(北京京東方顯示技術有限公司,北京 100176)
液晶顯示器的崛起,徹底替代了CRT。近年來TFTLCD液晶面板產業突飛猛進[1],行業的競爭俞顯激烈,客戶對液晶面板的質量要求不斷提高。彩膜(Color Filter簡稱CF)作為液晶面板的主要組成部分[2,3],正面臨著越來越嚴峻的挑戰;彩膜的生產,雖然是在高潔凈度的空間內完成的,但是由于工藝的復雜性、多樣性、重復性等特點;彩膜在生產過程中仍會出現以Particle為主的各種缺陷[4~7]。這些缺陷也被稱為彩膜良率的殺手锏,主要會造成液晶面板出現壞點等品質不良,根據品質不良類型造成液晶屏在質量等級上分為A+、A、B、C等等級,甚至造成液晶屏的廢棄。隨著競爭的加劇,彩膜生產廠家在提高生產技術水平的同時,也要進一步加強生產、檢測和修補等內部質量管控,進而減少缺陷率,從而保證液晶屏的高等級率。
彩膜一般可以定義為由黑矩陣、紅、藍、綠三原色組成的色彩矩陣單元,為TFT基板提供色彩,從而達到顯示圖像的目的。適應高PPI的要求,Panel正向高密度Pixel、精細化的方向努力發展。這也意味著,容忍的微觀不良,向著數量少、影響小的方向過渡。而工藝的高要求下,并沒有新的革新技術出現,以避免常規不良的產生,相反,高PPI俞凸顯不良的存在性。
微觀不良一般表現為有異于彩色矩陣的點狀不良。從彩膜的整個工藝制程講,人員、物料、設備、環境等因素,都會帶來Particle的沉積,形成不良。從物質組成上,可以簡單區分為原材料引起的殘留、外界物質進入導致的Particle堆積、膜質脫落導致的膜面缺失等。從形態上可以分為纖維狀、點狀、圓形等。而從缺陷高度的角度衡量,缺陷本身一般具備一定的高度,在成盒階段,容易形成黑白點和Gap類不良,嚴重的會導致Panel質量等級的下降,甚至會被判定為N。

圖1 Particle堆積和膜面缺失
根據彩膜的工藝特點,按照膜形成的時間節點,可將Particle導致的不良分為兩類:膜上不良和膜下不良,如圖2、圖3所示。針對有高度缺陷的修補,主要的修補手段就是研磨,而如果缺陷本身具備很高的硬度,意味著將其本身打磨掉具備很大的難度。假如這樣的缺陷是嵌在膜層當中,研磨很容易導致形成膜層脫落。而對于硬度較低的缺陷,不論出現在膜上還是膜下,都不會有太大膜層脫落的風險。

圖2 膜面上的不良,很容易研磨掉

圖3 膜面下的不良,很容易研磨失敗
如圖2、圖3所示,尚且不討論研磨的原理與技術,單從缺陷本身,就意味著很難有一套固定的修補成功率范圍去衡量所有類型缺陷。而經過修補,不能達到既定的高度,或者造成膜面的缺失,都意味著修補失敗。普遍意義上講,金屬類缺陷、玻璃碎屑類缺陷具備很高的硬度,這類缺陷不容易被磨掉。同時一些經過烘烤的Particle,也具備很高的硬度,而且容易出現在膜面以下,造成很大概率的修補失敗。我們可以得出結論,不論形態、成分,和缺陷本身的硬度相比,都不具備更佳的代表性,用以區分不同類型缺陷具有不同結果的修補成功率。
這里我們可以認為,如果可以設定一定的技術手段,分別適用不同硬度的缺陷,就可以很好的提高修補的成功率。但是,盡管從缺陷軟硬程度可以簡單區分,但是在具體的修補過程中,我們很難確定哪個缺陷是硬質哪個缺陷是軟質,從而選擇與其適配的修補手法等,達到良好的修補效果。而在不斷擴張的產業里,不可能有充足的時間,每修補一個點位就更換一套技術手段。藉此,我們不得不從一個尋求不偏規律的角度,去提升修補的成功率。以修補點數為基礎,在經歷一段時間的數據積累后,計算出失敗的比例數據如圖4所示。
從數據不難看出,波動很大,水平較高,亟需一種科學的手段進行改善。

圖4 修補失敗的比例
從微觀缺陷的基本規律看,一般情況下,缺陷的高度范圍在0~50μm,大小范圍在100μm2~5×104μm2不等,微觀缺陷的修補自要分為白缺陷修補和高度缺陷修補兩部分。白缺陷表現為掉膜類的膜面缺失,一般采用先應用高功率激光的熱量,使白缺陷周圍的膜層氣化而不傷害玻璃,制造出一個規則的圖形,方便填充液的流動填充。第二步是應用超精細的填充技術,用玻璃針將填充液注入打好的圖形中。第三步是待填充液體填充滿,使用UV固化,達到與本身顏色統一的效果。具體的步驟如圖5所示。

圖5 Ink修補的主要步驟
而高度缺陷的修補只有研磨修補。所謂研磨,就是特別細微化的摩擦打磨,一般采用金剛砂的材料制成帶狀,通過精細的機械結構,精確控制研磨材料與缺陷接觸100μm直徑左右的范圍,通過高精度高度傳感器,精確控制需要研磨帶深度、速度、時間等要素。如果用一般模型來表述,大體可以描述成如圖6所示的方法。
上文中提及了研磨修補的主要技術。當一個缺陷出現時,首先是進行測高(H0),一般都是與設定好的閾值比較,如果超出閾值,則執行研磨,否則認為不需要修補。研磨過程中設計如下參數,分別是:1)開始研磨的高度(H1);2)研磨帶轉速;3)研磨時間(一般是設定值,可以計算出單次研磨的量有多少);4)單次研磨的量,即步進量(為了研磨充分,一般實際研磨過程不是勻速下降,而是步進式;而設定的是最小值);當研磨結束,還會再測高(H3),再與閾值比較看是否達到目的。至于H2,則是和產品相關,即設定的閾值相關。關于以上參數的變動與修補成功率的關系,進行了以下測試。

圖6 研磨修補的主要步驟
缺陷本身的高度可能達到幾十微米高,但一般概率上,都是在10μm以內,所以設定這個參數過大,意味著研磨帶空轉,浪費極大;而同時設定過小,意味著研磨機構已經壓迫缺陷本身,才開始研磨轉動,會導致研磨本身效果不佳,而拉伸力度足夠大,導致研磨失敗幾率大大增加。筆者保持單一變量變化的前提下,進行數據的變化,對比修補失敗的比率與研磨參數變化的關系,得到如圖7所示的結果。

圖7 開始研磨高度與修補失敗
整個研磨的過程,關鍵在研磨帶與缺陷的摩擦,摩擦的充分,則研磨效果好,不充分則研磨不到位,會浪費時間,還可能導致二次研磨。但過度的研磨,不僅會浪費研磨帶,同時也大大增加了研磨失敗的概率。筆者保持單一變量變化的前提下,進行數據的變化,對比修補失敗的比率與研磨參數變化的關系,得到如圖8所示的結果。

圖8 研磨帶轉速與修補失敗
研磨時間指的是一次研磨的總時間,屬于設定值。之所以不是根據缺陷高度進行區別設計,主要考慮到研磨的效率和時間成本,不論缺陷高低時間是統一的,這樣避免缺陷高時間長,造成時間的浪費。當然,同時意味著缺陷高的,使用相同的時間研磨,為例達到很好的研磨效果,必然在軟件中涉及了單次研磨的步進量的增加,即可能潛在增加修補失敗的風險。所以研磨時間的設定,也與研磨的成功率有著相當大的關聯。筆者保持單一變量變化的前提下,進行數據的變化,對比修補失敗的比率與研磨參數變化的關系,得到如圖9所示的結果。

圖9 研磨時間與修補失敗
單次研磨的量即步進量,設定值是步進量的極限值,假如設定了開始研磨的高度5μm,設定了研磨結束的高度2μm,即需要研磨掉3μm。如果設定的研磨時間是2sec,步進量的極限是0.5μm。意味著要分為6次下降,每次0.5μm,而研磨機構下降的速度為2μm/sec,(注:這個參數嚴重影響研磨時間,本文不做討論),時間上講2Sec> 3μm÷2μm/Sec=1.5sec,剩余的0.5sec都是研磨時間,即相鄰步驟之間是有停頓的。當設定的極限值過大,就會導致研磨力度過大,修補失敗增多,設定值過小則增加研磨時間。筆者保持單一變量變化的前提下,進行數據的變化,對比修補失敗的比率與研磨參數變化的關系,得到如圖10所示的結果。

圖10 步進量與修補失敗
盡管已經找到了各個參數對修補成功率的影響,但實際上,如何綜合的調整參數,最終輸出一個滿意的結果,甚至是極限值,是每個工程師都在盡力做的事情。比如這里借鑒了田口實驗的方法[8,9],通過對四個參數進行L9(34)次試驗,最終得到了筆者滿意的答案,具體如下:
實驗設計:使用Minitab軟件設計實驗如圖11所示。

圖11 實驗設計
實驗結果:使用生成的實驗設計,進行試驗,并且收集數據如圖12所示。
需要說明的是,田口實驗考慮因子的波動,微觀缺陷的出現是隨機的,所以難以研磨的缺陷記為硬質缺陷,研磨容易的缺陷記為軟質缺陷,以上實驗分別得到了其實驗結果。

圖12 實驗結果
應用Minitab軟件進行實驗結果分析如圖13和圖14所示。

圖13 實驗結果分析步驟

圖14 實驗結果分析
應用田口方法預測如圖15所示。

圖15 田口方法預測結果
應用以上預測值進行實驗驗證,得到結論如圖16所示。
在這里,軟質和硬質的出現,筆者認為是幾率相等的,所以相機后的PPM值為1052,這與最佳預測值1059PPM及其近似,所以試驗相當成功。
我們可以看到,改善前的PPM值為3485 ,改善后為1052,改善量為231%。于此,我們通過綜合研究各個參數的配比,很好地達到了預期。

圖16 實驗結論
本文簡述了液晶行業彩膜基板的微觀不良種類,簡述了修補的方法,針對研磨修補,深入剖析了其基本原理、涉及到的參數及各個參數對結果的影響,最后通過田口方法驗證出了一種解決此類問題的辦法,也得到了很好的結果。
[1]田民波,葉鋒.TFT液晶顯示原理與技術[M].北京:科技出版社,2010:263-278.
[2]李宏彥,楊久霞,呂艷英,陳軍,南永卓,吳桔生.TFT-LCD用彩色濾光片[J].現代顯示,2005,6.
[3]何正紅,葉志成,蘇翼凱.膽甾型液晶彩色濾光片分析[J].液晶與顯示,2010,4.
[4]張鐵軼,余道平,王野,劉超強,張祥.自動光學檢測的彩膜分區檢查與判定[J].液晶與顯示,2014,1.
[5]張騰達,盧榮勝,張書真.基于二維DFT的TFT-LCD平板表面缺陷檢測[J].光電工程,2016,3.
[6]簡川霞.TFT-LCD表面缺陷檢測方法綜述[J].電視技術,2015,9.
[7]吳云桂.彩色濾光片制造中缺陷的分析及解決方法[J].中國電子商務,2014,7.
[8]楊慎東,孫學武,陳飛,李云,陸學磊,馮奇斌.田口實驗法在背光源光學薄膜選材中的應用研究[J].光電子技術,2016,2.
[9]茆詩松,王金玉.田口思想及方法的研究[J].自然雜志.1991:163-169.