色阻堆疊在陣列基板上形成液晶屏隔墊物的研究

張翼鶴，曹 武，李 軒，林永倫，邱鐘毅，Ray，周 航

(1. 北京大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055)2. 深圳市華星光電技術有限公司，廣東 深圳 518132；3. 深圳市華星光電半導體顯示技術有限公司，廣東 深圳 518132)

1 引 言

近年來，隨著人們對大尺寸顯示屏的需求越來越多，高世代面板廠如雨后春筍般迅猛增長[1]。垂直取向(Vertical Alignment，VA)技術既可以達到比扭曲向列相(Twist Nematic，TN)更好的可視角度，也可以實現比面內轉換開關(In-Plane Switching，IPS)技術更好的私密性，可視范圍更加靈活可調，并且對比度高，被廣泛應用于大尺寸顯示領域[2]。現有的VA模式的顯示面板多將薄膜晶體管等驅動器件做在陣列基板上，將氧化銦錫透明電極，彩色濾光片(Color Filter, CF)，黑色矩陣以及隔墊物做在CF基板上[3]。

隔墊物散布在液晶盒內，支撐上下基板，并在受到外界壓力時維持一定的液晶盒厚。基于位置、尺寸、密度可調等優點，目前的大尺寸液晶顯示器多采用柱狀隔墊物[4]。通常為了保證ODF工藝制程具有較為寬泛的制程窗口，隔墊物需要做出不同的高度，起主要支撐作用的為主隔墊物(Main PS)，起輔助支撐作用的為輔隔墊物(Sub PS)，兩者之間的高度差為它們的段差(ΔH)。為了達到一次曝光形成兩種及以上不同高度的效果，PS工藝多采用具有衍射效應的灰階曝光或采用半透膜設計降低曝光量，獲得高度差[5-6]。但是灰階曝光工藝對光阻材料、機臺分辨率、曝光量穩定性等都有較高要求，可能會影響盒厚的均勻性，半透光罩的制作費用多為普通光罩的2～3倍，增加了高世代產線的生產成本。

由于高世代面板產線所需的機臺，光罩等價格高昂，降低生產成本成為技術開發者的重要努力方向。為了減少掩膜次數，京東方提出了一種采用黑色矩陣和彩色濾光材料共同形成隔墊物的技術，可以有效降低生產成本[7]。但是上下基板在對位時由于精度的限制，為了防止漏光，像素的開口率也會受到一定的限制。若將所有的膜層均做在陣列基板上，可以減少對位精度偏移導致的漏光問題，同時能夠提高像素的開口率[8-9]。另外，京東方報道的方法主要用于FFS架構，形成的段差可調控范圍為0.4～0.8 μm，中心值為0.6 μm，而對于VA模式窄盒厚的液晶屏而言，理想段差約為0.3～0.6 μm，段差過大會降低抵抗外界壓力的能力，造成按壓回復響應慢等問題[10]。針對上述問題，本文研究了一種新型的色阻堆疊作為隔墊物的技術，通過色阻材料不同的設計尺寸調節隔墊物的高度，利用有機的平坦化層材料來調節色阻產生的過高的原生段差，最終獲得滿足設計需求的PS高度及段差。為了滿足受壓后快速回復的需求，我們還對新結構疊層隔墊物的受壓形變進行討論。最后，利用這種結構我們設計并制備了液晶顯示器的樣機，其光學結果及顯示效果表明該設計結構可用于液晶顯示行業。

2 實 驗

2.1 結構設計

由于本文黑色隔墊物(Black Photo Spacer, BPS)制程采用全透的光罩設計，該膜層本身不具備高度差異，起隔墊物作用的位置需要通過下方襯墊色阻形成高度，因此在光罩設計上，我們采用了新型的圖案化設計。我們的R/G/B色阻采用了相對獨立的島狀的圖形設計，而非傳統的條狀圖形，如圖1所示。這樣設計的目的是為了達到不同高度的要求：以雙層色阻堆疊形成主隔墊物，單層色阻襯墊形成輔隔墊物，無襯墊區域為普通黑色矩陣遮光區域。這種設計可以將PS與黑色矩陣(BM)的結構合二為一。同時，為了增加隔墊物的高度，隔墊物的位置同傳統的設計一樣，會選擇站在TFT器件正上方。

圖1 色阻堆疊形成隔墊物的設計 Fig.1 Mask design of photo spacer by color filter stacking

2.2 平坦化材料

前文提到的結構設計主-輔隔墊物之間段差會相差接近一層色阻的厚度，遠高于理想的段差值。因此我們考慮使用具有流平性質的有機膜層材料(Polymer Film on Array, PFA)替代傳統的鈍化層氮化硅材料，減少色阻原生段差。由于良好的流平性質，PFA材料覆蓋后色阻交接處的牛角可以被抹平，有利于PI膜厚的均勻分布及液晶配向。另外，由于PFA材料膜厚較傳統氮化硅材料厚，能夠有效降低產品的寄生電容，加之PFA材料本身水氧透過性較氮化硅材料更好，有利于在成盒之前將基板中的空氣排出，可以減少成盒后的氣泡風險。

2.3 工藝流程

圖2 色阻堆疊形成隔墊物的陣列基板工藝流程Fig.2 Process flow of Photo Spacer on by color filter stacking

本文所述制備工藝均在深圳市華星光電技術有限公司G4.5代生產線完成。其中，色阻堆疊形成液晶屏間隙支撐隔墊物的陣列基板工藝流程如圖2所示。首先，TFT陣列的制備工藝與傳統LCD制程無異。其次，在已經制備好TFT陣列的基板上依次涂布-曝光-顯影出所需R、G、B色阻圖案。然后，將具有流平性的有機膜層 PFA覆蓋在色阻圖案上。經過ITO工藝后，最后經過一道黃光工藝覆蓋一層黑色光阻支撐材料BPS進行遮光。由于彩色濾光膜，BM，PS均做在陣列基板上，因此彩膜基板上只有一層無圖形的ITO。與傳統的LCD制程相比，本文工作通過新型的結構設計僅通過4道彩膜段黃光工藝(R/G/B/BPS)即可達到目前5道彩膜段黃光工藝(R/G/B/PS/BM)才能達到的效果。在這里需要特別指出，為了保證液晶盒對組的精度，彩膜基板上的ITO需要用激光鐳射出標記圖形。由于采用彩膜基板側照光進行框膠固化，該側基板無金屬遮光，框膠固化更完全，且對陣列基板側的金屬設計沒有開口率的要求，有利于窄邊框顯示面板的設計。模組制程與傳統LCD制備工藝差異不大。

2.4 表征方法

隔墊物的尺寸利用光學顯微鏡(OM)進行確認。分別利用臺階儀和3D-OM初步確定各膜層厚度及段差，利用SEM確定各膜層厚度。最終產品的光學數據利用CA310進行量測。

3 結果與討論

3.1 色阻堆疊隔墊物段差控制

在對于LCD產品而言，單層色阻層材料的膜厚約為2.0～3.0 μm，雙色阻堆疊后的高度約為3.5～5.0 μm，因此由于色阻堆疊產生的原生段差約為1.5～3.0 μm。這一段差遠高于理想的Main與Sub PS之間的0.3～0.6 μm，因此我們考慮使用具有流平性質的PFA材料減少這種原生段差。PFA材料的流平性質如圖3所示，不同的地勢位置對應的PFA膜厚不同，使得覆蓋PFA后段差減小。我們選用不同膜厚的PFA材料對色阻的原生段差進行改善，結果如表1所示。涂覆平坦化層PFA后，主-輔隔墊物的段差均有所降低，且PFA膜厚越小段差降低的越明顯。根據產品的需要，我們選擇厚度Xμm作為PFA的理想膜厚，進行后續工藝。另外，由于BPS材料也具有一定的流平性質，經過BPS工藝后可以將最終的主-輔隔墊物的段差控制在0.6 μm以內。

圖3 PFA材料的流平性質Fig.3 Fluiding property of PFA

表1 不同PFA膜厚對段差改善Tab.1 M-S Height difference after coating difference thickness of PFA

3.2 色阻堆疊隔墊物高度控制

如圖4所示，主隔墊物的總膜厚是根據盒厚設計需求進行定義的，若規定主隔墊物在陣列基板以上的各層膜厚之和為主隔墊物的高度，則經過理想的壓縮后，主隔墊物的高度應該與顯示區域色阻膜層與PFA膜層加上設計盒厚的總和相同。根據這一設計準則即可反推回主隔墊物的設計高度。由于作為黑色遮光材料，BPS膜層需要具有一定厚度方能達到遮光效果，對于高度的調控能力有限；PFA膜層在整個面內幾乎全覆蓋，對非顯示區域的隔墊物與顯示區域之間的段差調控也有一定限制。因此，對于隔墊物高度的調控往往通過更改堆疊色阻的尺寸進行調節。

圖4 BPS膜層厚度設計準則Fig.4 Design rule of BPS layer

如圖5所示，5(a)為單獨改變雙層色阻其中一層圖案尺寸以及同時改變雙層色阻圖案尺寸對Main PS高度的影響，5(b)為改變單層色阻圖案尺寸對Sub PS高度的影響。從結果可以看出，改變雙層色阻中任意一層的尺寸均會對PS的高度產生影響，其中，雙層色阻尺寸同時變化對PS高度的調控影響最大，底層色阻尺寸變化對PS高度的影響次之，頂層色阻尺寸變化對PS高度的調控最弱。通過控制色阻的尺寸的大小，可以使Main PS的高度可調范圍達到0.6 μm。類似的，通過控制色阻的尺寸的大小，可以使Sub PS的高度可調范圍達到0.5 μm。主-輔隔墊物段差可以在0.2～1.3 μm之間調節，理想段差范圍0.3～0.6 μm位于此區間內。根據上述實驗結果，可以依據具體產品的設計值進行相應的色阻尺寸的調整，得到理想的隔墊物高度。

圖5 (a) Main PS高度隨雙層色阻尺寸的變化；(b) Sub PS高度隨色阻尺寸的變化。Fig.5 (a) Main PS height control by regulating the size of double color filter； (b) Sub PS height control by regulating the size of color filter.

3.3 隔墊物受壓形變研究

成盒過程中主隔墊物會受到一定程度的壓縮，對于大尺寸顯示面板來說，為了保持均勻的盒厚，隔墊物需要具備良好的彈性回復性質。圖6是在相同架構下，不同壓力、不同隔墊物尺寸的BPS結構和量產PS結構所對應的受壓形變數據。從圖中可以看出，隨著隔墊物尺寸的增加，彈性形變量有所減少。在相同的隔墊物尺寸和壓力下，BPS組合材料的彈性形變量高于量產PS材料，這說明BPS材料比目前量產的PS材料具有更大的工藝范圍。另外，隨著壓力的增加，BPS和量產PS材料的彈性回復率均在95%以上。根據以上數據可以推測，色阻堆疊形成隔墊物的整體彈性回復性質優于目前量產的PS結構。

圖6 材料、尺寸對隔墊物形變的影響。Fig.6 Relationship between load stresses and total deformation of BPS and normal PS at different dimension

4 應 用

基于上述實驗結果，我們將色阻堆疊形成液晶屏間隙支撐隔墊物的技術應用于812 mm(28 in) HD (1 366×768)的液晶顯示產品(圖7)，參數如表2所示。這種技術可以減少一道掩膜工藝，有利于降低生產成本，更適合用于高世代大尺寸的面板產品，尤其是曲面或柔性液晶顯示面板。這里需要特別指出，本文提到的技術目前僅適用于邊框較寬的產品。這主要是由于BPS材料膜層較傳統的BM材料膜層厚，在框膠區域會造成整體膜層厚度增加。這種由于框膠區過高引起的盒厚不均會在逐漸向顯示區過渡的過程中達到平衡。但是對于窄邊框產品，液晶盒厚過渡不完全，盒厚不均導致的泛白現象會出現在顯示區邊界。對于這一技術在窄邊框顯示領域的應用成果，我們會在后續的工作中進行報道。

圖7 812 mm(28 in)色阻堆疊形成隔墊物顯示屏Fig.7 812 mm(28 in) display demo with color filter stacking as photo spacer technology

表2 顯示屏參數Tab.2 Information of the display

5 結 論

本文研究了在液晶顯示屏中，采用色阻堆疊的方式形成間隙支撐隔墊物的技術。研究表明，控制襯墊色阻的尺寸及平坦化層膜厚可以較大范圍內(0.5 μm以上)調節主/輔隔墊物的高度及它們之間的段差。采用具有流平性質的平坦化膜層可將色阻堆疊形成的原生段差從1.65 μm減至0.87 μm，再經過BPS的流平作用，從而使主-輔隔墊物的段差達到理想值0.5 μm左右。另外，該組合結構材料的受壓形變性質較目前量產的PS材料更優。色阻堆疊形成液晶屏間隙支撐隔墊物的技術不僅能夠省節約光罩數量，還有利于簡化面板結構、縮短制程工藝，可以有效控制成本和提高生產效率，特別適用于高世代大尺寸面板的生產制造。將隔墊物及黑色矩陣共同做在陣列基板上，有利于減少上下基板偏移時導致的盒厚不均或漏光，更有利于在曲面或柔性顯示方面的應用。