TFT-LCD一種黑Mura機(jī)理分析及工藝驗(yàn)證改善

王耀杰，楊宗順，熊 奇，朱建華，熊 永，畢 芳

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶400714)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD)以其低輻射、低功耗、低空間占用率以及輕便、美觀等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]?，F(xiàn)在，人們越來越關(guān)注顯示器件的顯示效果，如廣色域、高對比度、快響應(yīng)速度等，并對整個(gè)顯示器的畫質(zhì)均一性，如Mura，要求也越來越苛刻。市場的主流電視產(chǎn)品均采用TFT-LCD作為顯示面板，而電視產(chǎn)品尺寸大，局部畫質(zhì)不均一是常見的品質(zhì)問題。

Mura是指在相同灰階畫面下，因視覺感受到的明暗不均勻現(xiàn)象[3]，直觀的判定方法為：調(diào)節(jié)產(chǎn)品到灰階畫面，從不同視角觀察，會(huì)在面板的不良位置看到明暗度差異以及色彩不均一。Mura在TFT-LCD生產(chǎn)過程中是比較常見的缺陷不良[4-7]，影響因素較多。為此，徐偉[8]等進(jìn)行了大量的研究工作，整理總結(jié)了3類Mura產(chǎn)生原因：發(fā)光源本身造成的Mura、液晶相關(guān)異常造成的Mura以及由于陣列成型工藝過程中產(chǎn)生的電學(xué)性Mura。多數(shù)Mura通過實(shí)物分析可以明確具體原因，如光照異常[9]、切割導(dǎo)致黑色光阻外漏[10]、TFT與彩膜對位偏差大[11]、液晶量偏多[12]等，極少部分Mura從實(shí)物分析中很難得出明確結(jié)論，需要采用工藝驗(yàn)證才能解釋。本文針對電視產(chǎn)品量產(chǎn)過程中出現(xiàn)的一種未知黑Mura，從液晶盒特性、微觀與電學(xué)以及工藝驗(yàn)證的角度進(jìn)行了大量測試和分析推理，提出了切實(shí)可行的解決方案，此類特殊不良以及相同驗(yàn)證研究尚未見諸報(bào)道。

2 不良分析

2.1 不良現(xiàn)象

產(chǎn)品給信號與背光源點(diǎn)亮。不良在低灰階畫面可見，其他高灰階畫面以及紅綠藍(lán)單色看不到，正視或20°側(cè)視屏，不良不明顯；在上下視角達(dá)到45°后清晰可見，為泛黑色Mura，條狀。與基板一邊夾角固定，條狀Mura水平間距固定，點(diǎn)燈時(shí)長超過20 min，不良可消失，不再復(fù)現(xiàn)。

圖1 不良現(xiàn)象Fig.1 Defect phenomenon

2.2 液晶盒特性測試

對異常區(qū)域以及相鄰正常區(qū)域特性進(jìn)行測試，結(jié)果如圖2和圖3所示。異常與正常區(qū)域盒厚均在3.52～3.55 μm之間，液晶扭曲角均在0.35°～0.5°之間，對比特性兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均無明顯異常，說明非盒厚性及液晶配向不良。

圖2 盒厚對比Fig.2 Gap comparison

圖3 扭曲角對比Fig.3 Twist angle comparison

2.3 膜面微觀分析

拆屏將TFT側(cè)與彩膜側(cè)相互搓動(dòng)，不良跟隨TFT側(cè)移動(dòng)，判斷不良位于TFT側(cè)。去除液晶，在宏觀Mura檢查機(jī)下觀察TFT側(cè)膜面，未見異常。微觀分析，相同SEM參數(shù)下得出如圖4結(jié)果，對比正常與異常區(qū)域，表面形貌一致，未見明顯異常。

圖4 正常區(qū)域(a)與異常區(qū)域(b)微觀形貌Fig.4 Normal area(a) and abnormal area(b) microtopography

2.4 電學(xué)分析

正常模組產(chǎn)品的源極使用交流信號，柵極掃描頻率為60 Hz。改變源極交流信號和柵極掃描頻率，可激發(fā)出電學(xué)性不良現(xiàn)象。對不良屏源極施加直流信號，不良形態(tài)及程度未變化。增加和減小柵極掃描頻率分別至70 Hz和50 Hz，不良形態(tài)及程度仍未有明顯變化。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

通過實(shí)物分析，很難明確不良發(fā)生原因，需產(chǎn)線工藝驗(yàn)證才能有結(jié)論。黑Mura在形態(tài)上，與對盒工藝的清洗機(jī)一種單元-高壓二流體噴淋(High Presure Micro Jet，HPMJ)有一定匹配性。在對盒工藝中，有兩道含高壓二流體噴淋的清洗工序；配向膜涂覆前的清洗(配向膜清洗機(jī))以及摩擦配向后的清洗。需通過試驗(yàn)明確高壓二流體噴淋對黑Mura的影響以及機(jī)理分析，便于后續(xù)改善。

黑Mura在基板上位置固定。投入前，在兩道清洗工序中將TFT基板水平旋轉(zhuǎn)180°，觀察不良發(fā)生位置。驗(yàn)證數(shù)量均為60張，基板在摩擦配向后清洗機(jī)前水平旋轉(zhuǎn)180°，不良位置未變動(dòng)。而基板在配向膜清洗機(jī)前旋轉(zhuǎn)后，不良在基板上位置也同樣水平旋轉(zhuǎn)了180°，故黑Mura直接成因來源于配向膜清洗機(jī)高壓二流體噴淋單元。常規(guī)配向膜清洗機(jī)工序：等離子清洗→潤濕→藥液清洗→毛刷→高壓二流體噴淋→風(fēng)刀吹干→紫外光清洗，清洗機(jī)屬于一個(gè)完整且相互影響的系統(tǒng)，因此需在清洗機(jī)中各相關(guān)工序設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法，來明確對黑Mura的影響。

3.1 清洗速度放緩對黑Mura的影響

高壓二流體噴淋清洗的原理是：清洗液和氣體加壓到5～30 MPa 后，通過Micro Jet 噴嘴噴出，形成了大量的幾微米或幾十微米的微小形態(tài)液滴，并以極高速度和密度連續(xù)地噴射沖擊清洗表面，從而可將粉塵粒子、臟物除去，去除的異物粒徑在幾微米到幾百微米不等[13]。

高壓二流體噴淋清洗效果的好壞會(huì)直接影響后端不良，從改善不良角度考慮，需提升高壓二流體噴淋清洗效果，降低TFT基板在清洗機(jī)中的流片速度。因產(chǎn)能問題，需設(shè)計(jì)合理的速度。如表1所示，共進(jìn)行兩組測試，原來速度為A，每組各降低500 mm/min和1 000 mm/min。結(jié)果表明，TFT基板降速500 mm/min對改善黑Mura有一定好處，但仍有0.31%發(fā)生率；當(dāng)降速1 000 mm/min時(shí)，黑Mura已經(jīng)沒有發(fā)生，改善效果明顯，但TFT基板流動(dòng)速度降低會(huì)影響工廠產(chǎn)能，需從其他方向改善。

表1 TFT基板在清洗機(jī)降速與黑Mura發(fā)生率關(guān)系Tab.1 Relationship between cleaner speed and black Mura

3.2 清洗后放置時(shí)間對黑Mura的影響

正常工藝中，TFT基板經(jīng)過配向膜清洗后，不經(jīng)過后端緩沖腔室放置，直接進(jìn)行配向膜膜涂覆。本次驗(yàn)證方法為配向膜清洗后，TFT基板在緩沖腔室中放置一定時(shí)間，可使一些揮發(fā)性的物質(zhì)耗散。設(shè)置4組測試，靜置時(shí)間分別為10，30，60，120 min，發(fā)生率分別為0.94%，0.78%，1.09%，0.63%，如表2所示。結(jié)果表明，經(jīng)過配向膜清洗后增加放置動(dòng)作，無易揮發(fā)性物質(zhì)存在，對不良改善效果不明顯。

表2 緩沖腔室放置時(shí)間與黑Mura發(fā)生率關(guān)系Tab.2 Relationship between buffer laying time and black Mura

3.3 毛刷對黑Mura的影響

毛刷位于高壓二流體噴淋前方，對清除玻璃基板上5 μm以上的異物效果明顯。使用的毛刷要經(jīng)常保持清潔，因?yàn)樗⒆訒?huì)吸收附著物，引起玻璃基板的二次污染。刷子壽命較短，容易老化、掉落，當(dāng)基板表面膜層材質(zhì)比較松軟時(shí)，還容易引起玻璃基板膜層劃傷，因此毛刷工序相對敏感。同時(shí)，流片過程中毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)，一直與玻璃基板摩擦，會(huì)產(chǎn)生靜電，對TFT基板會(huì)有一定影響,可能在經(jīng)過高壓二流體噴淋后加重，因此把上下毛刷均遠(yuǎn)離玻璃基板驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示，不使用毛刷，黑Mura發(fā)生率為0.78%，無明顯改善效果。

表3 毛刷有無使用與黑Mura的發(fā)生率關(guān)系Tab.3 Relationship between brush and black Mura

3.4 紫外光清洗強(qiáng)度對黑Mura的影響

紫外光清洗是為了去除有機(jī)物，對改善基板表面的親和性，降低基板表面的接觸角有很大幫助。玻璃基板所積累的紫外線能量越多，表面有機(jī)物越少。為排除微觀不可見有機(jī)物的影響，增加紫外燈數(shù)量2燈→3燈→5燈驗(yàn)證，黑Mura發(fā)生率分別為0.94%、0.63%和0.78%，如表4所示，效果不明顯。

表4 紫外燈數(shù)量與黑Mura發(fā)生率關(guān)系Tab.4 Relationship between UV lamp quantity and black Mura

3.5 高壓二流體噴淋壓力對黑Mura的影響

高壓二流體噴淋壓力越大，清洗效果越好，但容易使基板破損。因此設(shè)置10，8，5，0 MPa(0 MPa代表關(guān)閉高壓二流體噴淋)，黑Mura發(fā)生率分別為0.94%，0.78%，0.31%，0.00%，如表5所示。壓力越低，黑Mura發(fā)生率越低。關(guān)閉高壓二流體噴淋后，黑Mura沒有發(fā)生。

表5 高壓二流體噴淋壓力與黑Mura發(fā)生率關(guān)系Tab.5 Relationship between HPMJ pressure and black Mura

4 機(jī)理分析與改善

通過觀察基板在清洗機(jī)的流片狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)一部分基板會(huì)因后端取片機(jī)抽片不及時(shí)，在高壓二流體噴淋下停留，而停留的基板黑Mura發(fā)生率要明顯高于正常水平。在高壓二流體噴淋下無停留的基板，黑Mura發(fā)生率極低。所以當(dāng)CO2管道中有水進(jìn)入，沖刷時(shí)，高壓二流體噴淋持續(xù)對玻璃基板沖刷會(huì)對TFT膜面產(chǎn)生影響。通過各項(xiàng)相關(guān)工藝驗(yàn)證，可進(jìn)一步說明黑Mura形成機(jī)理。

4.1 機(jī)理分析

驗(yàn)證3.1中，降低玻璃基板流片速度，發(fā)生率下降明顯，主要是配向膜清洗機(jī)產(chǎn)出緩慢，基板可被取片機(jī)及時(shí)取走，不會(huì)在高壓二流體噴淋下停留。驗(yàn)證3.2表明，受到高壓二流體噴淋持續(xù)沖刷后，不良區(qū)域基本沒有可揮發(fā)性物質(zhì)形成。驗(yàn)證3.3和3.4表明，異常區(qū)域無微觀不可見有機(jī)物形成，毛刷沒有二次污染基板。涂漢敏等對CO2-水體系的相平衡特征進(jìn)行了研究，并說明CO2和H2O有多種締合模型[14]，CO2提前長時(shí)間和水接觸，會(huì)溶入水中形成各種締合物，在高壓二流體噴淋沖刷玻璃基板后可能殘留在表面，但驗(yàn)證3.2和3.4可以排除，因?yàn)樽贤夤庠鰪?qiáng)，靜置時(shí)間增加，締合物會(huì)分解殆盡，發(fā)生率會(huì)降低，但結(jié)果未明顯體現(xiàn)。

結(jié)合點(diǎn)燈現(xiàn)象與工藝驗(yàn)證可排除基板表面極微觀物質(zhì)殘留可能性，電荷殘留相關(guān)性更大。CO2提前溶入水中，最后經(jīng)過高壓二流體噴淋，水阻值發(fā)生變化，除靜電效果變差，長時(shí)間沖刷玻璃基板，電荷會(huì)持續(xù)累積被TFT保護(hù)層所俘獲，并形成感應(yīng)積累的電荷，如圖5所示，在后端工藝很難消散。制作成面板后，點(diǎn)燈狀態(tài)下，這些電荷干擾了像素區(qū)正常電場，出現(xiàn)與正常區(qū)域差異化顯示效果。在持續(xù)點(diǎn)燈過程中，TFT開關(guān)不停充放電，保護(hù)層俘獲的電荷和感應(yīng)積累的電荷逐漸釋放，不良逐漸變輕直到消失，之后再次點(diǎn)燈，不良也不復(fù)現(xiàn)。

圖5 TFT膜層積累的電荷Fig.5 Charge accumulated on the TFT layer

彩膜層結(jié)構(gòu)如圖6所示，玻璃上層分別是黑色光阻、紅綠藍(lán)光阻、平坦層和支撐柱，材質(zhì)相同均為高分子材料且結(jié)構(gòu)簡單，不易出現(xiàn)電荷殘留；而通過圖5可見TFT基板膜層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料繁多。層與層之間容易累積電荷，并相互感應(yīng)，不易消散。

圖6 彩膜結(jié)構(gòu)Fig.6 Color film structure

4.2 改善措施

通過工藝驗(yàn)證，改善黑Mura有兩種措施。第一種是不變動(dòng)高壓二流體噴淋，減少基板在高壓二流體噴淋下的停留。本驗(yàn)證降低流片速度1 000 mm/min后，不良可降到0.00%。這種做法適用于產(chǎn)能不緊張的情況下。如果要提升產(chǎn)能，可以提升軟件系統(tǒng)，設(shè)置合理取片機(jī)取屏方式，比如，配向膜清洗機(jī)后端停機(jī)后，取片機(jī)可將清洗機(jī)產(chǎn)出的基板及時(shí)取出，放置在緩沖腔室中；待后端開機(jī)后，持續(xù)投入，保證清洗機(jī)無基板停留。

第二種改善措施是監(jiān)控或關(guān)閉高壓二流體噴淋。在高壓二流體噴淋的管道中設(shè)置監(jiān)控探頭，如果有異?？梢约皶r(shí)報(bào)警反饋，便于查找原因并維護(hù)，降低不良發(fā)生率。關(guān)閉高壓二流體噴淋，可完全避免黑Mura發(fā)生，同時(shí)，對于產(chǎn)線來講，監(jiān)控會(huì)減少，基板破損降低，節(jié)能減排，人員處理更便捷，不用的高壓二流體噴淋設(shè)備可為配向工藝后清洗機(jī)作備件，節(jié)約了設(shè)備采購費(fèi)，但是會(huì)導(dǎo)致盒內(nèi)異物增加以及配向膜膜面涂覆異常，需驗(yàn)證并調(diào)試清洗機(jī)其他單元。

5 結(jié) 論

本文針對TFT-LCD制程中出現(xiàn)的黑Mura進(jìn)行研究分析和工藝驗(yàn)證改善，通過液晶盒特性、表面微觀和電學(xué)分析確認(rèn)了不良為極微觀異常，實(shí)物分析很難得出結(jié)論，需依靠工藝驗(yàn)證才能明確癥結(jié)所在。首先不良實(shí)物形貌匹配指向清洗機(jī)高壓二流體噴淋單元，通過基板在清洗機(jī)投入前的水平旋轉(zhuǎn)驗(yàn)證，判斷為配向膜清洗機(jī)對TFT基板造成了影響。清洗機(jī)屬于一個(gè)完整而復(fù)雜的系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)了清洗速度降低、清洗后增加靜置時(shí)間、紫外光強(qiáng)度提升、毛刷遠(yuǎn)離基板以及高壓二流體噴淋壓力調(diào)整這5項(xiàng)驗(yàn)證，分析得出黑Mura成因主要為電荷積累，無法耗散，點(diǎn)燈狀態(tài)下影響到亞像素正常電場。改善措施為減少基板在高壓二流體噴淋單元下的停留以及增加監(jiān)控或關(guān)閉高壓二流體噴淋，均可使黑Mura發(fā)生率降低到0.00%，既提升了產(chǎn)品品質(zhì)，又降低了后端模組維修壓力。本研究的思路和方案也可作為后續(xù)不良解決的參照，同時(shí)清洗機(jī)導(dǎo)致的Mura類不良也值得繼續(xù)研究。