ITO區黑化法修復亮點理論模型及工藝參數分析

吳國東， 喬律華， 韓海濱， 王 彬， 張少芬， 聶竹華， 蔡云牧， 王賀衛

(合肥京東方顯示技術有限公司，安徽 合肥 230012)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,TFT-LCD)在生產制造過程中，不良種類和現象頻繁發生。其中，像素亮點缺陷在行業內的發生率約為0.5%，其對顯示品質的影響已經成為行業內的共識[1]，如何針對微米級亮點缺陷進行便捷且高效的修復，減少修復帶來的負面影響，是本領域技術人員研發的方向之一。

當前，針對成盒后液晶顯示面板像素亮點不良的修復方法主要有焊接法、彩膜碳化法和黑色矩陣擴散法，其目的均為將像素亮點修復成暗點[2-4]。

然而，傳統的激光焊接法因會產生低亮點和進行性不良而逐步被淘汰。彩膜碳化法由于激光灼燒后的紅色、綠色和藍色子像素灰度值很難達到暗點判定標準而未得到廣泛應用。黑色矩陣擴散法在像素亮點修復領域應用廣泛，無潛在進行性不良，修復后灰度高，遮蓋效果良好，國內外已有相關的專利和研究論文，但是隨著面板尺寸不斷增大和黑色矩陣的比重逐步降低，其修復成功率也隨之下降。

另一方面，隨著對脈沖激光的深入研究和在微加工領域的廣泛應用，其效率高、速度快、精度好等優勢的非接觸式加工模式得到了行業內的高度認可，并在工業[5-6]、農業[7]、醫學[8-9]等領域展現了巨大的潛力。

其中，飛秒激光以其極高的峰值、較小的損傷閾值、高的聚焦力等特性逐步成為21世紀的研究熱點之一[10]。相關研究[11-12]成功實現了在厚度為2 mm的不銹鋼樣件上加工直徑330 μm的微孔，其超窄的脈沖寬度，使其在與材料相互作用時能夠有效地降低激光作用點附近的熱效應。

截至目前，液晶顯示面板行業暫無利用飛秒激光修復亮點的量產實績，同時沒有公開的系統性研究論文和報道。本文研究工作首先成功地利用飛秒激光建立并通過實驗驗證了ITO區黑化法修復亮點的理論模型，其次對影響各個工藝參數進行詳細、全面地分析，提出了囊括所有工藝參數的變量，最后以此變量為亮點不良修復成功率的提升提供了一定的理論依據。本研究為該方法后續的深入分析奠定基礎，同時為飛秒激光在液晶面板相關領域的推廣應用提供一定的理論依據。

2 ITO區黑化法修復模型

2.1 修復方法

飛秒激光器加工的相關研究均表明了加工過程所存在的燒蝕機制[10]。本文ITO區黑化修復法的基本理論模型為：利用特定工藝參數的飛秒激光從陣列基板的一側，如圖1(a)所示，對子像素單元的公共電極、無機絕緣層、像素電極、配向膜層進行灼燒，如圖1(b)所示。最終使陣列基板正對亮點子像素部分的ITO濾光區灰度值達到暗點標準，達到遮光目的，修復前后的效果分別如圖2(a)、(b)所示。

圖1 子像素的修復模型示意圖。(a)平面圖；(b)顯示區剖面圖。

圖2 子像素的顯示區域。(a)修復前；(b)修復后。

實驗樣品為某款165.1 cm (65 in)ADS顯示模式的液晶顯示屏。其中，公共電極、像素電極分別為第一層ITO、第二層ITO，是一種N型半導體材料(n(In2O3)∶n(SnO2)=9∶1)。絕緣硅層[13](SiNx)介于公共電極和像素電極之間。像素電極上層涂布形成的配向膜[14]為有機高分子聚合物(聚酰亞胺)。

2.2 修復設備簡介

飛秒激光灼燒法所使用的設備[15]主要由激光器及激光聚焦光路組成的光學系統，顯示平板承載基臺、控制激光聚焦光路系統移動的機械系統和修復效果軟件檢測單元組成的檢測系統組成，如圖3。

飛秒激光器為脈沖型激光器，工作時以固定頻率的單個脈沖進行鐳射。首先，激光器按設定頻率進入光路系統，然后經軸向尺寸被加工至所需求的光斑大小，聚焦后到達加工端，最后在控制系統下使得激光束按照特定參數對亮點不良進行精確修復。

圖3 修復設備結構示意圖

2.3 修復效果檢測

在修復完成后，設備檢測單元對修復效果進行第一次檢測，檢測標準為：(1)像素ITO顯示區的光線遮擋率≥95.0%。其次，點燈器件會對修復效果進行第二次檢測，檢測標準為：(2)修復后ITO區的點燈灰度值達到暗點標準，且未產生其他不良。

3 工藝影響因素分析

3.1 激光器及設備因素

半導體材料在一定脈沖寬度的飛秒激光作用下，當激光能量密度高于某個定值就會發生燒蝕[10]。本實驗中，與飛秒激光相關的工藝參數包括：激光單脈沖能量E、激光頻率f、脈寬t、激光焦距L，掃描速度v、加工端光斑邊長a×b等，列于表1中。

以上參數中，脈寬為固定參數，由激光器自身工作物質、構造決定，焦距也為設備固定參數。

單個脈沖激光能量、激光頻率、掃描速度、加工端光斑大小等4個變量均存在影響激光能量密度的可能性[16-18]。

表1 飛秒激光相關的工藝參數

3.2 常見的修復失敗模式

常見的失敗模式主要有兩種，第一種為黑化后像素顯示區的光線遮擋率低于95.0%，第二種為在點燈條件產生其他不良，如圖4、圖5所示。

圖4 第一種修復失敗模式

第一種失敗模式是由于加工端激光功率密度較低，未能將ITO區燒蝕后完全黑化。

第二種失敗模式是由于激光能量密度過大，導致激光透過液晶作用于彩膜側的能量過大，見圖5(a)，使其中色阻材質中的過渡金屬離子(鐵、銅等)發生化學反應后浸出，進而影響點燈時周邊顯示效果(如周邊發黑等)，如圖5(b)所示。

圖5 第二種修復失敗模式的子像素顯示區(a)和點燈現象(b)

4 實 驗

為驗證本文建立的修復模型，制作某型號產品在修復成功前、后的樣品，分析顯微鏡、點燈畫面下的圖片和現象，同時進行聚焦離子束(FIB)圖片表征。

另一方面，為驗證常見的兩種修復失敗模式，對修復失敗的樣品進行FIB圖片分析。

為分析激光及設備工藝參數對黑化效果和修復成功率的影響，我們通過分別對與其相關的單脈沖激光單位面積的能量、激光頻率、掃描速度、加工端光斑邊長等4個變量進行控制變量分析實驗。

實驗中，單脈沖激光能量E無法直接設定或測量，本文利用加工端激光能量測量儀(Power Meter)可測得加工端時的總功率P0進行后續工藝參數換算，如圖6所示。

圖6 激光能量測量儀

5 結果與討論

5.1 修復模型驗證

圖7(a)、(b)分別為修復前后ITO區的FIB圖片。圖7(a)各斷面位置按從上到下的順序分別為配向膜層，厚度為65 nm；第二層ITO，厚度均為40 nm；絕緣硅層，厚度為600 nm；第一層ITO，厚度為40 nm。各斷面層緊貼在一起。綜上，ITO區總厚度為0.745 μm，實際測量值和標準一致。圖7(b)為修復后的ITO區的FIB圖片，可看出，燒蝕后各斷面的層次性已經消失，并凝結為塊狀，測出ITO區域總厚度約為0.73 μm，與修復前幾乎相同。

圖7 修復前(a)和修復后(b)子像素ITO區域的FIB圖

圖8 修復前(a)和修復后(b)子像素ITO區域的SEM圖

圖8(a)、(b)分別為修復前后ITO區的SEM圖片，對比圖1(a)和圖8(a)，在單獨背光檢測條件下，燒蝕后ITO表面出現黑化的現象，這表明ITO區被飛秒激光燒蝕后黑化，達到遮光的目的。

圖9(a)、(b)分別為子像素修復前、后的彩膜側基板側的FIB圖片，各斷面位置按從上到下的順序分別為配向膜層、OC保護層、彩膜色阻層和玻璃基板。由圖片可知，修復前后各斷面均未發生變化，同時未產生熱裂紋，表明其未受燒蝕影響。

圖9 修復前(a)和修復后(b)子像素彩膜基板側顯示區域的FIB圖

值得注意的是，為排除配向膜聚酰亞胺中碳元素對驗證修復模型的影響，選擇一組未進行配向膜工序的陣列基板開展ITO區激光燒蝕實驗，實驗結果表明，ITO區仍被燒蝕并凝結為黑色塊狀化合物。

結合相關ITO靶材黑化物的研究[19]，當ITO區主要成分In2O3、SnO2被部分還原并轉變成黑色亞氧態InO、SnO時，ITO表面會呈現黑色。

綜上，本文所建立的修復模型為陣列基板中第一層ITO、第二層ITO和絕緣硅層在激光燒蝕后凝結為黑色混合物，同時配向膜被碳化，最終使得陣列基板ITO區被黑化并形成暗點的目的。

5.2 修復失敗模式驗證

為驗證前文所述的兩種常見失敗模式，對修復失敗的樣品進行FIB圖片分析。

第一種失敗模式為ITO區燒蝕后未黑化完全，導致像素顯示區的光線遮擋率低于95.0%。其FIB圖片如圖(10)所示。由圖可知，修復后的ITO區僅第一層ITO和部分絕緣硅層被激光燒蝕凝結，部分區域的層次性依然存在，這表明激光能量未能使子像素的ITO區完全凝結并黑化，導致黑化效果較差。

圖10 修復后子像素ITO區域的FIB圖片

第二種修復模式為激光透過液晶作用于彩膜側的能量過大，使其中色阻材質中的過渡金屬離子發生化學反應后浸出，影響周邊顯示效果。其FIB圖片如圖(11)所示。對比圖9(a)可知，彩膜基板中配向膜和保護層均被透過液晶的高能量激光碳化，同時彩膜層上方凹凸不齊，這表明激光已經作用于彩膜層。這就是第二種修復失敗模式。

圖11 修復后子像素彩膜基板側顯示區域的FIB圖片

5.3 激光器及設備因素影響

當飛秒激光以單脈沖能量E0，激光頻率f0，掃描速度v0，加工光斑大小a×b加工時，測得加工端時的總功率P0，計算單位面積上接受到的激光總能量w如下。

首先，單個激光脈沖到達工作面后的能量為

(1)

那么，單個激光脈沖到達工作面后對單位面積上施加的能量e:

(2)

其次，以速度v0進行掃描時，相鄰兩個光斑的距離d為

(3)

再次，激光對單個加工光斑尺寸面積上施加了n次脈沖:

(4)

最后得到w:

.

(5)

相關研究[17]對e計算時，默認是在最大光斑面積下的單脈沖能量：

.

(6)

本實驗中，為探究光斑大小(a×b)下e的均勻性，設置f= 125 kHz，a=b，固定衰減器ATT，在不同光斑a∈(1 μm，30 μm)條件下得到實時測量的P值，最后根據公式(1)計算e，實驗結果見表2和圖12。

表2 激光總功率P、單脈沖激光單位面積能量e分別和加工光斑大小a的關系

圖12 激光總功率P、單脈沖激光單位面積能量e分別與加工光斑大小a的關系。

結果表明，隨著加工光斑持續增大，激光總功率P也逐漸增大，但是單脈沖激光單位面積能量e呈曲線對應關系，這表明在聚焦系統下不同光斑下的能量密度e均勻性較差，不適用于公式(6)。值得注意的是，在a∈(4.0，10.0) μm時，能量密度e分布均勻性較好，為(2.7±0.1) mJ/mm2。

實驗中，由于E無法直接設定和測量，我們根據公式(1)、(2)將單脈沖能量E通過衰減器調節P轉換為e進行換算。

首先，通過4輪實驗，每輪實驗只改變1個參數，另外3個參數固定，每輪8～10組，對每組參數進行5次燒蝕測試，然后利用圖像檢測軟件對5次黑化效果進行檢測，得出每張照片光線遮擋率的值，最后算得平均值。同時，為避免光斑長邊過長或短邊過短對光斑內能量密度e分布均勻性的影響，設置a=b∈(4.0，10.0)μm。綜上，可分別探究e、f、v、a四個參數對黑化效果影響，并根據公式計算e、w，實驗條件見表3。

表3 第1～4輪實驗條件以實驗結果

續 表

圖13 遮光率與單脈沖激光單位面積能量的關系

圖14 遮光率與激光頻率的關系

圖15 遮光率與光斑大小的關系

圖16 遮光率與掃描速度的關系

第1 ～ 4輪結果如圖13～16所示，4個參數在燒蝕中均存在一個最優區間，即在滿足遮光效果的前提下未產生其他不良，在固定其他參數時，其最優區間分別為e∈(1.9，4.6) mJ/mm2，f∈(180，455) kHz，v∈(100，150) μm/s和a∈(5.00，10.0) μm。

此外，結合公式(5)和第1～4輪實驗結果發現，w在4輪實驗中的最優區間存在一個交集，這表明黑化效果可能與w存在某種關系。

為研究該推測，開展下列實驗。將w設定為交集區間內、外的某些定值，然后采用不同的e、f、v、a組合，其中a=b∈(4.0，10.0) μm，以驗證相同w值條件下，黑化效果的一致性，如表4所示。

需要說明的是，當e低于1.0 mJ/mm2時，調節其他參數時，黑化效果都相對較差[10，17]。這可能是由于低能量脈沖激光的簡單疊加不能滿足于ITO區半導體瞬間燒蝕機制的需求[20]?；诖?，下列實驗中，e都設置在1.0 mJ/mm2以上。

表4 第5～10輪實驗條件以及實驗結果

續 表

圖17 遮光率與w之間的關系

從第5～8輪實驗可以看出，在固定w值的條件下，除去測量誤差及設備狀態穩定性對實驗的影響，表征黑化效果的遮光率值波動較小。這樣，w數值大小能夠與黑化效果相對應，可以表征黑化效果。

對圖17中數據進行簡單擬合，得出w值與遮光率y的關系大致如下：

y=2×10-12w3-6×10-8w2+5×10-4w-0.47

.

(7)

當w≤3 000時，黑化效果未達暗點標準；當4 250≤w≤12 500時，黑化效果達到暗點標準，此時遮光率均大于95%，且未產生其他不良；當w≥14 000時，遮光率雖然都大于95%，但會產生其他不良。即對于某款165.1 cm(65 in)的ADS顯示模式的產品，當4 250≤w≤12 500時，飛秒激光可以很好地實現ITO區黑化。

值得注意的是，在w≤2 000時，ITO區黑化效果幾乎忽略不計，遮光率<3.0%。對于飛秒激光ITO區黑化燒蝕機制和工藝參數深層次影響的原理分析，目前實驗條件下還無法進行探究?，F階段本研究工作的意義在于，通過文中建立的理論模型，結合工藝參數的擬合分析，得到w與黑化后遮光率的關系，為量產中飛秒激光的工藝參數設置和優化提供參考。

6 結 論

本文基于飛秒激光燒蝕機制開展了ITO區黑化法修復亮點理論模型和工藝參數的相關研究，結合實驗結果，得出以下結論：

(1)成功建立并通過實驗驗證了ITO區黑化法修復理論模型在液晶顯示面板修復亮點領域的可行性，滿足量產信賴性。

(2)飛秒激光工藝參數中，單脈沖激光單位面積能量e、激光頻率f、掃描速度v和加工端光斑大小a等4個參數都會影響黑化效果，本文提出的整合型w值能很好地對應飛秒激光燒蝕后的黑化效果，在實際量產中可以指導工藝參數的設置。

(3)對于某款165.1 cm(65 in) ADS顯示模式的產品，當單脈沖激光單位面積上的能量e為1.0 mJ/mm2，a=b∈(4，10) μm，w∈(4 250，12 500)時，黑化后遮光率均大于95%且未產生其他不良，量產修復成功率高達95.5%。