TFT-LCD中液晶取向異常亮點機理研究及改善

周 波，王 祺，宋勇志，洪永泰，陳維濤

(北京京東方顯示技術有限公司, 北京 100176)

1 引 言

目前市場上ADS/IPS等硬屏TFT LCD顯示產品中，液晶取向技術仍主要是接觸式摩擦配向工藝，其中亮點類不良由于其可視性，一直是顯示屏出貨的主要不良。

按照亮點不良形成原理，可以將其分為兩大類：像素亮點和不規則亮點。像素亮點主要是由于單個TFT充電異常造成的整個亞像素亮點[1]，此種不良主要是依靠陣列基板(Array)工藝條件優化、檢測維修工序進行改善及維修[2]；另一種不規則亮點，正如其名，亮點形狀不規則，與TFT充電無關，按其成因又分為兩大類：異物亮點和非異物亮點。由屏內可見異物造成的亮點即為異物亮點，異物亮點可以通過人員作業管理、清洗設備優化[3]、摩擦強度優化[4]等方面進行改善。另一種非異物造成的不規則亮點，即為本文所要分析改善的亮點不良。

針對上述非異物亮點不良，一直未有有效的分析手段和明確的不良發生機理。本文通過對非異物亮點不良進行詳細宏觀和微觀分析，同時建立實驗室測試模型找到不良發生的根本影響要素，從本源上對這種不良建立了改善對策，并將改善條件在生產線進行了實際的驗證及導入，驗證了不良機理和實驗室模型有效性，并提升了TFT LCD的量產良率。

2 非異物亮點不良的描述及初步分析

2.1 非異物亮點的不良描述

以我公司為例，該類不良的發生率維持在0.5%～1.5%左右，極大影響了我公司產品的良率和邊效等級。

圖1中像素亮區即為非異物亮點的不良顯現。該不良具有3個特征：一是亮點大小形狀不規則，可能小于一個亞像素，也可能是橫跨幾個亞像素，且形狀邊緣不規則；二是該亮點不良在玻璃母板和單個顯示屏中的位置分布無集中性；三是使用顯微鏡觀察時，微調焦距，亮點周邊無暈且大小變化不明顯。

圖1 非異物亮點不良照片

由上述非異物亮點不良的特征，不良位置和形狀不固定，可以說明一個問題：這里所研究的液晶取向異常造成的亮點，與集中分布在摩擦陰影區(陣列金屬布線邊緣區)的摩擦力度不均勻造成的PI配向異常[5]亮點不一致，是由于其他原因影響了液晶取向而發生了亮點不良。

2.2 非異物亮點的初步分析

按照常規不良的分析思路，我們對非異物亮點不良進行了分析，在分析中發現不良在TFT和彩色濾光膜(CF)側均有發生，由于CF側現象便于觀察，此處以CF側不良為例進行介紹。主要分析步驟可參照圖2所示。

圖2 非異物亮點不良初步分析

步驟一：實驗室顯微鏡觀察微觀現象，如圖2(a)，對不良區進行標記。

步驟二：將顯示面板拆開分為TFT和CF兩部分，在顯微鏡下分別觀察TFT側和CF側是否存在可見不良，如圖2(b)和圖2(c) 所示，不良在CF側可見，TFT側不可見。

步驟三：去除液晶后再次觀察CF側，確認不良是否可見。見圖2(d)，去除液晶后，CF側不良現象消失；

步驟四：在上述CF側重新滴上液晶，放置在顯微鏡下進行觀察，現象復現，如圖2(e)所示；

步驟五：去除液晶和配向膜(Polyimide，PI)后，CF側不良現象消失；

步驟六：在CF側不良區重新滴上液晶，不良現象不可見。

綜上，參考示例，可以判斷所分析非異物亮點發生在CF側，亮點由PI配向異常導致液晶取向異常[6]，顯現為亮點不良。下面我們通過微觀分析等手段對這里的PI配向異常產生的根本原因進行深入研究。

3 PI配向異常原因分析

3.1 PI配向異常區微觀分析

圖3 AFM分析結果

我們主要采用原子力顯微鏡(AFM)和飛行時間二次離子質譜技術(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS)兩種分析設備對PI配向異常原因進行研究。同時為了便于分析，排除CF側有機膜層的影響，選取成分較為簡單的TFT側不良為例進行分析說明。

首先，使用AFM的形貌模式(Height Mode)和相模式(Phase Mode)[7]對不良區域進行掃描。如圖3(a)為TFT的不良區域，去除TFT側液晶后，利用AFM的形貌模式進行觀察，發現在不良區域PI表面有7.5～10 nm厚的粗糙區，如圖3(b)所示；利用AFM相模式觀察不良區域，發現有位相差異，說明該位置存在非PI成分的雜質。

根據AFM結果，可確認在不良區PI表面存在粗糙形貌的雜質層。由此結果也可以證明，這里所分析的亮點不是由于摩擦力度不均勻造成的PI配向異常，而是由于雜質影響了PI配向，進而影響了液晶取向形成亮點。

然后，用TOF-SIMS對雜質區成分進行了正離子和負離子分析[8]。使用TOF-SIMS進行正離子測試，如圖4所示，該雜質區檢測到CxHyOz成分含量較高；使用TOF-SIMS進行負離子測試，如圖5所示，該雜質區C2H3O2含量較高。

圖4 TOF-SIMS正離子分析結果

圖5 TOF-SIMS負離子分析結果

綜合TOF-SIMS測試結果，有機成分CxHyOz是造成該區域配向異常的主要成分。下面是對雜質成分產生的一個預測。

3.2 成分及機理推測

為了說明我們的機理推測，首先簡單說明一下LCD的PI成膜、配向及LCD成盒的工藝制程[9]。

(1)PI成膜：采用輥輪或者噴墨[10]的方式將PI分別涂覆在TFT基板和CF基板表面，經過預固化(約100 ℃，120 s)實現溶劑蒸發，并在主固化(約230 ℃，1 000 s)條件下完成酰胺轉換，PI膜厚約為50～120 nm;

(2)摩擦配向：將摩擦布粘附在摩擦設備的輥輪上，控制輥輪轉速、輥輪在基板上的壓入量、基板行進速度等參數，分別對TFT和CF表面的PI進行摩擦配向；

(3)成盒前清洗：摩擦配向后，使用水、水氣混合液等對PI表面進行清洗，去除PI表面異物，并通過風刀(Air Knife)和IR加熱等設備去除基板表面水份；

(4)按照設計的圖形，完成液晶滴入和封框膠涂覆；

(5)成盒：完成液晶滴入和封框膠涂覆的CF和TFT基板，在真空狀態下進行對盒，對盒后對封框膠進行紫外線固化和熱固化，完成成盒工藝。

圖6 LCD成盒工藝

LCD的PI涂覆到成盒工藝過程中，易于產生雜質的環節主要在于接觸式的摩擦配向，對發生機理的推測如下：

(1)雜質產生：在摩擦配向過程中，摩擦布中的成分、PI的成分、TFT表面膜層成分可能會散落在PI表面；

(2)雜質堆積：在成盒前清洗過程中，由于高壓水、水氣混合溶液的沖擊以及氣刀的沖擊，上述雜質離子在TFT表面段差區域形成堆積，經IR熱處理后，形成難以清除的雜質層；

(3)成分推測：由TOF-SIMS結果中有機物CxHyOz含量高可以推測出，雜質區可能的成分主要是摩擦布中的成分、PI成分等有機成分。TFT表面膜層成分主要為無機化合物和金屬，在TOF-SIMS中未檢出，可以將其排除。PI碎屑成分已知，可以通過摩擦參數和PI材料優化改善，下面主要針對摩擦布中各種成分殘留對PI配向和液晶取向的影響進行實驗研究。

4 摩擦布成分與不良關聯實驗室再現分析

4.1 摩擦布主要成分說明

我公司ADS型TFT-LCD主要使用的是Hybrid摩擦布，如表1所示，其中有機成分主要包含布毛纖維、背膠、柔順劑、防靜電劑。

其中布毛纖維、背膠、防靜電劑為摩擦布成品必要成分，柔順劑會在紡織完成后被清洗掉，余少量殘存在摩擦布中。

表1 Hybrid摩擦布主要有機成分

4.2 實驗室測試方案設計

為了研究上述摩擦布中何種成分堆積形成了PI表面的雜質區，造成了亮點不良，我們進行了如下實驗室測試方案設計。

實驗所用材料如表2所示，其中摩擦布、布毛纖維為固體狀，背膠、柔順劑為濃溶液，防靜電劑為稀溶液。

表2 實驗所用材料列表

實驗步驟設計如圖7所示，共分為萃取溶液制作、萃取液滴附、點燈測試3個實驗步驟。

(a)萃取溶液制作(a) Preparation of extraction solution

(b)萃取溶液滴附(b) Surface treatment by the extraction solution

(c)點燈測試(c) Microscopic observation with LC

4.2.1 萃取溶液制作

為了便于測試，我們將各測試樣品分別制作成測試溶液。

固態的Hybrid摩擦布和布毛纖維溶液制法，主要有溶解、老化和過濾3個小步驟。

(1)溶解：將上述固態物質放置到溶劑去離子水(DIW)中，固態物質質量分數為2.5%；

(2)老化：將上述溶液放置在40 ℃的環境中，靜置1 d，靜置時保持超聲處理；

(3)過濾：使用0.2 μm的過濾器進行過濾。

濃溶液狀態的背膠、柔順劑溶液制法主要有稀釋和過濾兩個步驟。

(1)稀釋：使用DIW進行稀釋，稀釋比為濃溶液∶DIW=1∶500；

(2)過濾：使用0.2 μm的過濾器進行過濾。

防靜電劑為稀溶液，無需處理直接使用。

4.2.2 萃取溶液滴附

在第一步中我們得到了Hybrid摩擦布、布毛纖維、背膠、柔順劑和防靜電劑的共5種萃取溶液。如圖7(b)所示，將這5種溶液分別滴附在傾斜放置的PI基板上(已摩擦配向)，隨著液滴流動，其按照一定軌跡滑落PI基板。然后用DIW進行3次清洗，這是按照生產線的工藝流程模擬清洗過程。最后，將PI基板放置在120 ℃下干燥1 min，完成了萃取溶液滴附。

4.2.3 點燈測試

將上述5種完成干燥的基板放置在點亮的背光源(背光源表面放置一層偏光片)上面，分別滴入液晶，分別使用顯微鏡觀察，顯微鏡的偏光軸與背光源上偏光片偏光軸成一定夾角(90°最佳)，如圖7(c)所示。

4.3 實驗室測試結果

圖8為點燈測試觀察到的5種溶液滴附后PI基板表面的畫面。從圖中可以看到，Hybrid 摩擦布、背膠、柔順劑所對應的基板上出現了亮暗不一致的條紋，該條紋的出現代表了PI表面配向力受到了影響，與在圖1中觀察到的TFT LCD顯示屏中非異物亮點現象一致。由此可見背膠和柔順劑的成分是造成TFT-LCD中非異物亮點的主要雜質成分。

圖8 實驗室測試結果

5 產線測試結果

依據上述實驗結果，我們對摩擦布進行了改善優化，主要優化方向有兩點：

(1)加強織布后的清洗，增強柔順劑和背膠脫落成分的去除能力，主要通過清洗水量加倍實現。

(2)增加真空吸收環節，吸收背膠脫落成分，避免留存在摩擦布中。

使用優化后的摩擦布，我們進行了兩次測試，從表3結果看出，非異物亮點均得到了有效改善，證實了我們的不良機理分析及實驗結果是有效的。

從表3數據看，使用改善后的摩擦布，非異物亮點發生比例降低了0.6%，按照我公司每個月300 k 液晶面板的產量，每月可減少1 800片液晶面板的損失，按照每片50美元的價格，每月可以為公司減少9萬美元的材料損失。

表3 新摩擦布產線測試結果

6 結 論

本文主要對使用Hybrid摩擦布的TFT LCD產品中出現的非異物亮點進行了機理研究。首先對非異物亮點進行了初步分析，不良區無可見異物，亮點的成因為PI膜配向和對應液晶取向異常；對PI配向異常的機理進行研究發現，PI表面有7.5～10 nm的雜質區，影響了PI膜的配向，其成分主要是CxHyOz；我們推導異物成分主要來源為摩擦布；通過建立實驗室模擬測試方案，驗證摩擦布中的柔順劑和背膠成分是造成PI配向異常的雜質成分；最后對摩擦布中的柔順劑和背膠成分進行了加強清洗和真空去除，在生產線測試取得了較好的結果。結果表明，柔順劑和背膠成分加強去除后，非異物亮點不良由0.6%降低至0%，預計每月為我公司減少9萬美元的材料損失。