ITO區(qū)黑化法修復(fù)亮點理論模型及工藝參數(shù)分析

吳國東， 喬律華， 韓海濱， 王 彬， 張少芬， 聶竹華， 蔡云牧， 王賀衛(wèi)

(合肥京東方顯示技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230012)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,TFT-LCD)在生產(chǎn)制造過程中，不良種類和現(xiàn)象頻繁發(fā)生。其中，像素亮點缺陷在行業(yè)內(nèi)的發(fā)生率約為0.5%，其對顯示品質(zhì)的影響已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的共識[1]，如何針對微米級亮點缺陷進(jìn)行便捷且高效的修復(fù)，減少修復(fù)帶來的負(fù)面影響，是本領(lǐng)域技術(shù)人員研發(fā)的方向之一。

當(dāng)前，針對成盒后液晶顯示面板像素亮點不良的修復(fù)方法主要有焊接法、彩膜碳化法和黑色矩陣擴(kuò)散法，其目的均為將像素亮點修復(fù)成暗點[2-4]。

然而，傳統(tǒng)的激光焊接法因會產(chǎn)生低亮點和進(jìn)行性不良而逐步被淘汰。彩膜碳化法由于激光灼燒后的紅色、綠色和藍(lán)色子像素灰度值很難達(dá)到暗點判定標(biāo)準(zhǔn)而未得到廣泛應(yīng)用。黑色矩陣擴(kuò)散法在像素亮點修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，無潛在進(jìn)行性不良，修復(fù)后灰度高，遮蓋效果良好，國內(nèi)外已有相關(guān)的專利和研究論文，但是隨著面板尺寸不斷增大和黑色矩陣的比重逐步降低，其修復(fù)成功率也隨之下降。

另一方面，隨著對脈沖激光的深入研究和在微加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其效率高、速度快、精度好等優(yōu)勢的非接觸式加工模式得到了行業(yè)內(nèi)的高度認(rèn)可，并在工業(yè)[5-6]、農(nóng)業(yè)[7]、醫(yī)學(xué)[8-9]等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。

其中，飛秒激光以其極高的峰值、較小的損傷閾值、高的聚焦力等特性逐步成為21世紀(jì)的研究熱點之一[10]。相關(guān)研究[11-12]成功實現(xiàn)了在厚度為2 mm的不銹鋼樣件上加工直徑330 μm的微孔，其超窄的脈沖寬度，使其在與材料相互作用時能夠有效地降低激光作用點附近的熱效應(yīng)。

截至目前，液晶顯示面板行業(yè)暫無利用飛秒激光修復(fù)亮點的量產(chǎn)實績，同時沒有公開的系統(tǒng)性研究論文和報道。本文研究工作首先成功地利用飛秒激光建立并通過實驗驗證了ITO區(qū)黑化法修復(fù)亮點的理論模型，其次對影響各個工藝參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)、全面地分析，提出了囊括所有工藝參數(shù)的變量，最后以此變量為亮點不良修復(fù)成功率的提升提供了一定的理論依據(jù)。本研究為該方法后續(xù)的深入分析奠定基礎(chǔ)，同時為飛秒激光在液晶面板相關(guān)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

2 ITO區(qū)黑化法修復(fù)模型

2.1 修復(fù)方法

飛秒激光器加工的相關(guān)研究均表明了加工過程所存在的燒蝕機(jī)制[10]。本文ITO區(qū)黑化修復(fù)法的基本理論模型為：利用特定工藝參數(shù)的飛秒激光從陣列基板的一側(cè)，如圖1(a)所示，對子像素單元的公共電極、無機(jī)絕緣層、像素電極、配向膜層進(jìn)行灼燒，如圖1(b)所示。最終使陣列基板正對亮點子像素部分的ITO濾光區(qū)灰度值達(dá)到暗點標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到遮光目的，修復(fù)前后的效果分別如圖2(a)、(b)所示。

圖1 子像素的修復(fù)模型示意圖。(a)平面圖；(b)顯示區(qū)剖面圖。

圖2 子像素的顯示區(qū)域。(a)修復(fù)前；(b)修復(fù)后。

實驗樣品為某款165.1 cm (65 in)ADS顯示模式的液晶顯示屏。其中，公共電極、像素電極分別為第一層ITO、第二層ITO，是一種N型半導(dǎo)體材料(n(In2O3)∶n(SnO2)=9∶1)。絕緣硅層[13](SiNx)介于公共電極和像素電極之間。像素電極上層涂布形成的配向膜[14]為有機(jī)高分子聚合物(聚酰亞胺)。

2.2 修復(fù)設(shè)備簡介

飛秒激光灼燒法所使用的設(shè)備[15]主要由激光器及激光聚焦光路組成的光學(xué)系統(tǒng)，顯示平板承載基臺、控制激光聚焦光路系統(tǒng)移動的機(jī)械系統(tǒng)和修復(fù)效果軟件檢測單元組成的檢測系統(tǒng)組成，如圖3。

飛秒激光器為脈沖型激光器，工作時以固定頻率的單個脈沖進(jìn)行鐳射。首先，激光器按設(shè)定頻率進(jìn)入光路系統(tǒng)，然后經(jīng)軸向尺寸被加工至所需求的光斑大小，聚焦后到達(dá)加工端，最后在控制系統(tǒng)下使得激光束按照特定參數(shù)對亮點不良進(jìn)行精確修復(fù)。

圖3 修復(fù)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 修復(fù)效果檢測

在修復(fù)完成后，設(shè)備檢測單元對修復(fù)效果進(jìn)行第一次檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)為：(1)像素ITO顯示區(qū)的光線遮擋率≥95.0%。其次，點燈器件會對修復(fù)效果進(jìn)行第二次檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)為：(2)修復(fù)后ITO區(qū)的點燈灰度值達(dá)到暗點標(biāo)準(zhǔn)，且未產(chǎn)生其他不良。

3 工藝影響因素分析

3.1 激光器及設(shè)備因素

半導(dǎo)體材料在一定脈沖寬度的飛秒激光作用下，當(dāng)激光能量密度高于某個定值就會發(fā)生燒蝕[10]。本實驗中，與飛秒激光相關(guān)的工藝參數(shù)包括：激光單脈沖能量E、激光頻率f、脈寬t、激光焦距L，掃描速度v、加工端光斑邊長a×b等，列于表1中。

以上參數(shù)中，脈寬為固定參數(shù)，由激光器自身工作物質(zhì)、構(gòu)造決定，焦距也為設(shè)備固定參數(shù)。

單個脈沖激光能量、激光頻率、掃描速度、加工端光斑大小等4個變量均存在影響激光能量密度的可能性[16-18]。

表1 飛秒激光相關(guān)的工藝參數(shù)

3.2 常見的修復(fù)失敗模式

常見的失敗模式主要有兩種，第一種為黑化后像素顯示區(qū)的光線遮擋率低于95.0%，第二種為在點燈條件產(chǎn)生其他不良，如圖4、圖5所示。

圖4 第一種修復(fù)失敗模式

第一種失敗模式是由于加工端激光功率密度較低，未能將ITO區(qū)燒蝕后完全黑化。

第二種失敗模式是由于激光能量密度過大，導(dǎo)致激光透過液晶作用于彩膜側(cè)的能量過大，見圖5(a)，使其中色阻材質(zhì)中的過渡金屬離子(鐵、銅等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后浸出，進(jìn)而影響點燈時周邊顯示效果(如周邊發(fā)黑等)，如圖5(b)所示。

圖5 第二種修復(fù)失敗模式的子像素顯示區(qū)(a)和點燈現(xiàn)象(b)

4 實 驗

為驗證本文建立的修復(fù)模型，制作某型號產(chǎn)品在修復(fù)成功前、后的樣品，分析顯微鏡、點燈畫面下的圖片和現(xiàn)象，同時進(jìn)行聚焦離子束(FIB)圖片表征。

另一方面，為驗證常見的兩種修復(fù)失敗模式，對修復(fù)失敗的樣品進(jìn)行FIB圖片分析。

為分析激光及設(shè)備工藝參數(shù)對黑化效果和修復(fù)成功率的影響，我們通過分別對與其相關(guān)的單脈沖激光單位面積的能量、激光頻率、掃描速度、加工端光斑邊長等4個變量進(jìn)行控制變量分析實驗。

實驗中，單脈沖激光能量E無法直接設(shè)定或測量，本文利用加工端激光能量測量儀(Power Meter)可測得加工端時的總功率P0進(jìn)行后續(xù)工藝參數(shù)換算，如圖6所示。

圖6 激光能量測量儀

5 結(jié)果與討論

5.1 修復(fù)模型驗證

圖7(a)、(b)分別為修復(fù)前后ITO區(qū)的FIB圖片。圖7(a)各斷面位置按從上到下的順序分別為配向膜層，厚度為65 nm；第二層ITO，厚度均為40 nm；絕緣硅層，厚度為600 nm；第一層ITO，厚度為40 nm。各斷面層緊貼在一起。綜上，ITO區(qū)總厚度為0.745 μm，實際測量值和標(biāo)準(zhǔn)一致。圖7(b)為修復(fù)后的ITO區(qū)的FIB圖片，可看出，燒蝕后各斷面的層次性已經(jīng)消失，并凝結(jié)為塊狀，測出ITO區(qū)域總厚度約為0.73 μm，與修復(fù)前幾乎相同。

圖7 修復(fù)前(a)和修復(fù)后(b)子像素ITO區(qū)域的FIB圖

圖8 修復(fù)前(a)和修復(fù)后(b)子像素ITO區(qū)域的SEM圖

圖8(a)、(b)分別為修復(fù)前后ITO區(qū)的SEM圖片，對比圖1(a)和圖8(a)，在單獨背光檢測條件下，燒蝕后ITO表面出現(xiàn)黑化的現(xiàn)象，這表明ITO區(qū)被飛秒激光燒蝕后黑化，達(dá)到遮光的目的。

圖9(a)、(b)分別為子像素修復(fù)前、后的彩膜側(cè)基板側(cè)的FIB圖片，各斷面位置按從上到下的順序分別為配向膜層、OC保護(hù)層、彩膜色阻層和玻璃基板。由圖片可知，修復(fù)前后各斷面均未發(fā)生變化，同時未產(chǎn)生熱裂紋，表明其未受燒蝕影響。

圖9 修復(fù)前(a)和修復(fù)后(b)子像素彩膜基板側(cè)顯示區(qū)域的FIB圖

值得注意的是，為排除配向膜聚酰亞胺中碳元素對驗證修復(fù)模型的影響，選擇一組未進(jìn)行配向膜工序的陣列基板開展ITO區(qū)激光燒蝕實驗，實驗結(jié)果表明，ITO區(qū)仍被燒蝕并凝結(jié)為黑色塊狀化合物。

結(jié)合相關(guān)ITO靶材黑化物的研究[19]，當(dāng)ITO區(qū)主要成分In2O3、SnO2被部分還原并轉(zhuǎn)變成黑色亞氧態(tài)InO、SnO時，ITO表面會呈現(xiàn)黑色。

綜上，本文所建立的修復(fù)模型為陣列基板中第一層ITO、第二層ITO和絕緣硅層在激光燒蝕后凝結(jié)為黑色混合物，同時配向膜被碳化，最終使得陣列基板ITO區(qū)被黑化并形成暗點的目的。

5.2 修復(fù)失敗模式驗證

為驗證前文所述的兩種常見失敗模式，對修復(fù)失敗的樣品進(jìn)行FIB圖片分析。

第一種失敗模式為ITO區(qū)燒蝕后未黑化完全，導(dǎo)致像素顯示區(qū)的光線遮擋率低于95.0%。其FIB圖片如圖(10)所示。由圖可知，修復(fù)后的ITO區(qū)僅第一層ITO和部分絕緣硅層被激光燒蝕凝結(jié)，部分區(qū)域的層次性依然存在，這表明激光能量未能使子像素的ITO區(qū)完全凝結(jié)并黑化，導(dǎo)致黑化效果較差。

圖10 修復(fù)后子像素ITO區(qū)域的FIB圖片

第二種修復(fù)模式為激光透過液晶作用于彩膜側(cè)的能量過大，使其中色阻材質(zhì)中的過渡金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后浸出，影響周邊顯示效果。其FIB圖片如圖(11)所示。對比圖9(a)可知，彩膜基板中配向膜和保護(hù)層均被透過液晶的高能量激光碳化，同時彩膜層上方凹凸不齊，這表明激光已經(jīng)作用于彩膜層。這就是第二種修復(fù)失敗模式。

圖11 修復(fù)后子像素彩膜基板側(cè)顯示區(qū)域的FIB圖片

5.3 激光器及設(shè)備因素影響

當(dāng)飛秒激光以單脈沖能量E0，激光頻率f0，掃描速度v0，加工光斑大小a×b加工時，測得加工端時的總功率P0，計算單位面積上接受到的激光總能量w如下。

首先，單個激光脈沖到達(dá)工作面后的能量為

(1)

那么，單個激光脈沖到達(dá)工作面后對單位面積上施加的能量e:

(2)

其次，以速度v0進(jìn)行掃描時，相鄰兩個光斑的距離d為

(3)

再次，激光對單個加工光斑尺寸面積上施加了n次脈沖:

(4)

最后得到w:

.

(5)

相關(guān)研究[17]對e計算時，默認(rèn)是在最大光斑面積下的單脈沖能量：

.

(6)

本實驗中，為探究光斑大小(a×b)下e的均勻性，設(shè)置f= 125 kHz，a=b，固定衰減器ATT，在不同光斑a∈(1 μm，30 μm)條件下得到實時測量的P值，最后根據(jù)公式(1)計算e，實驗結(jié)果見表2和圖12。

表2 激光總功率P、單脈沖激光單位面積能量e分別和加工光斑大小a的關(guān)系

圖12 激光總功率P、單脈沖激光單位面積能量e分別與加工光斑大小a的關(guān)系。

結(jié)果表明，隨著加工光斑持續(xù)增大，激光總功率P也逐漸增大，但是單脈沖激光單位面積能量e呈曲線對應(yīng)關(guān)系，這表明在聚焦系統(tǒng)下不同光斑下的能量密度e均勻性較差，不適用于公式(6)。值得注意的是，在a∈(4.0，10.0) μm時，能量密度e分布均勻性較好，為(2.7±0.1) mJ/mm2。

實驗中，由于E無法直接設(shè)定和測量，我們根據(jù)公式(1)、(2)將單脈沖能量E通過衰減器調(diào)節(jié)P轉(zhuǎn)換為e進(jìn)行換算。

首先，通過4輪實驗，每輪實驗只改變1個參數(shù)，另外3個參數(shù)固定，每輪8～10組，對每組參數(shù)進(jìn)行5次燒蝕測試，然后利用圖像檢測軟件對5次黑化效果進(jìn)行檢測，得出每張照片光線遮擋率的值，最后算得平均值。同時，為避免光斑長邊過長或短邊過短對光斑內(nèi)能量密度e分布均勻性的影響，設(shè)置a=b∈(4.0，10.0)μm。綜上，可分別探究e、f、v、a四個參數(shù)對黑化效果影響，并根據(jù)公式計算e、w，實驗條件見表3。

表3 第1～4輪實驗條件以實驗結(jié)果

續(xù) 表

圖13 遮光率與單脈沖激光單位面積能量的關(guān)系

圖14 遮光率與激光頻率的關(guān)系

圖15 遮光率與光斑大小的關(guān)系

圖16 遮光率與掃描速度的關(guān)系

第1 ～ 4輪結(jié)果如圖13～16所示，4個參數(shù)在燒蝕中均存在一個最優(yōu)區(qū)間，即在滿足遮光效果的前提下未產(chǎn)生其他不良，在固定其他參數(shù)時，其最優(yōu)區(qū)間分別為e∈(1.9，4.6) mJ/mm2，f∈(180，455) kHz，v∈(100，150) μm/s和a∈(5.00，10.0) μm。

此外，結(jié)合公式(5)和第1～4輪實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，w在4輪實驗中的最優(yōu)區(qū)間存在一個交集，這表明黑化效果可能與w存在某種關(guān)系。

為研究該推測，開展下列實驗。將w設(shè)定為交集區(qū)間內(nèi)、外的某些定值，然后采用不同的e、f、v、a組合，其中a=b∈(4.0，10.0) μm，以驗證相同w值條件下，黑化效果的一致性，如表4所示。

需要說明的是，當(dāng)e低于1.0 mJ/mm2時，調(diào)節(jié)其他參數(shù)時，黑化效果都相對較差[10，17]。這可能是由于低能量脈沖激光的簡單疊加不能滿足于ITO區(qū)半導(dǎo)體瞬間燒蝕機(jī)制的需求[20]?；诖耍铝袑嶒炛?，e都設(shè)置在1.0 mJ/mm2以上。

表4 第5～10輪實驗條件以及實驗結(jié)果

續(xù) 表

圖17 遮光率與w之間的關(guān)系

從第5～8輪實驗可以看出，在固定w值的條件下，除去測量誤差及設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定性對實驗的影響，表征黑化效果的遮光率值波動較小。這樣，w數(shù)值大小能夠與黑化效果相對應(yīng)，可以表征黑化效果。

對圖17中數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單擬合，得出w值與遮光率y的關(guān)系大致如下：

y=2×10-12w3-6×10-8w2+5×10-4w-0.47

.

(7)

當(dāng)w≤3 000時，黑化效果未達(dá)暗點標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)4 250≤w≤12 500時，黑化效果達(dá)到暗點標(biāo)準(zhǔn)，此時遮光率均大于95%，且未產(chǎn)生其他不良；當(dāng)w≥14 000時，遮光率雖然都大于95%，但會產(chǎn)生其他不良。即對于某款165.1 cm(65 in)的ADS顯示模式的產(chǎn)品，當(dāng)4 250≤w≤12 500時，飛秒激光可以很好地實現(xiàn)ITO區(qū)黑化。

值得注意的是，在w≤2 000時，ITO區(qū)黑化效果幾乎忽略不計，遮光率<3.0%。對于飛秒激光ITO區(qū)黑化燒蝕機(jī)制和工藝參數(shù)深層次影響的原理分析，目前實驗條件下還無法進(jìn)行探究。現(xiàn)階段本研究工作的意義在于，通過文中建立的理論模型，結(jié)合工藝參數(shù)的擬合分析，得到w與黑化后遮光率的關(guān)系，為量產(chǎn)中飛秒激光的工藝參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化提供參考。

6 結(jié) 論

本文基于飛秒激光燒蝕機(jī)制開展了ITO區(qū)黑化法修復(fù)亮點理論模型和工藝參數(shù)的相關(guān)研究，結(jié)合實驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)成功建立并通過實驗驗證了ITO區(qū)黑化法修復(fù)理論模型在液晶顯示面板修復(fù)亮點領(lǐng)域的可行性，滿足量產(chǎn)信賴性。

(2)飛秒激光工藝參數(shù)中，單脈沖激光單位面積能量e、激光頻率f、掃描速度v和加工端光斑大小a等4個參數(shù)都會影響黑化效果，本文提出的整合型w值能很好地對應(yīng)飛秒激光燒蝕后的黑化效果，在實際量產(chǎn)中可以指導(dǎo)工藝參數(shù)的設(shè)置。

(3)對于某款165.1 cm(65 in) ADS顯示模式的產(chǎn)品，當(dāng)單脈沖激光單位面積上的能量e為1.0 mJ/mm2，a=b∈(4，10) μm，w∈(4 250，12 500)時，黑化后遮光率均大于95%且未產(chǎn)生其他不良，量產(chǎn)修復(fù)成功率高達(dá)95.5%。