非接觸式配向工藝(光配向工藝)Zara Particle不良產(chǎn)生機(jī)理分析及改善方向研究

合肥京東方光電科技有限公司 張 龍 陳霖東 江 橋 陳維誠(chéng) 劉俊豪

非接觸式配向工藝(光配向工藝)Zara Particle不良產(chǎn)生機(jī)理分析及改善方向研究

合肥京東方光電科技有限公司 張 龍 陳霖東 江 橋 陳維誠(chéng) 劉俊豪

目前在TFT-LCD生產(chǎn)中最為廣泛運(yùn)用的配向技術(shù)是摩擦配向（Rubbing alignment）法。光配向工藝以非接觸式配向正在逐漸取代現(xiàn)有的摩擦配向方式，其配向原理及材料與摩擦配向方式有著本質(zhì)區(qū)別。光配向使用PI Ink需要在Coating固化以后再次進(jìn)行斷鏈和重組，并且需要將斷開(kāi)分子鏈進(jìn)行去除。由于其分解特性及斷開(kāi)分子鏈的去除效果、固化后膜層與CF側(cè)PS間摩擦擠壓都與盒內(nèi)產(chǎn)生Zara相關(guān)，隨著行業(yè)內(nèi)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)需求的提高，客戶對(duì)Zara不良的容忍度也在一度降低。通過(guò)對(duì)Oven條件(斷鏈分子的去除)和Polish條件(PS對(duì)PI膜層摩擦擠壓)進(jìn)行測(cè)試，找出最佳斷鏈去除條件以及摩擦擠壓條件，為后續(xù)光配向量產(chǎn)尋找可靠條件，降低Zara發(fā)生率。

非接觸式配向；光配向；Zara Particle

一、前言

（一）背景

為解決傳統(tǒng)摩擦方式配向帶來(lái)的不良影響，非接觸式配向工藝領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展。目前非接觸式配向方式主要分為三類(lèi)：曝光異構(gòu)化、曝光二聚化以及曝光降解。在行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用的模式為曝光降解方式，此類(lèi)非接觸式配向依靠紫外光對(duì)PI膜層進(jìn)行分解，然后利用高溫將分解后斷裂的分子鏈進(jìn)行揮發(fā)[3]。

這種方式自然也存在其弊端，紫外光強(qiáng)度影響分子鏈斷裂程度、固化溫度和時(shí)間影響斷裂分子鏈的揮發(fā)程度。另一方面，手機(jī)、平板電腦以及電視品牌客戶需求面板超薄化，面板的減薄工藝必然進(jìn)行。TFT面板上下層(TFT，CF)依靠封框膠固定，PS進(jìn)行支撐。當(dāng)前的減薄工藝主要為使用HF酸進(jìn)行蝕刻，完成后通過(guò)拋光的方式對(duì)表面減薄不均點(diǎn)進(jìn)行打磨，消除表面外觀不良。在拋光過(guò)程中勢(shì)必產(chǎn)生壓力使得面板內(nèi)支撐PS對(duì)TFT基板表面PI膜面造成磨損，進(jìn)而產(chǎn)生細(xì)小碎屑最終聚集為Zara Particle不良。部分條件下Zara Particle發(fā)生率可達(dá)80%以上，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響巨大。

圖1 Zara Particle在顯微鏡下現(xiàn)象

（二）目的

通過(guò)對(duì)曝光條件(斷鏈分子的去除)和Polish條件(PS對(duì)PI膜層摩擦擠壓)進(jìn)行測(cè)試，找出最佳斷鏈去除條件以及摩擦擠壓條件，為后續(xù)光配向量產(chǎn)尋找可靠條件，降低Zara發(fā)生率，提高工藝能力。另一方面，對(duì)此類(lèi)不良的重要影響材料PI ink成分進(jìn)行改進(jìn)，準(zhǔn)確拿捏PI ink的曝光強(qiáng)度以及固化條件，既能使斷裂分子鏈完全揮發(fā)又能保證一定的耐磨強(qiáng)度，才能有效降低Zara Particle的發(fā)生。產(chǎn)品減薄拋光是影響Zara Particle的重要因素，制定拋光測(cè)試條件并選取最佳條件應(yīng)用。

二、工藝條件對(duì)不良產(chǎn)生機(jī)理分析

（一）紫外光強(qiáng)度、固化溫度、固化時(shí)間對(duì)Zara Particle產(chǎn)生影響程度測(cè)定

1.光配向工藝原理

隨著手機(jī)產(chǎn)品以及穿戴體驗(yàn)的迅速發(fā)展，各高世代TFT產(chǎn)線都在進(jìn)行小型化轉(zhuǎn)型，由于摩擦工藝的不均和劃傷問(wèn)題，致使傳統(tǒng)摩擦配向工藝造成大量不良成為成本浪費(fèi)。

相比摩擦工藝使用的PI ink，光配向用PI ink中添加有具有感光成分的基團(tuán)，在一定的紫外光光強(qiáng)照射下，基團(tuán)便會(huì)斷裂[1]。根據(jù)這種特點(diǎn)，使用特定的線柵使紫外光偏振形成紫外偏振光，在偏振光方向的PI分子鏈會(huì)吸收較多的光照量，當(dāng)累積吸收的光照強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，分子中連接部分的基團(tuán)便會(huì)斷裂，PI分子鏈形成一些小分子分散在基板表面。從與偏振光平行方向至垂直方向，偏振光的光照量逐漸減少。

圖2 沿偏振光方向分子鏈吸收光照[1]

如圖1所示，與偏振光方向平行，同等照射條件下吸收的累積光量高，能量達(dá)到時(shí)基團(tuán)發(fā)生斷裂，分裂成為小分子[2]。

圖3 非偏振光方向分子鏈不易吸收降解[1]

如圖2所示，與偏振光方向垂直，同等照射條件下吸收的累積光量低，無(wú)法達(dá)到基團(tuán)斷裂必須的累積光照量條件，光照后無(wú)變化保留下來(lái)[2]。

光照完成后，斷裂的小分子依然存在于基板表面。利用斷裂小分子易于揮發(fā)的特點(diǎn)，使用高溫爐進(jìn)行加熱，使表面小分子揮發(fā)，只留下未發(fā)生斷裂的分子鏈。整個(gè)基板表面的PI膜面就表現(xiàn)出了整體沿著偏光方向垂直方向的方向性，可以進(jìn)行液晶分子的定向有序排列。圖3，4，5表示了從PI ink涂敷至配向完成各個(gè)階段的PI分子鏈排布示意。

圖4 涂覆的PI分子分布

圖5 光照后PI分子狀態(tài)

圖6 固化后PI分子有序性分布

2.累積光照量對(duì)Zara Particle產(chǎn)生影響程度的測(cè)定

累積光照量是影響PI分子鏈分解的重要條件。累積光照量越大，PI分子鏈分解的程度越高。針對(duì)這個(gè)條件，制定了單獨(dú)累積光照量條件的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6測(cè)試結(jié)果顯示，低/中/高累積光照量強(qiáng)度下，中度照射量強(qiáng)度Zara程度最重，目鏡下Zara等級(jí)0.16，肉眼可見(jiàn)Zara等級(jí)0.78，反而低和高累積光量下現(xiàn)象較為輕微。隨著累積光照量的增加，Zara Particle不良并未有增長(zhǎng)趨勢(shì)。在高累積光量條件下，與偏振光方向垂直的PI分子鏈斷裂為易揮發(fā)的小分子，在后續(xù)工藝過(guò)程中正常揮發(fā)；反而在累積光照量不足的低和中度條件下，分子鏈并未徹底分解為易揮發(fā)的小分子，所以未能在二次固化條件下?lián)]發(fā)，最終形成Zara Particle。中低度累積光照量的條件下，隨累積光照量增加，Zara Particle不良發(fā)生率呈現(xiàn)出了增長(zhǎng)趨勢(shì)。在這個(gè)條件區(qū)間內(nèi)，PI分子鏈的分解程度逐漸增加，但是由于仍未達(dá)到PI分子徹底分解的累積光照量，導(dǎo)致各個(gè)方向PI分子鏈分解程度不一，顯現(xiàn)為Zara Particle高發(fā)生率的現(xiàn)象。

圖7 不同曝光強(qiáng)度下 Zara 不良狀況

累積光照量影響PI分子鏈的斷裂的程度，光照量越大，PI分子斷裂的越多越徹底，從這個(gè)層面講累積光照量越大越好；在達(dá)到這個(gè)累積光照量后，過(guò)多的光照量則會(huì)使垂直偏振光方向的PI分子鏈更多的分解，一方面影響產(chǎn)品的配向能力，另一方面浪費(fèi)更多的能量。在對(duì)產(chǎn)品配向能力的確認(rèn)中，增加了累積光照量與產(chǎn)品對(duì)比度的對(duì)比。表1測(cè)試結(jié)果如下：

表1 累積光照量對(duì)對(duì)比度影響

圖8 累積光照量對(duì)對(duì)比度影響

圖7 測(cè)試結(jié)果明顯在高曝光量后對(duì)比度數(shù)據(jù)下降，在經(jīng)過(guò)對(duì)PI配向性能力確認(rèn)后，輸出最佳累積光照量為高曝光量。

3.二次固化溫度對(duì)Zara Particle產(chǎn)生影響程度的測(cè)定

圖9 不同二次固化溫度下 Zara 不良狀況

根據(jù)圖8不同二次固化溫度下Zara不良狀況并從光配向工藝原理上推測(cè)，高溫爐溫度越高，在基板上殘留斷裂分子鏈的數(shù)量越少。

在進(jìn)行的高溫爐溫度測(cè)試中，測(cè)試結(jié)果反映了隨溫度升高，Zara Particle變少變輕的趨勢(shì)。結(jié)果與原理推測(cè)相同，在低固化溫度下目鏡Zara等級(jí)0.12，肉眼可見(jiàn)Zara等級(jí)1.32，程度最重；高溫度下目鏡Zara等級(jí)0.04，肉眼可見(jiàn)Zara等級(jí)0.12，程度最輕。

實(shí)際上并非二次固化溫度越高越好，TFT基板和CF基板均需要進(jìn)行此項(xiàng)固化工藝。對(duì)于兩種基板而言，有些膜層在受到高溫的烘烤后，會(huì)發(fā)生劣化分解，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品失效。所以在進(jìn)行二次固化溫度的選擇時(shí)，也必須同時(shí)考慮各種基板膜層可耐受的最大溫度，才最為合適。考慮到這點(diǎn)，可選擇二次固化溫度設(shè)定為中。

4.二次固化時(shí)間對(duì)Zara Particle產(chǎn)生影響程度的測(cè)定

圖10 不同固化時(shí)間下 Zara 不良狀況

圖9 顯示隨二次固化時(shí)間增加，Zara Particle不良下降。

理論上，固化時(shí)間越長(zhǎng)越好，殘留小分子鏈的揮發(fā)程度越高。在揮發(fā)到“中”后，Zara Particle等級(jí)已經(jīng)沒(méi)有明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明在當(dāng)前的固化溫度下，已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)揮發(fā)殘留PI分子。考慮到工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)能問(wèn)題，選取能夠去除殘留小分子的最短時(shí)間作為工藝條件。

（二）光配向工藝最優(yōu)搭配選擇

在各項(xiàng)光配向工藝條件對(duì)Zara Particle影響的測(cè)定中已經(jīng)有初步結(jié)果。針對(duì)Nissan-A款PI ink，累積光照量：高曝光量；二次固化溫度：中固化溫度；二次固化時(shí)間：中固化時(shí)間，是按照測(cè)試結(jié)果選定的最佳工藝條件。

從上面的測(cè)試結(jié)果可以看出，累積光照量減少，PI分子鏈斷裂越不徹底，殘留的斷裂的分子鏈越不易清除；二次固化溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)PI分子鏈的去除能力越強(qiáng)。所以，在特定的情形下，可根據(jù)需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。例如，需要降低能量消耗、提升產(chǎn)能就要降低累積光照量，此時(shí)若要避免Zara Particle不良發(fā)生，就需要調(diào)整二次固化溫度和時(shí)間來(lái)增強(qiáng)殘留分子鏈的去除能力，使其完全揮發(fā)。

（三）材料特性及不良機(jī)理分析

隨著光配向技術(shù)在TFT行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，越來(lái)越多的PI ink開(kāi)發(fā)完成并進(jìn)行推廣。降解式光配向工藝其Zara Particle產(chǎn)生原理是在特定的累積光照量下，PI分子鏈不能徹底分解為小分子進(jìn)行揮發(fā)。針對(duì)Nissan-A和Nissan-B 兩種PI ink進(jìn)行了Zara Particle不良的確認(rèn)，不良程度有了很大幅度的下降。

圖11 不同PI類(lèi)型 Zara 不良狀況

圖12 Nissan-B PI分子結(jié)構(gòu)[1]

圖13 Nissan-A PI分子結(jié)構(gòu)[1]

如圖10中所示，Nissan-A較Nissan-B有著明顯的下降趨勢(shì)。到底是什么原因?qū)е聝煞NPI ink之間產(chǎn)生的差異呢？這要從PI分子的結(jié)構(gòu)說(shuō)起，Nissan-A和Nissan-B分子結(jié)構(gòu)如下圖，紅色方塊結(jié)構(gòu)為降解反應(yīng)特殊基團(tuán)，青色橢圓結(jié)構(gòu)為紫外光吸收基團(tuán)。相比Nissan-B，Nissan-A增加了紫外光吸收基團(tuán)，使得Nissan-A更容易吸收紫外光并進(jìn)行降解反應(yīng)，一方面需求的累積光照量降低，另一方面，PI分子鏈更容易降解為易揮發(fā)的小分子，減少殘留大分子的比例，最終降低Zara Particle的發(fā)生。圖11中Nissan-B分子結(jié)構(gòu)一個(gè)吸收基團(tuán)對(duì)應(yīng)一個(gè)降解基團(tuán)，而圖12中Nissan-A則增加了兩個(gè)吸收基團(tuán)對(duì)應(yīng)一個(gè)降解基團(tuán)，更容易降解為小分子[1]。

（四）外觀拋光對(duì)Zara Particle不良產(chǎn)生影響確認(rèn)

在產(chǎn)品刻蝕減薄后，需要進(jìn)行拋光對(duì)表面刻蝕不均勻處進(jìn)行修復(fù)。在基板對(duì)盒以后，CF基板上的PS起支撐作用，在拋光過(guò)程中不可避免將會(huì)與TFT側(cè)PI膜面進(jìn)行擠壓。根據(jù)拋光工藝條件，制定測(cè)試條件。測(cè)試結(jié)果如圖13所示：

圖14 不同拋光條件Zara不良狀況

只有在最重拋光條件下，才有大量Zara Particle發(fā)生。可得出結(jié)論，只有在拋光壓力和拋光時(shí)間達(dá)到一定程度后，Zara Particle才會(huì)高發(fā)。此時(shí)再通過(guò)各種拋光條件的外觀良率確認(rèn)最佳拋光條件。

結(jié)論

從接觸式配向升級(jí)為非接觸式配向， 摩擦配向方式的詬病，摩擦不均勻、膜面劃傷以及Zara Particle等不良一直未得到有效改善，光配向工藝從設(shè)計(jì)初始就避免了不均勻以及劃傷，若在Zara Particle不良上有明確改善方向，必然會(huì)完全取代傳統(tǒng)摩擦配向方式，成為T(mén)FT領(lǐng)域中主流配向工藝。

從光配向工藝條件看，主要影響Zara Particle的參數(shù)為累積光照量、二次固化溫度及二次固化時(shí)間。累計(jì)光照量影響PI分子鏈的降解程度，隨累積光照量增加，PI分子鏈的降解比例越高，其降解為小分子的能力越強(qiáng)；二次固化溫度決定PI材料降解的小分子揮發(fā)的程度，溫度越高，小分子越容易揮發(fā)；二次固化時(shí)間決定降解后殘余小分子的揮發(fā)程度，時(shí)間越長(zhǎng)，小分子揮發(fā)越徹底。

影響光配向工藝產(chǎn)生Zara的原因還有減薄工藝的拋光條件，隨拋光條件加重，存在一個(gè)拋光強(qiáng)度臨界點(diǎn)，Zara Particle不良高發(fā)。所以，確認(rèn)Zara Particle高發(fā)的臨界拋光工藝條件是制定最佳拋光條件的關(guān)鍵。

對(duì)于光配向使用的PI ink來(lái)說(shuō)，其在光照下的降解程度、降解的小分子的揮發(fā)性將決定著Zara Particle不良的發(fā)生狀況。從材料設(shè)計(jì)上講，若要改善Zara Particle不良，需要增強(qiáng)PI分子鏈降解程度，降解部分的PI分子鏈更加敏感，而保留部分的PI分子鏈要更有惰性；降解的小分子揮發(fā)所需的條件則需要降低，使其在更低的溫度、更少的時(shí)間內(nèi)完全揮發(fā)。

[1]Nissan Chemical Materials Research Lab． Introduction of newly developed photo-alignment materials[R/MK]． 2015．

[2]Ushio電機(jī)株式會(huì)社光工藝事業(yè)部． IPS/FFS用長(zhǎng)弧光取向設(shè)備技術(shù)介紹資料[R/MK]． 2013．

[3]李文欽 陳嘉明 李政道．光配向材料與技術(shù)發(fā)展[J]．工業(yè)材料雜志，1992(199):1-10．