彩膜不良研磨成功率的分析與研究

（北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引言

液晶顯示器的崛起，徹底替代了CRT。近年來(lái)TFTLCD液晶面板產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)[1]，行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)俞顯激烈，客戶對(duì)液晶面板的質(zhì)量要求不斷提高。彩膜（Color Filter簡(jiǎn)稱CF）作為液晶面板的主要組成部分[2,3]，正面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；彩膜的生產(chǎn)，雖然是在高潔凈度的空間內(nèi)完成的，但是由于工藝的復(fù)雜性、多樣性、重復(fù)性等特點(diǎn)；彩膜在生產(chǎn)過(guò)程中仍會(huì)出現(xiàn)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(huì)造成液晶面板出現(xiàn)壞點(diǎn)等品質(zhì)不良，根據(jù)品質(zhì)不良類型造成液晶屏在質(zhì)量等級(jí)上分為A＋、A、B、C等等級(jí)，甚至造成液晶屏的廢棄。隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，彩膜生產(chǎn)廠家在提高生產(chǎn)技術(shù)水平的同時(shí)，也要進(jìn)一步加強(qiáng)生產(chǎn)、檢測(cè)和修補(bǔ)等內(nèi)部質(zhì)量管控，進(jìn)而減少缺陷率，從而保證液晶屏的高等級(jí)率。

1 彩膜缺陷的概述

彩膜一般可以定義為由黑矩陣、紅、藍(lán)、綠三原色組成的色彩矩陣單元，為TFT基板提供色彩，從而達(dá)到顯示圖像的目的。適應(yīng)高PPI的要求，Panel正向高密度Pixel、精細(xì)化的方向努力發(fā)展。這也意味著，容忍的微觀不良，向著數(shù)量少、影響小的方向過(guò)渡。而工藝的高要求下，并沒(méi)有新的革新技術(shù)出現(xiàn)，以避免常規(guī)不良的產(chǎn)生，相反，高PPI俞凸顯不良的存在性。

微觀不良一般表現(xiàn)為有異于彩色矩陣的點(diǎn)狀不良。從彩膜的整個(gè)工藝制程講，人員、物料、設(shè)備、環(huán)境等因素，都會(huì)帶來(lái)Particle的沉積，形成不良。從物質(zhì)組成上，可以簡(jiǎn)單區(qū)分為原材料引起的殘留、外界物質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)致的Particle堆積、膜質(zhì)脫落導(dǎo)致的膜面缺失等。從形態(tài)上可以分為纖維狀、點(diǎn)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(diǎn)和Gap類不良，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致Panel質(zhì)量等級(jí)的下降，甚至?xí)慌卸镹。

圖1 Particle堆積和膜面缺失

2 彩膜缺陷的特性

根據(jù)彩膜的工藝特點(diǎn)，按照膜形成的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可將Particle導(dǎo)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(duì)有高度缺陷的修補(bǔ)，主要的修補(bǔ)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(dāng)中，研磨很容易導(dǎo)致形成膜層脫落。而對(duì)于硬度較低的缺陷，不論出現(xiàn)在膜上還是膜下，都不會(huì)有太大膜層脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

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(shù)，單從缺陷本身，就意味著很難有一套固定的修補(bǔ)成功率范圍去衡量所有類型缺陷。而經(jīng)過(guò)修補(bǔ)，不能達(dá)到既定的高度，或者造成膜面的缺失，都意味著修補(bǔ)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(shí)一些經(jīng)過(guò)烘烤的Particle，也具備很高的硬度，而且容易出現(xiàn)在膜面以下，造成很大概率的修補(bǔ)失敗。我們可以得出結(jié)論，不論形態(tài)、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(qū)分不同類型缺陷具有不同結(jié)果的修補(bǔ)成功率。

這里我們可以認(rèn)為，如果可以設(shè)定一定的技術(shù)手段，分別適用不同硬度的缺陷，就可以很好的提高修補(bǔ)的成功率。但是，盡管從缺陷軟硬程度可以簡(jiǎn)單區(qū)分，但是在具體的修補(bǔ)過(guò)程中，我們很難確定哪個(gè)缺陷是硬質(zhì)哪個(gè)缺陷是軟質(zhì)，從而選擇與其適配的修補(bǔ)手法等，達(dá)到良好的修補(bǔ)效果。而在不斷擴(kuò)張的產(chǎn)業(yè)里，不可能有充足的時(shí)間，每修補(bǔ)一個(gè)點(diǎn)位就更換一套技術(shù)手段。藉此，我們不得不從一個(gè)尋求不偏規(guī)律的角度，去提升修補(bǔ)的成功率。以修補(bǔ)點(diǎn)數(shù)為基礎(chǔ)，在經(jīng)歷一段時(shí)間的數(shù)據(jù)積累后，計(jì)算出失敗的比例數(shù)據(jù)如圖4所示。

從數(shù)據(jù)不難看出，波動(dòng)很大，水平較高，亟需一種科學(xué)的手段進(jìn)行改善。

3 修補(bǔ)的主要原理

圖4 修補(bǔ)失敗的比例

從微觀缺陷的基本規(guī)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(bǔ)自要分為白缺陷修補(bǔ)和高度缺陷修補(bǔ)兩部分。白缺陷表現(xiàn)為掉膜類的膜面缺失，一般采用先應(yīng)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(gè)規(guī)則的圖形，方便填充液的流動(dòng)填充。第二步是應(yīng)用超精細(xì)的填充技術(shù)，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(dá)到與本身顏色統(tǒng)一的效果。具體的步驟如圖5所示。

圖5 Ink修補(bǔ)的主要步驟

而高度缺陷的修補(bǔ)只有研磨修補(bǔ)。所謂研磨，就是特別細(xì)微化的摩擦打磨，一般采用金剛砂的材料制成帶狀，通過(guò)精細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，精確控制研磨材料與缺陷接觸100μm直徑左右的范圍，通過(guò)高精度高度傳感器，精確控制需要研磨帶深度、速度、時(shí)間等要素。如果用一般模型來(lái)表述，大體可以描述成如圖6所示的方法。

4 修補(bǔ)參數(shù)的研究

上文中提及了研磨修補(bǔ)的主要技術(shù)。當(dāng)一個(gè)缺陷出現(xiàn)時(shí)，首先是進(jìn)行測(cè)高（H0），一般都是與設(shè)定好的閾值比較，如果超出閾值，則執(zhí)行研磨，否則認(rèn)為不需要修補(bǔ)。研磨過(guò)程中設(shè)計(jì)如下參數(shù)，分別是：1）開(kāi)始研磨的高度（H1）；2）研磨帶轉(zhuǎn)速；3）研磨時(shí)間（一般是設(shè)定值，可以計(jì)算出單次研磨的量有多少）；4）單次研磨的量，即步進(jìn)量（為了研磨充分，一般實(shí)際研磨過(guò)程不是勻速下降，而是步進(jìn)式；而設(shè)定的是最小值）；當(dāng)研磨結(jié)束，還會(huì)再測(cè)高（H3），再與閾值比較看是否達(dá)到目的。至于H2，則是和產(chǎn)品相關(guān)，即設(shè)定的閾值相關(guān)。關(guān)于以上參數(shù)的變動(dòng)與修補(bǔ)成功率的關(guān)系，進(jìn)行了以下測(cè)試。

圖6 研磨修補(bǔ)的主要步驟

4.1 開(kāi)始研磨的高度

缺陷本身的高度可能達(dá)到幾十微米高，但一般概率上，都是在10μm以內(nèi)，所以設(shè)定這個(gè)參數(shù)過(guò)大，意味著研磨帶空轉(zhuǎn)，浪費(fèi)極大；而同時(shí)設(shè)定過(guò)小，意味著研磨機(jī)構(gòu)已經(jīng)壓迫缺陷本身，才開(kāi)始研磨轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致研磨本身效果不佳，而拉伸力度足夠大，導(dǎo)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(jìn)行數(shù)據(jù)的變化，對(duì)比修補(bǔ)失敗的比率與研磨參數(shù)變化的關(guān)系，得到如圖7所示的結(jié)果。

圖7 開(kāi)始研磨高度與修補(bǔ)失敗

4.2 研磨帶轉(zhuǎn)速

整個(gè)研磨的過(guò)程，關(guān)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(huì)浪費(fèi)時(shí)間，還可能導(dǎo)致二次研磨。但過(guò)度的研磨，不僅會(huì)浪費(fèi)研磨帶，同時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)的變化，對(duì)比修補(bǔ)失敗的比率與研磨參數(shù)變化的關(guān)系，得到如圖8所示的結(jié)果。

圖8 研磨帶轉(zhuǎn)速與修補(bǔ)失敗

4.3 研磨時(shí)間

研磨時(shí)間指的是一次研磨的總時(shí)間，屬于設(shè)定值。之所以不是根據(jù)缺陷高度進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)，主要考慮到研磨的效率和時(shí)間成本，不論缺陷高低時(shí)間是統(tǒng)一的，這樣避免缺陷高時(shí)間長(zhǎng)，造成時(shí)間的浪費(fèi)。當(dāng)然，同時(shí)意味著缺陷高的，使用相同的時(shí)間研磨，為例達(dá)到很好的研磨效果，必然在軟件中涉及了單次研磨的步進(jìn)量的增加，即可能潛在增加修補(bǔ)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。所以研磨時(shí)間的設(shè)定，也與研磨的成功率有著相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)。筆者保持單一變量變化的前提下，進(jìn)行數(shù)據(jù)的變化，對(duì)比修補(bǔ)失敗的比率與研磨參數(shù)變化的關(guān)系，得到如圖9所示的結(jié)果。

圖9 研磨時(shí)間與修補(bǔ)失敗

4.4 單次研磨的量

單次研磨的量即步進(jìn)量，設(shè)定值是步進(jìn)量的極限值，假如設(shè)定了開(kāi)始研磨的高度5μm，設(shè)定了研磨結(jié)束的高度2μm，即需要研磨掉3μm。如果設(shè)定的研磨時(shí)間是2sec，步進(jìn)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(jī)構(gòu)下降的速度為2μm/sec，（注：這個(gè)參數(shù)嚴(yán)重影響研磨時(shí)間，本文不做討論），時(shí)間上講2Sec＞ 3μm÷2μm/Sec=1.5sec，剩余的0.5sec都是研磨時(shí)間，即相鄰步驟之間是有停頓的。當(dāng)設(shè)定的極限值過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致研磨力度過(guò)大，修補(bǔ)失敗增多，設(shè)定值過(guò)小則增加研磨時(shí)間。筆者保持單一變量變化的前提下，進(jìn)行數(shù)據(jù)的變化，對(duì)比修補(bǔ)失敗的比率與研磨參數(shù)變化的關(guān)系，得到如圖10所示的結(jié)果。

圖10 步進(jìn)量與修補(bǔ)失敗

5 修補(bǔ)參數(shù)的綜合研究

盡管已經(jīng)找到了各個(gè)參數(shù)對(duì)修補(bǔ)成功率的影響，但實(shí)際上，如何綜合的調(diào)整參數(shù)，最終輸出一個(gè)滿意的結(jié)果，甚至是極限值，是每個(gè)工程師都在盡力做的事情。比如這里借鑒了田口實(shí)驗(yàn)的方法[8,9]，通過(guò)對(duì)四個(gè)參數(shù)進(jìn)行L9（34）次試驗(yàn)，最終得到了筆者滿意的答案，具體如下：

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：使用Minitab軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：使用生成的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行試驗(yàn)，并且收集數(shù)據(jù)如圖12所示。

需要說(shuō)明的是，田口實(shí)驗(yàn)考慮因子的波動(dòng)，微觀缺陷的出現(xiàn)是隨機(jī)的，所以難以研磨的缺陷記為硬質(zhì)缺陷，研磨容易的缺陷記為軟質(zhì)缺陷，以上實(shí)驗(yàn)分別得到了其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖12 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用Minitab軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如圖13和圖14所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析步驟

圖14 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

7 最佳預(yù)測(cè)與預(yù)測(cè)驗(yàn)證

應(yīng)用田口方法預(yù)測(cè)如圖15所示。

圖15 田口方法預(yù)測(cè)結(jié)果

應(yīng)用以上預(yù)測(cè)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如圖16所示。

在這里，軟質(zhì)和硬質(zhì)的出現(xiàn)，筆者認(rèn)為是幾率相等的，所以相機(jī)后的PPM值為1052，這與最佳預(yù)測(cè)值1059PPM及其近似，所以試驗(yàn)相當(dāng)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(guò)綜合研究各個(gè)參數(shù)的配比，很好地達(dá)到了預(yù)期。

圖16 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

8 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了液晶行業(yè)彩膜基板的微觀不良種類，簡(jiǎn)述了修補(bǔ)的方法，針對(duì)研磨修補(bǔ)，深入剖析了其基本原理、涉及到的參數(shù)及各個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，最后通過(guò)田口方法驗(yàn)證出了一種解決此類問(wèn)題的辦法，也得到了很好的結(jié)果。

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