表面處理對液晶顯示陣列基板中黑矩陣殘留的影響

張 鋒，舒 適，齊永蓮，劉 震

（京東方科技集團(tuán)股份有限公司技術(shù)研發(fā)中心，北京100176）

表面處理對液晶顯示陣列基板中黑矩陣殘留的影響

張 鋒?，舒 適，齊永蓮，劉 震

（京東方科技集團(tuán)股份有限公司技術(shù)研發(fā)中心，北京100176）

主要分析了黑矩陣殘留程度與SiNx、SiON、SiOx等基底表面親水特性的關(guān)系，研究了等離子體處理對基底表面親水特性以及黑矩陣殘留的影響.首先，通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡對黑矩陣在不同基底表面的殘留顆粒大小、表面粗糙度進(jìn)行了測試.然后，使用接觸角測試儀對不同基底表面的親水特性進(jìn)行了表征，分析了表面親水特性和黑矩陣殘留程度的關(guān)系.最后，研究了等離子體處理?xiàng)l件對基底表面親水特性的影響，提出了采用O2/He等離子體對基底表面進(jìn)行改性來解決黑矩陣的殘留問題.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基底表面的水接觸角越小、親水性越強(qiáng)，黑矩陣在基底表面的殘留越少；O2/He等離子體表面處理使基底表面的水接觸角從17°降低到3°，增強(qiáng)了基底表面的親水特性，并且黑矩陣工藝之后基底表面的粗糙度從3.06 nm降低到0.69 nm，消除了黑矩陣的殘留.

等離子體處理；親水性；接觸角；黑矩陣

1　引 言

現(xiàn)有的薄膜晶體管液晶顯示器件（TFTLCD）［1-2］是由包含有薄膜晶體管的陣列基板與包含有黑矩陣以及彩色濾色片的濾色片基板對準(zhǔn)粘結(jié)而得到.在對準(zhǔn)粘結(jié)的過程中，濾色片基板上的黑矩陣與陣列基板上的數(shù)據(jù)線和柵線之間不可避免的會出現(xiàn)偏移（≥±5μm），從而導(dǎo)致液晶顯示器件的透光率下降.特別是高分辨率（高PPI）液晶顯示器件，由于像素尺寸較小，黑矩陣偏移對顯示器件透過率的影響更大，嚴(yán)重時(shí)甚至有可能發(fā)生漏光現(xiàn)象，導(dǎo)致顯示畫面惡化.

為了解決上述問題，已經(jīng)有人提出了一種在陣列基板上形成黑矩陣以及彩色濾色片（Black Matrix on Array，BOA）［3-6］的液晶顯示器件.該結(jié)構(gòu)中由于黑矩陣與數(shù)據(jù)線和柵線都形成在陣列基板上，因此可以減小二者之間的偏差（≤±2μm），從而提高顯示器件的透過率，并有效改善漏光現(xiàn)象.

相對于黑矩陣形成于玻璃表面，BOA液晶顯示器件中黑矩陣一般形成于SiNx、SiON、SiOx等無機(jī)介質(zhì)表面，并且黑矩陣在無機(jī)介質(zhì)表面存在不同程度的殘留現(xiàn)象，會影響最終制備的液晶顯示器件的顯示效果.常規(guī)的消除黑矩陣在無機(jī)介質(zhì)表面殘留的方法是:在黑矩陣工藝完成之后采用干刻設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行一次灰化工藝.由于黑矩陣中包含有大量碳黑顆粒，在灰化工藝過程中產(chǎn)生大量的污染物顆粒會對干刻設(shè)備造成污染，導(dǎo)致良品率的下降.

本文中，我們研究了TFT-LCD生產(chǎn)工藝中常用的O2/He等離子體處理工藝對黑矩陣在無機(jī)介質(zhì)表面殘留的影響.在黑矩陣工藝之前對無機(jī)介質(zhì)表面進(jìn)行O2/He等離子體處理，既可以解決黑矩陣的殘留問題，同時(shí)又避免了污染物顆粒的產(chǎn)生，能夠保證良品率不受影響.

2　實(shí) 驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)條件

本論文涉及的實(shí)驗(yàn)和測試均在2.5G TFTLCD生產(chǎn)線進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示，首先采用等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD）的方法分別在370 mm×470 mm的玻璃基板表面進(jìn)行100 nm厚度的SiNx、SiON、SiOx薄膜沉積，然后利用濾色片基板生產(chǎn)線Hitachi-LE4000A曝光機(jī)進(jìn)行黑矩陣的涂覆、曝光、顯影工藝以形成圖案化的黑矩陣，最后通過原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、接觸角測試儀等設(shè)備對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和表征.

圖1　本實(shí)驗(yàn)黑矩陣的工藝流程圖Fig.1　Process flow of BM pattern on inorganic insulator surface

另外，為了研究等離子體表面處理對黑矩陣殘留的影響，在黑矩陣工藝之前，我們對沉積后的SiNx、SiON、SiOx薄膜表面進(jìn)行了O2/He等離子體處理，并研究了等離子體處理?xiàng)l件對黑矩陣殘留的影響.

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1不同基底對黑矩陣殘留的影響

圖2的原子力顯微鏡照片顯示了黑矩陣在不同基底表面的殘留程度（圖中白點(diǎn)為黑矩陣殘留顆粒），結(jié)果顯示相對于在玻璃表面而言（液晶顯示器件基準(zhǔn)工藝），黑矩陣在SiOx、SiON、SiNx三種基底表面均存在不同程度的殘留，殘留的黑矩陣顆粒尺寸逐漸從～100 nm增加到～200 nm；并且在SiNx表面黑矩陣的殘留最為嚴(yán)重，表面粗糙度最大，如圖3所示.

上述現(xiàn)象主要是由于玻璃、SiOx、SiON、SiNx不同基底表面的親水特性［7-8］不同導(dǎo)致的（與水的接觸角不同，如圖4所示）:由于不同基底表面的其親水性不同，其表面分子與黑矩陣分子的作用力也不同，因此黑矩陣在其表面殘留程度也不同.相對于玻璃、SiOx、SiON而言，SiNx表面的水接觸角最大，其親水性最差、親油性最強(qiáng)，其表面分子與同為親油性的黑矩陣分子作用力最強(qiáng)［9］，因此經(jīng)曝光、顯影等工序之后仍然有較多的黑矩陣顆粒殘留在SiNx表面.

圖2　黑矩陣在不同基底表面殘留的AFM圖片F(xiàn)ig.2　AFM images of BM residue on inorganic insulator surface

圖3　黑矩陣在SiNx表面殘留的SEM照片F(xiàn)ig.3　SEM image of BM residue on SiNxsurface

圖4　不同基底與水的接觸角Fig.4　Contact angle between water and inorganic insulator

3.2等離子體處理對黑矩陣殘留的影響

為了消除黑矩陣的殘留，我們在黑矩陣工藝之前對基底的表面進(jìn)行了O2/He等離子體表面處理，表面處理的條件如表1所示.

表1　O2/He等離子體處理?xiàng)l件Tab.1　Parameter of surface treatment condition

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:進(jìn)行黑矩陣工藝之前對基底表面進(jìn)行O2/He等離子體處理能夠有效的消除黑矩陣在基底表面的殘留，降低基底表面的粗糙度，結(jié)果如圖5所示.

圖5　黑矩陣在不同基底表面殘留的AFM圖片F(xiàn)ig.5　AFM images of BM pattern on inorganic insulator surface

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是因?yàn)榛妆砻娼?jīng)O2/ He等離子體處理后發(fā)生了復(fù)雜的物理和化學(xué)變化［10］，基底表面產(chǎn)生了自由基團(tuán)或者帶氧的極性基團(tuán)，如羥基（-OH）.這些自由基團(tuán)或者極性基團(tuán)使基底表面極性增加，從而增加了SiOx、SiON、SiNx三種基底表面的親水性，降低了其表面分子與親油性黑矩陣分子之間的作用力，從而能夠消除黑矩陣在其表面的殘留.如圖6所示，是不同基底表面經(jīng)O2/He等離子體處理前后的水接觸角變化，從圖中可以看出經(jīng)等離子體處理后，SiOx、SiON、SiNx三種基底表面的水接觸角均有所減小，并且基本達(dá)到了水在玻璃表面的接觸角（～3°）.

圖6　表面處理對基底親水性的影響Fig.6　Effect of surface treatment on contact angle

3.3等離子體處理?xiàng)l件對水接觸角的影響

圖7是O2/He等離子體處理時(shí)間以及功率對SiNx表面水接觸角的影響，結(jié)果顯示等離子體處理時(shí)間（10 s，20 s，30 s）以及功率（300 W，500 W，800 W）的變化對SiNx表面的水接觸角，也就是親水性影響不大.因此實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)可以盡量縮短等離子體處理的時(shí)間和功率以提高產(chǎn)能.

圖7　等離子處理時(shí)間和功率對接觸角的影響Fig.7　Effect of surface treatment condition on contact angle

圖8是O2/He等離子體處理之后SiNx表面的水接觸角隨靜置時(shí)間增加的變化曲線，結(jié)果顯示隨著靜置時(shí)間的增加，等離子體處理的效果逐漸喪失，這是因?yàn)镺2/He等離子體處理后使基底表面處于熱力學(xué)非平衡態(tài)，而基底表面的非平衡態(tài)要自發(fā)的回復(fù)到平衡態(tài)，這需要一個(gè)弛豫時(shí)間.因此在實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)要對等離子體處理和黑矩陣之間的工藝間隔時(shí)間進(jìn)行控制，最好在等離子體表面處理之后立即進(jìn)行黑矩陣工藝，以保證等離子體處理具有較好的效果.

圖8　靜置時(shí)間對等離子體處理效果的影響Fig.8　Effect of time after surface treatment on contact angle

4　原型機(jī)制備

基于上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們制備出了10.1 in WQXGA（2 560×1 600）的BOA液晶顯示器件（如圖9所示），為目前全球最高分辨率（299PPI）的BOA液晶顯示器件.相對于同等設(shè)計(jì)規(guī)格的非BOA液晶顯示器件，我們制備的BOA液晶顯示器件透過率可以提升8%～10%（5.0% 5.4%）.

圖9　BOA原型機(jī)顯示畫面Fig.9　Display image of 10.1 in WQXGA prototype

該BOA液晶顯示器件原型機(jī)的特性參數(shù)如表2所示.

表2　BOA原型機(jī)特性參數(shù)Tab.2　Specification of 10.1 in WQXGA prototype

5　結(jié) 論

本文研究了在BOA液晶顯示陣列基板中，O2/He等離子體表面處理對黑矩陣在SiOx、SiON、SiNx等基底表面殘留的影響.結(jié)果表明，采用O2/He等離子體對基底表面進(jìn)行處理之后，能夠增加基底表面的親水特性，水在基底表面的接觸角從17°降低到3°，黑矩陣工藝之后表面粗糙度從3.06 nm降低到0.69 nm，消除了黑矩陣在基底表面的殘留.

［1］ 王玉如.液晶顯示技術(shù)的最新進(jìn)展［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（22）:85-87.

Wang Y R.The new development of TFTLCD［J］.Modern Electronic Technique，2004，27（22）:85-87.（in Chinese）

［2］ 張家祥，盧凱，郭建，等.TFT-LCD器件氧化銦錫層無退火工藝研究［J］.液晶與顯示，2014，29（1），55-59.

Zhang J X，Lu K，Guo J，et al.Anneal skip of ITO layer in TFT-LCD［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2014，29（1）:55-59.（in Chinese）

［3］ Annis C，Semenza P，尹春?。ㄗg）.通過改進(jìn)TFT-LCD生產(chǎn)工藝提高光透過率降低生產(chǎn)成本和能耗［J］.現(xiàn)代顯示，2011（1）:5-9.

Charles A，Paul S，Yin C J.Better transmission:TFT-LCD manufacturing advances reduce cost and energy consumption［J］.Advanced Display，2011（1）:5-9.（in Chinese）

［4］ Park J J，Kim D G，Park S R，et al.Color filter on TFT array structure without the use of photolithography process in upper substrate&organic insulator in TFT substrate［C］.SID 2005 Digest，2005:137-139.

［5］ Hong M P，Roh N S，Hong W S，et al.New approaches to process simplification for large area and high resolution TFT-LCD［C］.SID 2001 Digest，2001:1148-1151.

［6］ Song J H，Kim S G，Nam H W，et al.Novel manufacturing process of TFT-LCD featuring C/F on array and its applications［C］.SID 2000 Digest，2000:1018-1021.

［7］ 祝振鑫.膜材料的親水性、膜表面對水的濕潤性和水接觸角的關(guān)系［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2014，34（2）:1-4.

Zhu Z X.Hydrophilicity，wettability and contact angle［J］.Membrane Science and Technology，2014，34（2）:1-4.（in Chinese）

［8］ 何進(jìn)，陳星弼，楊傳仁，等.直接鍵合硅片的親水處理及其表征［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，1999，24（5）:23-25，29.

He J，Chen X B，Yang C R，et al.Characterization of Silicon Surface Hydrophilicity Treatment［J］.Semiconductor Technology，1999，24（5）:23-25，29.（in Chinese）

［9］ Kim Y J，Bulusu A，Giordano A J，et al.Experimental study of interfacial fracture toughness in a SiNx/PMMA barrier film［J］.ACS Appl.Mater.Interfaces，2012，4（12）:6711-6719.

［10］ 王云英，孟江燕，王運(yùn)平.低溫等離子處理對PTFE表面性能的影響［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2009，29（5）:77-81.

Wang Y Y，Meng J Y，Wang Y P.Effect on PTFE surface property treated by low temperature plasma［J］.Journal of Aeronautical Materials，2009，29（5）:77-81.（in Chinese）

Effect of surface treatment on BM residue in TFT-LCD array substrate

ZHANG Feng?，SHU Shi，QI Yong-lian，LIU Zhen

（BOE Technology Group Co.，LTD Technology Center，Beijing 100176，China）

The effect of plasma surface treatment on black matrix（BM）residue and substrate hydrophilicity is investigated in order to improve display performance of TFT-LCD with BM on array（BOA）structure.The size of remained BM particles and surface roughness are characterized by atom force microscope（AFM）and scanning electron microscope（SEM）.Water contact angle and hydrophilicity of substrate are measured by the contact angle instrument，which gives the correlation between hydrophilicity and BM residue.Finally，the effect of O2and He plasma surface treatment on BM residue is investigated.Experimental results indicate that the smaller water contact angle means the better hydrophilic and the less BM residue.After treatment with O2and He plasma，the water contact angle of substrate is decreased from 17°to 3°and the surface roughness is decreased from 3.06 nm to 0.69 nm after BM process.AFM morphology images show that BM residue is completely eliminated from the substrate.

plasma treatment；hydrophilicity；contact angle；black matrix

O472+.1

A doi:10.3788/YJYXS20153006.0915

1007-2780（2015）06-0915-05

張鋒（1983-），男，陜西咸陽人，碩士，主要從事液晶顯示器件陣列工藝的研發(fā)工作.E-mail:zhangfeng_tri @boe.com.cn

2015-04-10；

2015-07-15.

京東方科技集團(tuán)股份有限公司研發(fā)項(xiàng)目基金（No.2012057）

Supported by Research Foundation of BOE Technology Group Co.，LTD（No.2012057）

?通信聯(lián)系人，E-mail:zhangfeng_tri@boe.com.cn