的亮度不一致，人眼捕捉到亮暗差異，宏觀上呈現(xiàn)局部畫面抖動現(xiàn)象。

圖4 不同預(yù)傾角液晶分子在電場下的排列Fig.4 Arrangement of LC molecules with different pretilt angles in electric field

2.3 不良機理研究

為了進一步確認預(yù)傾角異常的原因，首先從光配向原理進行分析，光配向制程是在施加電場作用下，通過在線性偏振紫外光照射，光敏聚合物層的化學(xué)鍵發(fā)生光異構(gòu)、光裂解或光二聚反應(yīng)，產(chǎn)生表面各向異性，從而得到取向方向[4-6]。一般光配向制程中電場強度影響液晶分子取向均一性，如果施加在液晶分子上的電場強度異常，液晶分子在電場中將發(fā)生異常扭轉(zhuǎn)，從而使液晶分子的排列發(fā)生變化，從而造成對應(yīng)位置像素預(yù)傾角不良。

針對電場強度分析光配向異常理論，根據(jù)E=U/D，一般光配向局部不良主要分為3種類型，局部空間異常(影響盒厚)，TFT器件失效(影響局部電壓)，基板靜電異常(影響局部電壓)。

局部空間異常類主要有以下3種，(1)基板清洗不干凈，造成異物在玻璃表面；(2)PI涂布不均勻，造成部分區(qū)域PI缺失，以致于液晶分子無法配向。(3)固定點頂針異常造成。本文中不良位置不固定且解析中未發(fā)現(xiàn)異物和PI缺失，故可排除以上3種；TFT器件失效異常，根據(jù)圖2的量測結(jié)果可知，TFT器件伏安特性曲線正常，故可排除；基板靜電類型與本文中不良成因符合度高，基板在TFT制作和傳輸過程中，不斷地被摩擦、吸附、移動、加壓、加熱、分離、冷卻等而不斷產(chǎn)生靜電。因為顯示器的基板大部分是絕緣材料玻璃，靜電散逸的速度十分緩慢，因而基板背面容易積聚大量的靜電荷。如圖5所示，基板背面存在靜電荷時，在光配向過程中會施加一個靜電場影響液晶分子電場，造成光配向不良。

圖5 基板靜電影響光配向圖示Fig.5 Photo alignment of static electricity effect on substrate

工業(yè)生產(chǎn)中靜電一般分為兩種，一種是接觸的兩件物體分開(剝離)時產(chǎn)生的靜電，被稱為剝離帶電；另一種是兩件物體相互摩擦產(chǎn)生靜電，被稱之為摩擦帶電。對于TFT-LCD本身復(fù)雜的工藝制程，能夠快速定位不良發(fā)生的工藝設(shè)備和工藝環(huán)節(jié)是十分重要的，經(jīng)過對大量工藝數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，根據(jù)不良發(fā)生率，定位不良發(fā)生單元，認為該靜電集中發(fā)生在PI制程，從表1可以看到PI#1、PI#2的不良發(fā)生率是0%，PI#3的不良發(fā)生率是0.38%，所以認為PI#3在生產(chǎn)中發(fā)生了靜電不良。

PI制程主要包括前清洗、印刷、固化3個步驟，針對生產(chǎn)中靜電不良產(chǎn)生的原因，在印刷和固化制程中主要存在剝離帶電，原因為機臺中存在頂針托著基板升降、玻璃與頂針接觸、分離過程中都容易產(chǎn)生剝離帶電。由于頂針位置固定，而本文中不良位置不固定，故可排除此影響[7-8]。

表1 機臺不良發(fā)生率Tab.1 Ratio of abnormalities by equiment

PI前清洗制程主要由刷洗和水洗組成，其作用是對需要印刷的基板進行事先清洗，以保證在印刷時的良好效果和高的良品率。在刷洗(Roll Brush wash)制程中利用刷子與玻璃基板之間的摩擦作用去除污垢(如圖6所示)，會產(chǎn)生摩擦起電，玻璃與毛刷摩擦而導(dǎo)致玻璃表面帶電荷。水洗制程為超高壓微細顆粒噴淋清洗(Super high pressure micro jet，HPMJ)，其原理是將一種高壓氣體與一種液態(tài)流體混合后，再通過一種特殊的噴嘴-超音速噴嘴，使高壓氣體與清洗液形成的液滴噴射到玻璃基板上，從而達到清洗的效果。由于是高壓輸送，液體和管道壁面摩擦后也會產(chǎn)生靜電。

圖6 PI前清洗圖示Fig.6 Diagram of cleaning before PI

因為顯示器的基板大部分是絕緣材料玻璃，靜電散逸的速度十分緩慢，基板背面容易造成大量靜電荷的積聚。由于玻璃基板與設(shè)備接觸位置的移動、吸附和分離，玻璃基板會受到重力的影響，在接觸位置會產(chǎn)生一定的形變，導(dǎo)致靜電荷在基板上并不是均勻分布的，在玻璃基板相對突起的位置，靜電荷會聚集在局部點位，造成局部靜電勢偏高[9-11]。

3 改善措施及效果

一般的靜電防護和改善，主要通過接地、增加濕度和靜電除電器(Ionizer)進行傳導(dǎo)或者中和電荷。針對本文中玻璃絕緣體的去除靜電方法，由于玻璃基板是絕緣體無法接地將電荷傳導(dǎo)，因此需要使用導(dǎo)電性高的物質(zhì)(導(dǎo)電化)使玻璃上的電荷傳導(dǎo)走，實現(xiàn)靜電的消除。

本文通過加大HPMJ中二氧化碳流量去除玻璃基板的靜電。CO2氣體十分容易被水溶解，CO2溶于純水產(chǎn)生氫離子和碳酸氫根離子導(dǎo)電離子，增加水中離子濃度，可以降低水阻值，加強水的導(dǎo)電性，在清洗玻璃基板時，玻璃基板的靜電荷通過水中的離子進行電荷轉(zhuǎn)移，在后段制程中CO2會被氣化，沒有任何殘留影響。

CO2在純水中溶解，反應(yīng)式如下：

H2O + CO2? H2CO3，

(1)

H2CO3? H++ HCO3-，

(2)

HCO3-? H++ CO32-.

(3)

本文針對HPMJ中CO2流量進行增大驗證，分別逐級加大CO2的流量，并監(jiān)控水阻值，驗證其對靜電的影響效果。

表2 加大CO2流量驗證實驗Tab.2 Experiment of increasing CO2 flow verification

由表2可知，隨著CO2流量的增加，水阻值呈線性下降，產(chǎn)品發(fā)生畫面抖動不良的概率亦隨著下降，當(dāng)CO2流量為3 L/min時，水阻值為0.12 MΩ·cm，此時不良發(fā)生的概率為0%，通過增大CO2流量，降低水阻值，可完全去除玻璃基板的靜電。平行展開至PI其他機臺確認，發(fā)現(xiàn)由于機臺設(shè)備差異和靜電發(fā)生隨機性的原因，相同的CO2流量，水阻值并不完全相同，為了完全去除玻璃基板靜電，避免后制程發(fā)生畫面抖動不良，對CO2流量和水阻值分別進行監(jiān)控，確保CO2流量大于3 L/min，水阻值小于0.12 MΩ·cm，并平行展開至其他機臺，導(dǎo)入此改善條件后，后續(xù)未再發(fā)生畫面抖動不良。

4 結(jié) 論

靜電是TFT 行業(yè)甚至半導(dǎo)體行業(yè)中容易引起產(chǎn)品失效發(fā)生的第二誘因，僅次于異物，其發(fā)生工序眾多，發(fā)生原因不盡相同。本文主要針對PI前清洗工藝過程中靜電發(fā)生與改善情況進行探究。通過一系列實驗發(fā)現(xiàn)，在PI的清洗制程中加大HPMJ中CO2流量，可以有效降低水阻值，從而將玻璃基板的靜電通過離子進行電荷轉(zhuǎn)移，避免靜電影響光配向時液晶分子的電場強度，提高光配向的穩(wěn)定性，避免光配向不良的發(fā)生，對TFT-LCD的產(chǎn)品的靜電預(yù)防及改善具有重要的指導(dǎo)意義。