高雪松 薛婕 蔣遷 王恒英 龐華山

摘 要：薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）由薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）和彩色濾光膜（Color Filter，CF）經(jīng)過對盒工藝（Cell）制作而成。兩類面板對盒過程中的相對偏移精度（Alighment Inspection，AI）是保障產品顯示品質的重要指標，而AI由兩類面板的曝光精度（Total Pitch，TP）共同決定。文章主要進行了CF TP與開機Mura不良的機理分析與改善研究。通過CF工藝制程對CF TP影響的深入分析和實驗驗證，設計得到了一種可定向補正的CF TP Design優(yōu)化方法，可有效實現(xiàn)開機Mura不良的定點改善，不良率由9.17%降至0.10%以下。相對于傳統(tǒng)補正方法，該方法具有定向性、快速性、準確性等優(yōu)點，可推廣運用于其他與CF TP對位精度有關的不良改善中。

關鍵詞：彩色濾光膜；曝光精度；定向補正

中圖分類號：TN873 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0012-04

Abstract： The thin film transistor liquid crystal display （TFT-LCD） is made of thin film transistor （TFT） and color filter film （CF） by cell technology. The alignment inspection （AI） of the two kinds of panels is an important index to ensure the display quality of the products， and AI is determined by the total pitch （TP） of the two kinds of panels. In this paper， the mechanism analysis and improvement of bad CF TP and Mura boot are studied. Through the deep analysis of the influence of CF process upon CF TP and the experimental verification， an optimization method of CF TP Design with directional correction is designed， which can effectively realize the bad fixed point improvement of starting Mura， and the failure rate is reduced from 9.17% to less than 0.10%. Compared with the traditional correction method， this method has the advantages of directivity， rapidity and accuracy， and can be popularized and applied to other bad improvements related to the alignment accuracy of CFTP.

Keywords： color filter film； exposure accuracy； directional correction

引言

近年來，隨著人們對于顯示設備越來越高的要求，薄膜晶體管液晶顯示器（簡稱TFT-LCD）憑借其小體積、低能耗、高分辨率等優(yōu)點已成為顯示市場主流[1]。為了增強企業(yè)市場競爭力和客戶滿意度，就需要提高產品品質，減少產品顯示不良。TFT-LCD常見的品質不良包括重力Mura、Touch Mura、開機Mura等[2-3]。Mura指TFT-LCD各種色斑類不良的總稱，即顯示出現(xiàn)灰度不均一的現(xiàn)象[4]。在Mura中，開機Mura指顯示器開機瞬間部分區(qū)域顯示異常的現(xiàn)象，嚴重影響客戶體驗，是急待解決的品質問題。TFT-LCD由薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）和彩色濾光膜（Color Filter，CF）經(jīng)過對盒（Cell）制作而成，對盒過程又包含PI、Rubbing、Assy等工藝[5]。其中，Rubbing工藝的主要作用是對面板表面的PI液進行摩擦以確定液晶取向，由于TFT面板表面存在電極Pattern，導致Rubbing過程電極的背面存在Rubbing弱區(qū)（簡稱Rubbing Shadow），這類弱區(qū)的PI液摩擦就會不充分進而影響后續(xù)的液晶取向和偏轉[6]。當此類液晶偏轉異常被暴露就會形成開機Mura不良，因此如何通過CF TP優(yōu)化，利用CF面板有效遮擋TFT側Rubbing Shadow是不良改善的關鍵。

CF TP是監(jiān)控曝光位置精度的重要參數(shù)，表示曝光實際位置與設計標準位置之差。監(jiān)控方法為，CF首道BM工藝制作時，在面板固定位置曝光形成方形Mark，然后測量該Mark實際中心位置與設計中心位置的坐標差異（包含X和Y兩個方向），差異數(shù)值即為BM TP。BM工藝曝光形成的Mark，經(jīng)過后續(xù)工藝烘烤，會有進一步收縮，此時測量的TP為產品的Final TP。當CF與TFT面板對盒，CF Final TP出現(xiàn)偏移時，可以通過BM TP補正加以調整。

本文依托8.5代工廠21.5 Inch產品開機Mura不良案例，通過對開機Mura不良實物分析、特性數(shù)據(jù)測量和不良機理模擬，確認了開機Mura不良高發(fā)與CF TP相關性；通過對CF BM TP～Final TP變化規(guī)律研究，設計得到一種新型TP定向平移補正的方法；通過Shot別定向量化補正，有效完成不良改善，并為其他TP相關不良提供了快速、準確的改善方向。

1 不良成因分析

1.1 現(xiàn)象描述

21.5 Inch產品L0點燈畫面下，Panel開機瞬間，左側出現(xiàn)貫穿豎條狀白色Mura，Mura隨點燈時間延長逐漸消失，不良現(xiàn)象如圖1所示；且不良在Glass上5列具有Mapping集中性，需重點調查5列Panel與其他列Panel的特性差異。

1.2 實驗測試

為確認開機Mura不良區(qū)域與正常區(qū)域的相關參數(shù)異常點，尋找改善方向，本實驗優(yōu)先對不良Panel進行了盒厚（Cell Gap）和液晶扭轉角（Twist Angle）測試，但Mura區(qū)與正常區(qū)特性未見明顯區(qū)別，表明該不良非對盒形成的Gap性不良。之后，利用顯微鏡對不良區(qū)域微觀現(xiàn)象進行觀察（圖1右側），發(fā)現(xiàn)不良區(qū)域的像素左側存在明顯漏光，而正常區(qū)域無此現(xiàn)象，確認此次開機Mura發(fā)白主要與像素漏光有關。因此深入研究TFT、CF兩側面板對位是否存在偏移導致像素漏光，對兩側面板的對位精度（AI）進行調查。測量時，以TFT為基準，測量了CF相對TFT的偏移程度，結果如圖2（a）所示。從中可以看出，CF面板5列Panel相對TFT X方向存在明顯內縮。進一步調查CF本身曝光精度，發(fā)現(xiàn)CF TP相對標準模板就存在內縮的現(xiàn)象（圖2（b）藍框區(qū)域）。對比不良高發(fā)5列Panel與非高發(fā)1列Panel的TP數(shù)值，發(fā)現(xiàn)5列Panel Final TP X方向存在多點超Spec的情況（表1），而1列Panel Final TP均Spec In，即表明不良區(qū)域的對位偏移為CF TP內縮導致，不良改善需從CF TP優(yōu)化入手。

1.3 不良機理

結合上述分析結果，對此次開機Mura不良的發(fā)生機理進行了研究。如圖3所示，CF和TFT面板在Cell對盒前均需經(jīng)過Rubbing工藝對面板表面的液晶配向膜（PI膜）進行摩擦處理，以保證后續(xù)液晶分子滴落面板表面后能按預期方向擴散排布。但是TFT側面板電極厚，且為金屬材質較硬，Rubbing輥軸在滾動過程中，會在滾動方向的電極背部形成Rubbing Shadow，此區(qū)域內PI膜表面摩擦處理力度不夠，導致此處液晶初始配向位置與正常區(qū)域不同，加電后液晶旋轉異常，從而形成不良。正常TFT和CF面板對位設計時，CF BM與TFT會設計一定的重疊Margin（A區(qū)域）用于遮擋TFT Rubbing Shadow，但當兩類面板對位出現(xiàn)偏移，CF BM由C'偏移至C位后，二者的重疊區(qū)域減少，相應地，會暴露出一些本應被遮住的Rubbing Shadow區(qū)（B區(qū)域），從而導致開機瞬間，B區(qū)域的液晶偏轉異常被發(fā)現(xiàn)，形成Mura類顯示不良。

2 CF TP改善與研究

2.1 工程間伸縮量對TP的影響研究

21.5 Inch產品的CF曝光由6個Shot拼接而成（如圖4），每個Shot的曝光精度決定該Shot包含Panel的TP精度。且BM工藝曝光形成的TP Mark經(jīng)過后續(xù)工藝的Oven熱處理會進一步向Glass中心收縮，即CF完成品的Final TP除去 BM本身曝光精度的影響，還受到BM～PS工程間伸縮量的影響。因此在后續(xù)的研究中，主要以Shot為單位分別從這兩個方面進行了研究。如圖4所示，此次開機Mura不良高發(fā)的5列Panel由Shot 3和Shot 4曝光形成，因此我們首先對比了Shot3和Shot 4相對其他Shot的工程間收縮量差異，工程間收縮量計算公式如下：

工程間伸縮量表征經(jīng)過多道工藝后，F(xiàn)inal TP相對BM TP的收縮程度，單位為μm/100mm。表2為計算得到的各Shot工程間伸縮量的實際值和理論值，從中可以看出，每個Shot的實際伸縮量都較理論伸縮量大，表明21.5 Inch產品的Final TP較BM TP向面板中心收縮，且X方向相對Y方向收縮更明顯，與不良與TP對應關系相符。但Shot 3和Shot 4與其他Shot的工程間收縮量無明顯差異，表明5列Panel的TP內縮與BM～PS工藝間的工程收縮無關，應與BM TP本身偏小有關，開機Mura不良的改善應從BM TP調整入手。

2.2 整體擴大法BM TP改善研究

BM TP常見調整方法包括曝光Mask變更、BM TP Offset補正、BM TP設計值變更三種。其中，Mask變更存在約40萬人民幣的財務投入，且Mask制作周期長；BM TP Offset補正適用于略微偏離目標值的情況，不適用于本不良的改善。綜合考慮投資成本、改善周期和效果，本文主要通過BM TP設計值變更來改善Final TP，該方法無財務投資且改善周期短。

目前TFT-LCD的BM TP設計值變更常用整體擴大法，旨在通過Final TP與BM TP收縮量差異的補償，刻意放大BM TP模板從而改善Final TP內縮的情況。因此本文優(yōu)先采用整體擴大法對21.5 Inch產品的TP進行改善驗證，結果如表3所示。從中可以看出，按整體擴大法改善的TP并沒有達到預期效果，5列Panel Final TP仍存在多點Spec Out的情況。探究原因，發(fā)現(xiàn)整體擴大法雖然將BM TP的設計值予以放大，但因曝光使用的Mask并未改變，曝光出來的Pattern大小其實并不會如預想般放大，反而還會加劇BM TP實測值與設計值的差異，影響B(tài)M TP過程能力指數(shù)。此外，整體放大法對Final TP的改善效果具有隨機性，當BM實際Mapping無法與設計模板匹配的時候，使BM Offset值補正失真，導致BM TP補正位置隨機，進而影響Final TP Mapping。且整體擴大法無Shot別差異，有可能導致5列Panel的TP朝不良惡化的方向補正。

2.3 局部平移法BM TP改善研究

通過對BM TP與Final TP關聯(lián)性的深入研究，我們發(fā)現(xiàn)，TP的本質是對Panel位置的調控，既然每個Shot的伸縮量可以單獨計算和補償，同樣地，我們也可以對于每個Shot的位置進行專一的調整，以彌補整體擴大法補正失真和改善隨機的弊端。由此我們提出了一種新的CF Final TP改善方法——BM TP設計值局部平移法。相對于整體擴大法改變Shot大小，局部平移法的改善核心在于，保證BM TP設計值各個Shot大小、形狀不變，僅對位置進行調整，突破Mask本身大小的限制，盡可能地將TP數(shù)據(jù)不達標的Shot向不良改善的方向移動。我們先根據(jù)Cell AI精度對CF Final TP的需求，計算出目前Final TP實測值與設計需求的差值，再對BM TP的設計值進行反向補償，從而實現(xiàn)BM TP設計模板的局部平移。如圖4所示，以5列Shot4為例，假設AI對位要求的Final TP為綠色模板，Shot4對應四個頂點坐標為A'、B'、C'和D'，對這四個點的坐標取中心值為M'（x'，y'），而5列Shot4內縮時Final TP實測頂點A、B、C、D的中心坐標為M（x，y），則對M'和M的中心坐標做差，即可得到設計目標模板與實測數(shù)據(jù)的Shot中心偏移量，將此偏移量反向補償至原有BM TP設計模板中，即得到了有利于不良定向改善的新BM TP設計模板。采用此種方法，改善后的BM TP實際坐標可以與設計模板很好的匹配，有利于提高BM TP過程能力指數(shù)，并且實現(xiàn)BM TP定量、定向的雙向補正。

考慮到設備本身波動以及BM～PS工程間波動的影響，我們在對21.5 Inch產品的BM TP設計模板變更時，針對5列Shot3和Shot4進行了X方向不同補償量的實驗，以確認最優(yōu)的BM TP補償模板，改善結果如圖5和表4所示。其中，Shot3相對AI標準中心偏移量為-0.90μm，因此進行了X正向補償0.3μm、0.6μm、0.9μm、1.2μm、1.5μm五個Split的驗證；Shot4相對AI標準中心偏移量為-1.67μm，進行了X正向補償0.8μm、1.2μm、1.6μm、2.0μm、2.4μm五個Split的驗證。從表4中我們可以看出，隨著Shot正向補償量的增大，5列Panel的TP最大值逐漸減小，Mapping內縮情況得到了有效的改善。但因Shot3和Shot4本身Mask設計偏小，若X正向補償量太多，會造成Shot左邊的Panel左側內縮，因此補償量并不是越大越好。綜合產品Shot3和Shot4 Panel左右兩側TP數(shù)值，最終選取Shot3正向補償0.9μm，Shot4正向補償2.0μm變更BM TP設計模板。圖5為變更后的Cell AI Mapping，從中可以看出，5列Panel內縮的情況得到了明顯改善，且其他Shot Panel并沒有受到影響，實現(xiàn)不良改善的TP定點優(yōu)化。且優(yōu)化批次產品在下游無CF TP相關開機Mura不良發(fā)生，在無Mask成本投入、設備改造的前提下，實現(xiàn)了不良的快速有效改善。

3 結束語

本文通過對CF TP與開機Mura不良的關聯(lián)性解析與機理研究，發(fā)現(xiàn)CF TP也是開機Mura的重要影響因素。通過對CF TP的深入分析，設計得到一種新型BM TP設計值變更方法-局部平移法。局部平移法顛覆了液晶顯示行業(yè)傳統(tǒng)的BM TP整體擴大改善方法，相比原先按照Glass整體收縮量制作BM TP模板，我們將Glass曝光補償拆分成不同的Shot模塊，然后根據(jù)每個Shot具體偏移量針對性地進行局部反向補償，使BM TP模板變更更加合理和靈活。通過新型設計變更的實驗驗證，在無Mask成本投入、設備改造的前提下，成功實現(xiàn)了21.5 Inch產品開機Mura不良改善，不良率由9.17%降至0.10%以下。該方法具有定向性、快速性、準確性等優(yōu)點，可廣泛運用于CF TP對位精度有關的不良改善中。

參考文獻：

[1]辛利文，潘信樺，方業(yè)周，等.TFT-LCD白畫面邊緣發(fā)青不良機理分析及改善研究[J].電子工藝技術，2017，38（6）：359-363.

[2]齊鵬，施園，劉子源.TFT-LCD Touch Mura不良的研究和改善[J].液晶與顯示，2013，28（2）：204-209.

[3]高榮榮，姚成宜，葉超前，等.關于TN型TFT-LCD中周邊Mura的分析與改善[J].電子世界，2014，18：160.

[4]吳洪江，王威，龍春平.一種TFT-LCD Vertical Block Mura的研究與改善[J].液晶與顯示，2007，22（4）：433-439.

[5]肖洋，周鵬，閆潤寶，等.TFT-LCD Stage Mura的研究與改善[J].液晶與顯示，2017，32（4）：269-274.

[6]桑勝光，車曉盼，王嘉黎，等.高PPIADS產品白Mura不良產生原理及改善研究[J].液晶與顯示，2016，31（5）：435-441.