TFT LCD光配向制程對低灰階畫面抖動的影響

李二科

(深圳市華星光電有限公司，廣東 深圳518107)

1 引 言

液晶顯示器(Liquid Crystal Display)是目前顯示器中主流應用的品種之一。在液晶顯示器中，通過在液晶與透明電極之間制作一層取向膜，來控制液晶分子取向。液晶分子在配向膜表面排列性能直接影響液晶顯示器的顯示性能，如對比度、視角、響應時間、閾值電壓等，影響液晶分子的光學和驅動特性。顯示器中的液晶分子的配向技術至關重要，配向材料的性質和結構，液晶分子和配向膜界面的相互作用，配向材料表面處理的方法等一系列比較復雜的問題都會影響液晶分子的配向。液晶分子的配向方法有多種，目前的配向技術有摩擦配向法、光配向法兩大類。隨著液晶技術的發展，液晶取向技術發生了革新，光控取向技術很快引起了人們的關注，與摩擦配向技術相比，光控配向技術有著明顯的優勢:配向過程不會引入雜質造成污染，不會產生靜電，從而提升良品率，可進行微區多疇取向，可用于曲面或柔性基底上等等。在一些應用上，傳統的摩擦取向技術也只能望塵莫及[1-3]。

液晶光控配向技術是一種通過偏振光照射來實現液晶取向的非接觸式方法，不同于摩擦配向法，它具有無污染、無靜電、易實現微區多疇取向等優點。當然光控配向法也有其缺點，比如配向的穩定性低，錨定能力低。液晶分子的光控配向在實際生產中也存在一些需要解決的問題，本文對光控配向制程中存在的問題進行研究和改善。

2 失效原因分析及機理研究

2.1 不良現象確認

本文所述畫面抖動不良，宏觀表現為低灰階可見部分區域畫面抖動，畫面顯示不均勻，在光學顯微鏡下確認現象， 低灰階畫面不良區域相鄰像素呈亮暗程度不均，而正常區域的相鄰像素亮暗程度相同，如圖1所示。

圖1 顯微鏡下不良現象Fig.1 Abnormal phenomena under a microscope

2.2 不良現象分析

為了明確不良發生的原因，首先需要確認不良發生的位置，通過顯微鏡觀察異常區域相鄰像素有明暗交錯規律，通過盒厚量測儀進行量測預傾角， 通過對比正常區采樣像素預傾角和不良區域采樣像素，發現異常區域相鄰像素間預傾角差異明顯大于正常區域，如圖2所示。

圖2 預傾角量測圖示。(a)對正常區域采樣40個像素點量測預傾角；(b)對不良區域采樣40個像素點量測預傾角。Fig.2 Pretilt angle measurement. (a) Pretilt angle of 40 sample pixels for normal area; (b) Pretilt angle of 40 sample pixels for bad area.

考虎到光配向制程中，TFT器件的特性不良會誘發預傾角不良的現象，通過面板電性量測機確認正常區與異常區的TFT器件特性，由圖3可知，正常區和異常區的伏安特性曲線吻合度高，柵極電壓開啟后，飽和區電流正常區和異常區并無差異，不良與TFT器件特性無關。

圖3 晶體管伏安特性量測圖示Fig.3 Volt-ampere characteristic measurement of TFT

排除TFT器件特性影響后，針對預傾角的差異進行進一步分析，在液晶顯示器件中，液晶分子與配向膜表面呈某一角度，為防止電場作用時液晶分子間發生傾斜疇向錯，提高液晶顯示器的成品率和顯示效果的均勻性，應使液晶分子長軸方向與配向層之間產生一定的夾角，這一夾角稱之為液晶分子的預傾角。液晶分子的預傾角的角度選擇是否合適，將影響液晶分子均一配向的效果，從而影響顯示效果的均勻性及液晶分子的電光特性。

進一步分析液晶分子的預傾角對其電光特性的影響，發現顯示器中的液晶分子在疇與疇之間的取向并不相同，只有在配向膜的表面經過特殊表面處理后，液晶盒內的液晶分子才會形成統一的取向，或者有了取向一致的疇。配向膜表面處理作用是使液晶分子在其表面有一定的預傾角度。預傾角可以防止施加電場的作用下液晶分子朝不同方向發生偏轉，我們稱之為液晶分子的反傾疇。合適的預傾角可以控制液晶盒中液晶分子的反傾疇出現。

液晶分子的反傾疇會降低液晶顯示器的對比度，換言之，如果液晶分子沒有合適的預傾角，則液晶分子在配向膜表面排列不規則。如圖4所示，當液晶分子的預傾角為2°時，液晶分子在施加電壓時，所有的液晶分子朝一定方向排列，顯示器正常顯示。而當液晶分子的預傾角為0°時，在施加電壓時，由于液晶分子在配向膜表面排列不規則，造成液晶分子的偏轉方向不同，從而影響液晶分子折射率，顯示器顯示的圖案中就會出現斑紋、暗紋及抖動等不良。在液晶顯示器的制造過程中，為了獲得合適的可視度和液晶分子的電光特性，要求液晶分子在配向膜表面具有確定的非零值預傾角。如果液晶分子相鄰像素間的預傾角差異過大，就會引起液晶分子在施加電壓下的排列差異，在低灰階畫面，微觀上像素的亮度不一致，人眼捕捉到亮暗差異，宏觀上呈現局部畫面抖動現象。

圖4 不同預傾角液晶分子在電場下的排列Fig.4 Arrangement of LC molecules with different pretilt angles in electric field

2.3 不良機理研究

為了進一步確認預傾角異常的原因，首先從光配向原理進行分析，光配向制程是在施加電場作用下，通過在線性偏振紫外光照射，光敏聚合物層的化學鍵發生光異構、光裂解或光二聚反應，產生表面各向異性，從而得到取向方向[4-6]。一般光配向制程中電場強度影響液晶分子取向均一性，如果施加在液晶分子上的電場強度異常，液晶分子在電場中將發生異常扭轉，從而使液晶分子的排列發生變化，從而造成對應位置像素預傾角不良。

針對電場強度分析光配向異常理論，根據E=U/D，一般光配向局部不良主要分為3種類型，局部空間異常(影響盒厚)，TFT器件失效(影響局部電壓)，基板靜電異常(影響局部電壓)。

局部空間異常類主要有以下3種，(1)基板清洗不干凈，造成異物在玻璃表面；(2)PI涂布不均勻，造成部分區域PI缺失，以致于液晶分子無法配向。(3)固定點頂針異常造成。本文中不良位置不固定且解析中未發現異物和PI缺失，故可排除以上3種；TFT器件失效異常，根據圖2的量測結果可知，TFT器件伏安特性曲線正常，故可排除；基板靜電類型與本文中不良成因符合度高，基板在TFT制作和傳輸過程中，不斷地被摩擦、吸附、移動、加壓、加熱、分離、冷卻等而不斷產生靜電。因為顯示器的基板大部分是絕緣材料玻璃，靜電散逸的速度十分緩慢，因而基板背面容易積聚大量的靜電荷。如圖5所示，基板背面存在靜電荷時，在光配向過程中會施加一個靜電場影響液晶分子電場，造成光配向不良。

圖5 基板靜電影響光配向圖示Fig.5 Photo alignment of static electricity effect on substrate

工業生產中靜電一般分為兩種，一種是接觸的兩件物體分開(剝離)時產生的靜電，被稱為剝離帶電；另一種是兩件物體相互摩擦產生靜電，被稱之為摩擦帶電。對于TFT-LCD本身復雜的工藝制程，能夠快速定位不良發生的工藝設備和工藝環節是十分重要的，經過對大量工藝數據進行統計學分析，根據不良發生率，定位不良發生單元，認為該靜電集中發生在PI制程，從表1可以看到PI#1、PI#2的不良發生率是0%，PI#3的不良發生率是0.38%，所以認為PI#3在生產中發生了靜電不良。

PI制程主要包括前清洗、印刷、固化3個步驟，針對生產中靜電不良產生的原因，在印刷和固化制程中主要存在剝離帶電，原因為機臺中存在頂針托著基板升降、玻璃與頂針接觸、分離過程中都容易產生剝離帶電。由于頂針位置固定，而本文中不良位置不固定，故可排除此影響[7-8]。

表1 機臺不良發生率Tab.1 Ratio of abnormalities by equiment

PI前清洗制程主要由刷洗和水洗組成，其作用是對需要印刷的基板進行事先清洗，以保證在印刷時的良好效果和高的良品率。在刷洗(Roll Brush wash)制程中利用刷子與玻璃基板之間的摩擦作用去除污垢(如圖6所示)，會產生摩擦起電，玻璃與毛刷摩擦而導致玻璃表面帶電荷。水洗制程為超高壓微細顆粒噴淋清洗(Super high pressure micro jet，HPMJ)，其原理是將一種高壓氣體與一種液態流體混合后，再通過一種特殊的噴嘴-超音速噴嘴，使高壓氣體與清洗液形成的液滴噴射到玻璃基板上，從而達到清洗的效果。由于是高壓輸送，液體和管道壁面摩擦后也會產生靜電。

圖6 PI前清洗圖示Fig.6 Diagram of cleaning before PI

因為顯示器的基板大部分是絕緣材料玻璃，靜電散逸的速度十分緩慢，基板背面容易造成大量靜電荷的積聚。由于玻璃基板與設備接觸位置的移動、吸附和分離，玻璃基板會受到重力的影響，在接觸位置會產生一定的形變，導致靜電荷在基板上并不是均勻分布的，在玻璃基板相對突起的位置，靜電荷會聚集在局部點位，造成局部靜電勢偏高[9-11]。

3 改善措施及效果

一般的靜電防護和改善，主要通過接地、增加濕度和靜電除電器(Ionizer)進行傳導或者中和電荷。針對本文中玻璃絕緣體的去除靜電方法，由于玻璃基板是絕緣體無法接地將電荷傳導，因此需要使用導電性高的物質(導電化)使玻璃上的電荷傳導走，實現靜電的消除。

本文通過加大HPMJ中二氧化碳流量去除玻璃基板的靜電。CO2氣體十分容易被水溶解，CO2溶于純水產生氫離子和碳酸氫根離子導電離子，增加水中離子濃度，可以降低水阻值，加強水的導電性，在清洗玻璃基板時，玻璃基板的靜電荷通過水中的離子進行電荷轉移，在后段制程中CO2會被氣化，沒有任何殘留影響。

CO2在純水中溶解，反應式如下：

H2O + CO2? H2CO3，

(1)

H2CO3? H++ HCO3-，

(2)

HCO3-? H++ CO32-.

(3)

本文針對HPMJ中CO2流量進行增大驗證，分別逐級加大CO2的流量，并監控水阻值，驗證其對靜電的影響效果。

表2 加大CO2流量驗證實驗Tab.2 Experiment of increasing CO2 flow verification

由表2可知，隨著CO2流量的增加，水阻值呈線性下降，產品發生畫面抖動不良的概率亦隨著下降，當CO2流量為3 L/min時，水阻值為0.12 MΩ·cm，此時不良發生的概率為0%，通過增大CO2流量，降低水阻值，可完全去除玻璃基板的靜電。平行展開至PI其他機臺確認，發現由于機臺設備差異和靜電發生隨機性的原因，相同的CO2流量，水阻值并不完全相同，為了完全去除玻璃基板靜電，避免后制程發生畫面抖動不良，對CO2流量和水阻值分別進行監控，確保CO2流量大于3 L/min，水阻值小于0.12 MΩ·cm，并平行展開至其他機臺，導入此改善條件后，后續未再發生畫面抖動不良。

4 結 論

靜電是TFT 行業甚至半導體行業中容易引起產品失效發生的第二誘因，僅次于異物，其發生工序眾多，發生原因不盡相同。本文主要針對PI前清洗工藝過程中靜電發生與改善情況進行探究。通過一系列實驗發現，在PI的清洗制程中加大HPMJ中CO2流量，可以有效降低水阻值，從而將玻璃基板的靜電通過離子進行電荷轉移，避免靜電影響光配向時液晶分子的電場強度，提高光配向的穩定性，避免光配向不良的發生，對TFT-LCD的產品的靜電預防及改善具有重要的指導意義。