基于彩色濾光片柱狀隔墊物高度的液晶滴下工藝

熊 奇， 許志軍， 楊宗順， 樊明雷， 張志聰， 胡宏波， 楊德波， 秦祖江， 熊 永

(重慶京東方光電科技有限公司 重慶 400714)

1 引 言

近年來隨著TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，提質(zhì)增效，精益管理，突破創(chuàng)新是各大液晶面板廠商近期追求的目標(biāo)。液晶滴下工藝作為TFT LCD的關(guān)鍵技術(shù)，也得到不斷發(fā)展[1-4]。在實(shí)際生產(chǎn)中由于產(chǎn)品的LC Margin(不發(fā)生低溫氣泡和高溫重力Mura的液晶量范圍)小，工藝波動(dòng)很容易出現(xiàn)一些不良，如高溫重力Mura、低溫氣泡等，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)[5-7]。一旦出現(xiàn)這些不良，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間挑選不良產(chǎn)品，影響出貨節(jié)奏和出貨品質(zhì)，若不良產(chǎn)品發(fā)生在客戶端，會(huì)給公司的品牌形象產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。

為解決LC Margin窄(一般≤3%)的問題，通常會(huì)變更產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，增加主柱狀隔墊物與輔助柱狀隔墊物的高度差，拓寬LC Margin，如半透掩膜版、多重透過率掩膜版技術(shù)的開發(fā)等，但是掩膜版采購成本高，驗(yàn)證導(dǎo)入周期時(shí)間長。因此在現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行液晶滴下工藝的優(yōu)化，拓寬LC Margin，顯得特別重要。目前液晶滴下主要有3種方式：固定一種液晶量進(jìn)行生產(chǎn)；在玻璃基板上分不同區(qū)域進(jìn)行液晶量的滴下；根據(jù)摩擦配向后每張玻璃基板的柱狀隔墊物(Photo Spacer，PS)高度進(jìn)行液晶聯(lián)動(dòng)的方式滴下。本文在以上3種方式的基礎(chǔ)上探討了根據(jù)整批次每個(gè)液晶面板在彩膜工廠的柱狀隔墊物高度進(jìn)行液晶滴下的方法，簡(jiǎn)稱整批次液晶面板聯(lián)動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)中能夠有效避免低溫氣泡和高溫重力Mura的發(fā)生，為LC Margin窄的產(chǎn)品提供了一種新的解決辦法。

2 液晶滴下方式對(duì)比

液晶注入由最開始的真空灌注技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的One Drop Filling(ODF)工藝，生產(chǎn)效率得到大幅提高。目前液晶滴下方式主要分為3種：

(1)整張玻璃基板固定一種液晶量進(jìn)行滴下。根據(jù)產(chǎn)品的LC Margin范圍，選取滿足光學(xué)及其他信賴性的液晶量進(jìn)行生產(chǎn)，一般選取中心液晶量。目前這種方式在量產(chǎn)中被廣泛采用。

(2)分區(qū)域滴下。實(shí)際生產(chǎn)中，由于曝光機(jī)設(shè)備左右兩側(cè)機(jī)臺(tái)存在差異，導(dǎo)致產(chǎn)出的玻璃基板左右兩邊柱狀隔墊物高度不同，根據(jù)不同柱狀隔墊物高度的LC Margin，分不同區(qū)域進(jìn)行液晶量滴下，簡(jiǎn)稱分區(qū)域液晶量滴下。

(3)PS-LC聯(lián)動(dòng)。具體方法是根據(jù)摩擦配向后的柱狀隔墊物高度與液晶滴下量，擬合出二者的線性關(guān)系。生產(chǎn)時(shí)需測(cè)試每張玻璃基板每個(gè)液晶面板或每個(gè)小區(qū)域(用區(qū)域內(nèi)液晶面板的柱狀隔墊物高度進(jìn)行代替)的柱狀隔墊物高度，根據(jù)聯(lián)動(dòng)公式計(jì)算出相應(yīng)液晶面板或相應(yīng)區(qū)域的液晶滴下量，簡(jiǎn)稱PS-LC聯(lián)動(dòng)。目前這種方式主要應(yīng)用在小尺寸產(chǎn)品上。

本文在以上3種液晶滴下方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)情況，提出了以整批次每個(gè)液晶面板在彩膜工廠的柱狀隔墊物高度進(jìn)行液晶滴下的方法。具體來說，根據(jù)彩膜工廠的柱狀隔墊物高度與液晶滴下量，擬合出線性公式，由整批次每個(gè)液晶面板柱狀隔墊物高度均值代入公式，計(jì)算液晶滴下量。這種方法相對(duì)于傳統(tǒng)的PS-LC聯(lián)動(dòng)，是以彩膜工廠的柱狀隔墊物高度來代替摩擦配向后的柱狀隔墊物高度，且不用測(cè)試每張玻璃基板柱狀隔墊物高度，也不需要進(jìn)行設(shè)備投資及軟體改造。通過這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)高低溫測(cè)試，結(jié)果表明無重力Mura及低溫氣泡發(fā)生，大幅拓寬了3%的工程管控范圍，提升了工藝制程能力。4種液晶滴下方式對(duì)比情況如表1所示。

表1 液晶滴下方式對(duì)比Tab.1 Comparison of LC drop method

3 數(shù)據(jù)分析

通常行業(yè)內(nèi)用摩擦配向后的柱狀隔墊物高度代入聯(lián)動(dòng)公式計(jì)算需要滴下的液晶量。這種方式需要測(cè)試每張玻璃基板的柱狀隔墊物高度，嚴(yán)重影響產(chǎn)能。若以整批次柱狀隔墊物高度作為參考，測(cè)試完成后還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以確定相應(yīng)液晶面板的液晶量后再進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)，整個(gè)過程占用大量時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致液晶成盒工序無法正常投入。在權(quán)衡產(chǎn)能與品質(zhì)后，我們提出了采用彩膜工廠的柱狀隔墊物高度作為參考的方法，產(chǎn)出后正常投入聚酰亞胺(Polyimide，PI )涂覆及摩擦工序，不會(huì)占用生產(chǎn)時(shí)間。通過整批次柱狀隔墊物高度均值計(jì)算每個(gè)液晶面板液晶滴下量，探討進(jìn)行整批次液晶面板聯(lián)動(dòng)可行性。

3.1 彩膜工廠測(cè)試的柱狀隔墊物高度與摩擦配向后高度分析

在液晶面板生產(chǎn)過程中，玻璃基板在彩膜工廠產(chǎn)出后會(huì)經(jīng)過聚酰亞胺涂覆、聚酰亞胺加熱固化、摩擦配向、液晶成盒等工序。為分析彩膜工廠產(chǎn)出的柱狀隔墊物高度與摩擦配向后柱狀隔墊物高度差異，我們選取5張玻璃基板，分別對(duì)彩膜基板產(chǎn)出、聚酰亞胺涂覆前、聚酰亞胺涂覆后、摩擦配向后柱狀隔墊物高度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 各工序完成后測(cè)試的柱狀隔墊物高度對(duì)比Tab.2 Comparison of PS height after the completion of each process

從表2中可以看出，彩膜工廠產(chǎn)出的柱狀隔墊物高度與聚酰亞胺涂覆前(未進(jìn)行聚酰亞胺涂覆和摩擦配向工序)的柱狀隔墊物高度差異不大，差值在0.005 μm以內(nèi)(測(cè)試設(shè)備機(jī)差管控Spec<0.01 μm)，表明彩膜工廠柱狀隔墊物高度測(cè)試設(shè)備與摩擦配向后測(cè)試設(shè)備無差異；經(jīng)過聚酰亞胺涂覆后柱狀隔墊物高度下降了約0.135 μm，而摩擦配向前后柱狀隔墊物高度差值在0.005 μm以內(nèi)，幾乎無變化。因此聚酰亞胺涂覆工序是柱狀隔墊物高度降低主要原因，摩擦配向工序?qū)χ鶢罡魤|物高度無影響。

3.2 聚酰亞胺涂覆工序柱狀隔墊物高度降低原因

為進(jìn)一步研究聚酰亞胺涂覆工序柱狀隔墊物高度降低原因，對(duì)比了聚酰亞胺涂覆前及未進(jìn)行聚酰亞胺涂覆但進(jìn)行加熱固化工序(Skip PI)的柱狀隔墊物高度，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可以看出，僅僅是經(jīng)過加熱固化工序(玻璃基板上無聚酰亞胺覆蓋)，柱狀隔墊物高度就降低了約0.06 μm左右。表明加熱后柱狀隔墊物體積收縮，高度降低。

表3 PI工序?qū)χ鶢罡魤|物高度的影響Tab.3 Influence of PI process on PS height

圖1 柱狀隔墊物頂部形貌Fig.1 Top of PS

圖2 柱狀隔墊物高度測(cè)量示意圖Fig.2 Measurement schematic diagram of PS height

進(jìn)一步對(duì)柱狀隔墊物頂部的聚酰亞胺涂覆進(jìn)行分析，如圖1所示。發(fā)現(xiàn)從柱狀隔墊物底部到頂部，聚酰亞胺越來越少，頂部的聚酰亞胺膜很薄(0.01 μm以內(nèi))。而柱狀隔墊物高度是通過頂部距離色阻基準(zhǔn)面的差值計(jì)算而來。色阻上有較厚聚酰亞胺膜覆蓋，但頂部幾乎無聚酰亞胺，則測(cè)試會(huì)有高度差，如圖2所示。因此經(jīng)過聚酰亞胺涂覆工序后，柱狀隔墊物高度降低的主要原因是聚酰亞胺涂覆后色阻基準(zhǔn)面升高及固化加熱的影響。一般在生產(chǎn)中，聚酰亞胺膜厚度及加熱固化溫度和時(shí)間基本不會(huì)調(diào)整，工藝穩(wěn)定，因此柱狀隔墊物高度的變化是穩(wěn)定的，使用彩膜工廠的柱狀隔墊物高度代替摩擦配向后的柱狀隔墊物高度具有技術(shù)上的可行性。

4 實(shí)施措施

根據(jù)上文分析可知，彩膜工廠的柱狀隔墊物高度與摩擦配向后的柱狀隔墊物高度差值基本為固定值。類似根據(jù)摩擦配向后的柱狀隔墊物高度進(jìn)行液晶滴下量方法，我們以彩膜工廠的柱狀隔墊物高度進(jìn)行液晶量滴下公式的模擬。

4.1 各批次彩膜工廠的柱狀隔墊物高度穩(wěn)定性

為降低柱狀隔墊物高度波動(dòng)的影響，需要選取穩(wěn)定的線體進(jìn)行生產(chǎn)。以產(chǎn)品A為例，隨機(jī)對(duì)某批次40張玻璃基板柱狀隔墊物高度進(jìn)行確認(rèn)，監(jiān)控其批次內(nèi)變化。具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 柱狀隔墊物高度波動(dòng)Fig.3 Fluctuation of PS height

從圖3可知，同一批次內(nèi)柱狀隔墊物高度最大值、最小值、平均值變化不大(左側(cè)坐標(biāo)軸)。批次內(nèi)每張玻璃基板上柱狀隔墊物高度的制程能力指數(shù)Cpk≥1.33(Complex Process Capability index，Cpk)，工藝制程能力相對(duì)比較穩(wěn)定。

4.2 聯(lián)動(dòng)公式建立

圖4 柱狀隔墊物高度與液晶滴下量的關(guān)系Fig.4 PS-LC link formula

以產(chǎn)品A為例，隨機(jī)選取9張彩膜工廠產(chǎn)出的玻璃基板，每張玻璃基板每個(gè)液晶面板均進(jìn)行柱狀隔墊物高度測(cè)試，按照±6%、±4.5%、±3%、±1.5%、0%(相對(duì)中心液晶量的質(zhì)量百分比，0%為中心液晶量)進(jìn)行液晶量的滴下，產(chǎn)出后對(duì)所有液晶面板進(jìn)行高低溫測(cè)試，選出既沒有重力Mura也沒有低溫氣泡的液晶量范圍，即得到LC Margin。然后依據(jù)LC Margin評(píng)價(jià)結(jié)果及中心液晶量的柱狀隔墊物壓縮率，模擬出柱狀隔墊物高度與液晶量之間的線性關(guān)系，即聯(lián)動(dòng)公式：y=54.209x+63.062(y為整個(gè)液晶面板內(nèi)液晶滴下量，x為彩膜工廠產(chǎn)出后的柱狀隔墊物高度)，如圖4所示。

由于產(chǎn)品LC Margin較小，為防止生產(chǎn)過程中單個(gè)液晶面板柱狀隔墊物高度測(cè)試出現(xiàn)異常，液晶滴下量的上下限需保留一定的液晶Margin，對(duì)公式進(jìn)行合理的優(yōu)化，具體如表4所示。

表4 液晶滴下公式優(yōu)化Tab.4 Optimization of LC drop formula

4.3 聯(lián)動(dòng)流程圖

以產(chǎn)品A為例，在生產(chǎn)過程中，整張玻璃基板上每個(gè)液晶面板均進(jìn)行柱狀隔墊物高度測(cè)試，通過計(jì)算得到整批次玻璃基板每個(gè)液晶面板柱狀隔墊物高度均值，代入聯(lián)動(dòng)公式計(jì)算得到所滴下的液晶量，具體聯(lián)動(dòng)流程如圖5所示(n=1,2,3……)。

圖5 整批次液晶面板聯(lián)動(dòng)流程圖Fig.5 Flow chart of whole batch single panel PS-LC link

5 結(jié)果與討論

5.1 柱狀隔墊物高度壓縮率對(duì)比

在陣列基板和彩膜基板完成對(duì)盒工藝后，柱狀隔墊物在液晶盒內(nèi)是被壓縮的，一般來說，液晶量越多，盒內(nèi)體積越大，柱狀隔墊物高度的形變量越小，壓縮率越小，發(fā)生重力Mura的風(fēng)險(xiǎn)越大。反之，液晶量越少，柱狀隔墊物高度的形變量越大，壓縮率也越大，發(fā)生低溫氣泡的風(fēng)險(xiǎn)也越大。在生產(chǎn)過程中，由于受到陣列基板膜層厚度、柱狀隔墊物高度及成盒時(shí)液晶滴下量波動(dòng)等影響，玻璃基板上每個(gè)液晶面板的柱狀隔墊物高度壓縮率也會(huì)不同。在合理的柱狀隔墊物高度壓縮率范圍內(nèi)，整張玻璃基板每個(gè)液晶面板柱狀隔墊物高度的壓縮率變化越小，均一性越好，說明工藝制程越穩(wěn)定，發(fā)生不良風(fēng)險(xiǎn)性越小。對(duì)比整張玻璃基板固定液晶量滴下和整批次液晶面板聯(lián)動(dòng)的柱狀隔墊物高度壓縮率，如表5所示，壓縮率的波動(dòng)從4.96%降低至2.26%，σ也從0.010 4降低到0.006 6，因此液晶面板聯(lián)動(dòng)發(fā)生低溫氣泡和重力Mura的風(fēng)險(xiǎn)也大幅降低。

表5 液晶面板聯(lián)動(dòng)及固定液晶量滴下柱狀隔墊物高度壓縮率對(duì)比

Tab.5 Comparison of PS deformation between fixed LC drop and single panel LC drop

壓縮率Max/%Min/%Ave./%Range/%σ固定液晶量19.2014.2416.104.960.010 4液晶面板聯(lián)動(dòng)16.0813.8114.842.260.006 6

5.2 高低溫發(fā)生結(jié)果

對(duì)比固定液晶量滴下和整批次液晶面板聯(lián)動(dòng)兩種方法的低溫氣泡和重力Mura發(fā)生率，如表6所示。由表中可知通過整批次液晶面板聯(lián)動(dòng)，改善低溫氣泡效果明顯，不良發(fā)生率從2.98%降低至0%，有效提升了產(chǎn)品品質(zhì)。

表6 不同液晶滴下方式不良發(fā)生率Tab.6 Defect ratio of different methods of LC drop

6 結(jié) 論

通過對(duì)比不同液晶滴下工藝，分析彩膜工廠柱狀隔墊物與摩擦配向后柱狀隔墊物高度變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過聚酰亞胺涂覆和摩擦配向工序后柱狀隔墊物的高度降低是穩(wěn)定的。在生產(chǎn)中以彩膜工廠柱狀隔墊物高度評(píng)價(jià)出LC Margin，得到聯(lián)動(dòng)公式，然后代入整批次每個(gè)液晶面板柱狀隔墊物高度均值，得到相應(yīng)的液晶滴下量進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過高低溫測(cè)試，無高溫重力Mura及低溫氣泡發(fā)生，大大拓寬了3%的工程管控范圍，提升了工藝制程能力。相對(duì)傳統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)方式，不需要進(jìn)行大規(guī)模投資，為LC Margin窄的產(chǎn)品提供了一種新的解決思路。