液晶面板制作中配向膜涂布前清洗技術(shù)

張 帆 宋金林 施利君 胡 磊

蘇州晶洲裝備科技有限公司，江蘇蘇州，215000

1 引言

隨著液晶顯示面板在顯示器領(lǐng)域的不斷發(fā)展，液晶顯示面板在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈。液晶產(chǎn)品擁有量不斷增大和使用的普及，使人們對(duì)液晶顯示產(chǎn)品在響應(yīng)時(shí)間、對(duì)比度、廣視角及低功耗等方面的顯示品質(zhì)上，也提出了更高的要求。如今響應(yīng)時(shí)間、殘像等顯示特性已成為全世界學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)。薄膜晶體管液晶顯示器（thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD）是由液晶顯示面板和電路板及背光組件組合而成。液晶顯示面板由陣列（array）背板、彩色濾光膜（color filter，CF）背板、兩背板中的液晶及封框膠組成。因此，液晶顯示面板制作工藝包括Array工藝、CF工藝和成盒（cell）工藝，其中成盒工藝為在陣列基板和彩色濾光膜基板上涂布配向膜，待其固化后，在陣列或彩色濾光膜基板上進(jìn)行封框膠涂布和液晶滴入，在真空條件下陣列基板和彩色濾光膜基板進(jìn)行對(duì)盒，并通過(guò)紫外光和加熱使液晶呈現(xiàn)規(guī)律排布及封框膠固化[1]。其過(guò)程如圖1所示。

圖1 Cell工藝流程

其中，配向膜涂布工藝是在TFT基板及CF基板上涂布上配向膜材，可使液晶分子在上部形成取向，使其具備一定的預(yù)傾角，使液晶面板隨著開關(guān)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶的定向偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)各種色彩的呈現(xiàn)。液晶分子在玻璃基板表面液晶取向?qū)由系牟煌帕兄苯佑绊戯@示功能，而液晶配向?qū)幼鳛橐壕У幕d層與液晶直接接觸。因此，液晶配向?qū)颖砻嬉壕Х肿拥呐挪家欢ǔ潭壬鲜芘湎驅(qū)有阅艿挠绊懀M(jìn)而，顯示器的對(duì)比度、響應(yīng)時(shí)間等顯示特性也受到影響。所以形成質(zhì)量較好的配向膜層就顯得尤為重要。

2 配向膜涂布工藝制作

平板顯示中液晶顯示的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，市場(chǎng)需求量急速增長(zhǎng)，為了提高LCD產(chǎn)品質(zhì)量，把好生產(chǎn)過(guò)程的工藝關(guān)，成盒工藝中配向膜涂布質(zhì)量的好壞直接影響成盒質(zhì)量，從而影響LCD質(zhì)量。配向膜涂布工序流程如下：前清洗→紅外/紫外（IR/UV）清洗→聚酰亞胺（PI）涂布→預(yù)固化→主固化。其中前清洗的目的是去除基本表面異物；IR/UV清洗可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基板的深層洗凈；PI涂布是將PI液印刷到基板表面，如圖2所示；預(yù)固化可以通過(guò)加熱使配向膜中的溶劑部分揮發(fā)，使PI初步成膜，另外配向膜在未干燥時(shí)易吸附異物，為了防止黏附異物，需要進(jìn)行預(yù)干燥處理；主固化目的是進(jìn)一步使配向材中的溶劑全部揮發(fā)，并且配向材發(fā)生脫水反應(yīng)而固化，形成配向膜[2]。

圖2 PI Coating示意

配向膜涂布的原理是通過(guò)轉(zhuǎn)印的方式將配向膜印刷到TFT/CF基板上。其中，版酮：用于安裝感光樹脂（APR）版；Doctor Roller（Blade）：刮膠輥（刮刀），目的是使均膠輥（Anilox Roller）上的PI液均勻；均膠輥：用于將PI液涂到APR板上，上有小坑成網(wǎng)狀排布，目的是使PI液涂布均勻。

配向膜涂布工藝產(chǎn)生的主要不良有配向膜漏印、膜厚不均、脫膜、異物、劃傷。其中脫膜、異物、劃傷不良與涂布前清洗相關(guān)性較大。脫膜問(wèn)題主要原因是涂膜附著力或?qū)娱g結(jié)合力差。造成這種現(xiàn)象的原因主要是對(duì)底材處理不當(dāng)，表面殘留油污、水等物質(zhì)；或者是底材表面浸潤(rùn)性不佳，影響自身附著力和層間結(jié)合力。此外，異物和劃傷產(chǎn)生的原因也有很大一部分是由于涂布前基板材料清洗不良，造成顆粒殘留[3]。

3 幾種實(shí)用的清洗方法

選擇哪種清洗方式及如何配合使用，首先要分析和了解待清洗基板的污染物來(lái)源和種類。配向膜涂布基板的污染物主要來(lái)源于涂布工藝制作、基板搬運(yùn)、儲(chǔ)存過(guò)程，主要污染物有塵埃粒子、纖維紙屑、有機(jī)油污、無(wú)機(jī)鹽、殘留物、殘留水痕等。因此，對(duì)基板的清洗，除了要清洗各種固態(tài)顆粒物和污跡，還有改善基板表面親和力，降低接觸角。總體來(lái)說(shuō)配向膜涂布前清洗的目的為：①去除顆粒異物；②去除化學(xué)污染物；③對(duì)基板進(jìn)行表面處理。想要獲得比較好的清洗效果，需要配合化學(xué)清洗、物理清洗、干法清洗等多種清洗方法來(lái)對(duì)基板表面進(jìn)行處理[4]。

3.1 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗的目的是去除多量的有機(jī)污染物，基于對(duì)液晶面板污染物的分析，工藝上使用更多的是中性洗劑，主要成分為非離子表面活性劑（1%～20%）、醇類（1%～10%）（溶劑）及水。正是由于非離子表面活性劑具有在水中不電離的特點(diǎn)，決定了它在某些方面較離子型表面活性劑優(yōu)越，如在水中和有機(jī)溶劑中都有較好的溶解性，在溶液中穩(wěn)定性高，不易受強(qiáng)電解質(zhì)無(wú)機(jī)鹽和酸、堿的影響，且非離子表面活性劑在固體表面上不發(fā)生強(qiáng)烈吸附，而陰離子、陽(yáng)離子表面活性劑在清洗過(guò)程中可能會(huì)在基板上存在吸附現(xiàn)象，清洗掉污漬的同時(shí)本身又引入新的污漬，不利于后續(xù)的工藝效果。

化學(xué)洗劑在清洗機(jī)的應(yīng)用中通常使用濃度為1%～2%，溫度為40 ℃左右，通過(guò)電導(dǎo)率或濃度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)供液槽體的濃度，洗劑使用壽命在生產(chǎn)中通過(guò)管控使用時(shí)間或處理基板片數(shù)來(lái)進(jìn)行控制。

3.2 物理清洗

3.2.1 滾刷清洗

對(duì)于一些頑固性污漬或在基板表面吸附比較緊的粒子，用滾刷的方式很容易把它們?nèi)コ?。利用滾刷在一定壓入量的條件下在基板表面旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械剝離力將異物粒子除去。它除去的主要是大的異物粒子。試驗(yàn)證明，滾刷對(duì)于直徑＞5 μm的粒子的去除率可達(dá)92%以上。滾刷刷毛材質(zhì)多為尼龍610、612，對(duì)于一些敏感膜層聚乙烯醇（PVA）材質(zhì)也有一定的應(yīng)用。刷毛纏繞方式采用帶式或多股螺旋式。在玻璃基板上下成對(duì)使用。通過(guò)伺服電機(jī)分別控制單根滾刷的轉(zhuǎn)速和對(duì)基板的壓入量。通常壓入量在+5～-3 mm可調(diào)，轉(zhuǎn)速在60～600 轉(zhuǎn)/min可設(shè)置。滾刷裝置示意見圖3。

圖3 滾刷裝置示意

使用滾刷清洗在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的是保持滾刷的清潔度。由于滾刷的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了它比較容易“藏污納垢”，在設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)在滾刷前后配置適當(dāng)噴淋，防止?jié)L刷干燥且能一定程度將刷下來(lái)的粒子沖洗掉。另外，滾刷使用一段時(shí)間后，刷毛也會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨耗，同時(shí)滾刷內(nèi)部金屬軸的水平度也會(huì)出現(xiàn)偏移。實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)根據(jù)滾刷使用情況做定期更換，一般建議3～6個(gè)月為宜[5]。

3.2.2 二流體清洗

二流體清洗是利用高壓液體和氣體混合所產(chǎn)生的氣泡，在基板表面破裂瞬間所產(chǎn)生的沖擊力，將顆粒物（particle）從基板表面剝離，主要針對(duì)粒子大小是1～5 μm，去除率可達(dá)95%以上。

二流體清洗主要有兩種形式，一種是噴嘴形式，即噴嘴式噴射裝置（Nozzle Type Bubble Jet），采用多顆二流體噴嘴并排安裝，在噴嘴處接通水和壓縮空氣；另一種是刀體形式，即狹縫式噴射裝置（Slit Type Bubble Jet），刀體結(jié)構(gòu)為整體制作，噴射效果如液刀，刀體兩側(cè)分別接通水和氣，均勻性好且打擊力較大，是Nozzle Type BJ的升級(jí)版，性能更佳，但相對(duì)成本較高。目前隨著工藝要求的提升，Slit type BJ的使用更廣泛一些。兩種二流體噴灑見圖4。

圖4 兩種二流體噴灑示意A.Nozzle Type BJ；B.Slit Type BJ。

3.2.3 超高壓清洗（HPMJ）

在常溫以液體形成存在的所有物質(zhì)中，除水銀外，水的表面張力是最大的。在常溫下水的表面張力高達(dá)72 mN/m。在TFT-LCD制程中的各種水清洗工藝中，必須使用高純度的去離子水（deionized water，DIW）作為主要的清洗液，以保證基板表面最低的離子殘留量。用常壓水清洗時(shí)（0.1～0.3 MPa），基板上的水在高表面張力作用下會(huì)形成一層水膜，水膜覆蓋了基板表面上的微小粒子和污跡，由于水膜的保護(hù)作用，降低了水對(duì)基板的清洗效果。

HPMJ清洗系統(tǒng)就是為了突破這種水膜保護(hù)而發(fā)展研制的清洗裝置，其原理為，清洗液被壓縮到3～15 MPa后，通過(guò)微噴射噴嘴噴出，形成大量幾微米到幾十微米的微?；旱危⒁詷O高速度和密度連續(xù)地噴灑沖擊清洗基板表面，清洗性能卓越，遠(yuǎn)優(yōu)于二流體和普通高壓噴淋，但成本很高。同時(shí)搭配二氧化碳（CO2）氣體，可有效降低水的電導(dǎo)率。試驗(yàn)證明，HPMJ對(duì)1～10 μm大小的粒子的去除率可達(dá)96%以上[6]。HPMJ噴灑見圖5。

圖5 HPMJ 噴灑示意

3.3 干法清洗

3.3.1 準(zhǔn)分子紫外清洗（EUV）

紫外線光照清洗也是FPD清洗工藝中常用的一種清洗方式，利用有機(jī)化合物的光敏氧化作用去除黏附在材料表面上的有機(jī)物質(zhì)，從而達(dá)到提升物體表面的潤(rùn)濕性和粘合強(qiáng)度，得到具備穩(wěn)定表面性能的基板材料的目的。

紫外光波長(zhǎng)范圍100～400 nm，目前使用較多的有兩種規(guī)格，一種是低壓水銀UV，波長(zhǎng)184.9～253.7 nm；另一種是準(zhǔn)分子UV（EUV），波長(zhǎng)172 nm。原理是紫外光激發(fā)空氣中的氧氣（O2）分解為臭氧（O3）和活性氧原子（O），臭氧又可以進(jìn)一步分解為氧氣和活性氧原子，在活性氧原子作用下，有機(jī)污染物被分解為二氧化碳、二氧化氮、水等易揮發(fā)小分子物質(zhì)被除去。圖6為EUV反應(yīng)機(jī)制。低壓水銀UV處理基板的速度約為EUV的5倍，能耗為其3倍，且處理后基板溫度較高（＞100 ℃），而EUV基板＜50 ℃；并且前者處理后易產(chǎn)生有機(jī)微粒子，處理前后需要搭配高壓?jiǎn)卧鳨UV處理不需要。故目前平板顯示器生產(chǎn)工藝中EUV的使用更廣泛一些，當(dāng)然其成本投入要高于低壓水銀UV[7]。

圖6 EUV反應(yīng)機(jī)制

3.3.2 超聲波干式清洗（ultra sonic dry-clean）

超聲波干式清洗技術(shù)是一種利用高速氣流和超聲波協(xié)同作用，對(duì)待清洗件（如半導(dǎo)體器件、玻璃或硅基板等微米）亞微米級(jí)別污染物進(jìn)行清洗的技術(shù)。超聲波干式清洗一般包括三大系統(tǒng)：空氣循環(huán)系統(tǒng)；清洗件傳送系統(tǒng)；超聲清洗頭。

空氣循環(huán)系統(tǒng)利用負(fù)壓作用將新鮮過(guò)凈化后的空氣不斷吸入后輸入清洗頭壓力腔，同時(shí)利用離心力將內(nèi)部空氣不斷送出。清洗件傳送系統(tǒng)是將待清洗件傳送給超聲波清洗頭，一般采用滾軸傳動(dòng)方式。

核心部件是超聲波清洗頭，目前主流設(shè)計(jì)是：采用內(nèi)置超聲波增幅器，利用超聲波空氣在大小約0.3 mm的出口處體積迅速膨脹，達(dá)到一種“微型爆炸”的效果。高速氣流和超聲波的協(xié)同作用使污染物微粒脫離被清洗物件表面，再利用超聲波的反射作用將污染物粒子帶動(dòng)起來(lái)，由清洗頭的真空吸附腔吸走并分離，這種清洗方式杜絕了清洗劑對(duì)環(huán)境造成污染[8]。

超聲波干式清洗機(jī)根據(jù)處理基板顆粒物的大小來(lái)分，主要有兩種模式：真空超聲真空（VUV）和超聲真空超聲（UVU），其中VUV型對(duì)粒徑為3 μm的污染物的去除率可達(dá)96%～99%，UVU型對(duì)粒徑為1.6 μm的污染物的去除率可達(dá)96%～99%。圖7為VUV超聲波干式清洗機(jī)的工作原理。

圖7 VUV型干式超聲波清洗機(jī)的工作原理[9]

4 清洗方法的比較與選擇

以上幾種清洗方法不僅在原理上各不相同，清洗污染物的種類、粒徑大小和效果也各不相同。表1對(duì)幾種涉及的清洗方法進(jìn)行了歸納和比較。

表1 各種清洗方法比較表

不同的清洗模組單元配置，在設(shè)備投資的成本方面相差很大。產(chǎn)線設(shè)備投資要求做到性價(jià)比最優(yōu)，所以必須根據(jù)生產(chǎn)線的整體工藝需求指標(biāo)來(lái)選擇清洗工具，從而得到最優(yōu)化的產(chǎn)線配置。比如，根據(jù)產(chǎn)品的工藝指標(biāo)管控程度不同，可以選擇不同的清洗模組搭配：

（1）相對(duì)工藝指標(biāo)低的扭曲向列型液晶顯示器（TN-LCD）清洗線設(shè)備：入料→化學(xué)清洗+刷洗→二流體清洗→HPMJ清洗→空氣風(fēng)刀干燥→紅外干燥→EUV清洗→冷卻→出料。

（2）相對(duì)工藝指標(biāo)高的低溫多晶硅（LTPS）、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）清洗設(shè)備：入料→EUV清洗→化學(xué)清洗+刷洗→二流體清洗→HPMJ清洗→兆聲波水洗（可選）→空氣風(fēng)刀干燥→紅外干燥→EUV清洗→USC清洗（可選）→冷卻→出料。

5 結(jié)論

綜上所述，在液晶顯示器的配向膜涂布前清洗過(guò)程中，選擇何種清洗方法及不同清洗模組之間如何搭配，必須以產(chǎn)品的定位為基礎(chǔ)，根據(jù)產(chǎn)品的工藝指標(biāo)管控來(lái)選擇合適的設(shè)備配套，并且配合相關(guān)的工藝參數(shù)，才能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上兼顧投資經(jīng)濟(jì)性的要求，任何過(guò)高或過(guò)低的配置要么影響經(jīng)濟(jì)性要么影響產(chǎn)品質(zhì)量。