蔣 遷， 耿晨曦， 刁義林， 周 鵬， 路朝華

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD)具有質(zhì)量輕、功耗低、壽命長等優(yōu)點，在手機、顯示器、電視等傳統(tǒng)顯示行業(yè)和車載、穿戴、智能家居等新興顯示行業(yè)均得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著產(chǎn)品逐漸普及，消費者對顯示器件的畫面品質(zhì)要求越來越高，生產(chǎn)商也越來越重視畫面品質(zhì)不良的改善。

色斑(Mura)作為最常見的畫質(zhì)不均缺陷，長期阻礙顯示屏幕品質(zhì)的提升。Mura是指在灰階畫面下，人眼感受到畫面明暗或色彩不均一的現(xiàn)象。造成Mura的直接原因是顯示器局部區(qū)域透過率的差異，而根本原因則各不相同，背光源、TFT陣列、配像膜、液晶、彩膜基板等都有可能造成視覺Mura，這也是Mura不良難以根除的原因[4-9]。

本文針對8.5代線工廠發(fā)生于81.28 cm(32 in)產(chǎn)品上的一種新發(fā)生的固定位置的條狀發(fā)綠Mura，從電學(xué)、光學(xué)、物理結(jié)構(gòu)等多方面進行分析，結(jié)合工藝驗證方案和結(jié)果，最終明確了不良的根本原因為該產(chǎn)品使用的新型綠像素光刻膠(此前未在其他產(chǎn)品上導(dǎo)入)光照不耐受所致，并提出了切實有效的改善措施，對于新材料的引進和評價具有參考意義。

2 不良分析

2.1 不良現(xiàn)象

將產(chǎn)品加背光與信號點亮，點亮之初無不良，約20～60 s后在屏幕固定位置出現(xiàn)一條寬約10 mm的豎向發(fā)綠條狀Mura，使用20倍放大鏡觀察Mura區(qū)，可見綠像素靠近紅像素側(cè)長邊發(fā)亮，繼續(xù)點燈，約10～15 min后不良消失。

2.2 不良位置匹配分析

綠Mura不良現(xiàn)象如圖1所示。該不良發(fā)生在屏幕上位置固定，懷疑是切割工藝后與某設(shè)備干涉相關(guān)，排查全產(chǎn)線該位置的設(shè)備進行匹配，發(fā)現(xiàn)模組自動光學(xué)檢測機(Automatic Optical Inspection，AOI)燈條與不良位置匹配，如圖2 所示，懷疑該不良與受光照有關(guān)，根本原因仍需進一步分析。

圖1 綠Mura不良現(xiàn)象。(a)宏觀觀察；(b)微觀觀察。Fig.1 Phenomenon of green Mura defect. (a) Macro observation； (b) Micro observation.

圖2 不良位置與自動光學(xué)檢測機燈條匹配Fig.2 Position of abnormal match with the lamp of AOI

2.3 液晶盒內(nèi)特性分析

跨過Mura區(qū)域及相鄰正常區(qū)域連續(xù)測量液晶盒內(nèi)特性，結(jié)果如圖3所示。圖3(a)顯示Mura區(qū)與正常區(qū)液晶盒厚均在3.45～3.65 μm

之間；圖3(b)顯示Mura區(qū)與正常區(qū)液晶扭轉(zhuǎn)角由0.2 °逐漸增加至0.8 °，無突變；圖3(c)顯示Mura區(qū)與正常區(qū)液晶預(yù)傾角均在2.20°～2.40°之間。3項特性Mura區(qū)與正常區(qū)均無明顯差異，說明該不良非液晶盒厚或配向異常導(dǎo)致。

圖3 Mura區(qū)與正常區(qū)液晶盒內(nèi)特性對比。(a)盒厚；(b)扭轉(zhuǎn)角；(c)預(yù)傾角。Fig.3 Cell characteristics comparison of Mura area against normal area. (a) Cell gap; (b) Twist angle; (c) Pre-tilt angle.

2.4 光學(xué)分析

對Mura區(qū)域和相鄰正常區(qū)域分別測量開機后色坐標(biāo)Wy變化趨勢，結(jié)果如圖4所示。正常區(qū)域Wy穩(wěn)定在0.325左右，Mura區(qū)域Wy呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，開機時Wy為0.326， 20 s后增大至0.330，不良出現(xiàn)，3 min后增大至最大值0.340后開始降低，10 min后降低至0.329，不良消失。從上述曲線可知，Wy變化趨勢與不良出現(xiàn)和消失時間規(guī)律吻合。

圖4 Mura區(qū)與正常區(qū)色坐標(biāo)Wy隨點燈時間變化對比Fig.4 Comparison of the change of color coordinate Wy with lighting time of Mura area against normal area

2.5 電學(xué)分析

正常產(chǎn)品使用Vgl為-8 V。將Vgl外接，開機后L0畫面下將Vgl從-4 V到-12 V變化，結(jié)果如表1所示，不良程度用Level 0～4說明，Level 0為不可見，數(shù)字越大不良越嚴(yán)重。隨著Vgl降低，不良加重，說明該不良受像素兩側(cè)壓差影響較大。

表1 Vgl變化對不良程度的影響Tab.1 Effect of Vgl change on the abnormal levels

2.6 膜面微觀特性分析

拆屏后點直流，將TFT與彩膜基板微微錯開，不良隨彩膜基板移動，判斷不良位于彩膜側(cè)。去除液晶與配像膜，在宏觀檢測機下觀察彩膜側(cè)基板，Mura區(qū)域未見異常。使用分光機和關(guān)鍵尺寸(Critical Dimension，CD)測量儀分別測量彩膜側(cè)紅(R)、綠(G)、藍(B)3種子像素的色坐標(biāo)和尺寸，結(jié)果如表2所示，Mura區(qū)和正常區(qū)RGB各項特性均無明顯差異。

表2 Mura區(qū)與正常區(qū)RGB色坐標(biāo)與關(guān)鍵尺寸分析

使用掃描電子顯微鏡分析彩膜基板RGB截面形貌，如圖5～6所示，各項特性測量結(jié)果如表3所示。RGB膜厚Mura區(qū)與正常區(qū)均在2.35～2.55 μm內(nèi)，無明顯差異，與色坐標(biāo)測試結(jié)果符合。

圖5 Mura區(qū)RGB形貌。(a) R-G；(b) G-B；(c) B-R。Fig.5 Profile of Mura area. (a) R-G; (b) G-B; (c) B-R.

圖6 正常區(qū)RGB形貌。(a) R-G；(b) G-B；(c) B-R。Fig.6 Profile of normal area. (a) R-G; (b) G-B; (c) B-R.

表3 Mura區(qū)與正常區(qū)RGB形貌對比

RGB與黑矩陣搭接處搭接寬度以及各子像素牛角段差，Mura區(qū)和正常區(qū)未見明顯差異。

綜合上述分析，懷疑該不良是彩膜側(cè)受光照后產(chǎn)生的電學(xué)性不良，光照是引起不良的直接原因，根本原因應(yīng)與彩膜使用的光刻膠自身特性相關(guān)，且由于該不良為綠Mura，應(yīng)為綠像素光刻膠異常導(dǎo)致。以上推論需要結(jié)合工藝驗證進一步明確，再進行針對性改善。

3 實驗與結(jié)果

3.1 自動光學(xué)檢測機光照對不良的影響

將400片切割后的屏幕分為兩組投入模組，分別采用自動光學(xué)檢測機光源開啟和關(guān)閉兩個條件制作，進行對比驗證，結(jié)果如表4所示。自動光學(xué)檢測機燈源開啟時，200片屏幕中有39片發(fā)生了固定位置綠Mura不良，不良率為19.5%，而對照組自動光學(xué)檢測機燈源關(guān)閉條件下，沒有一片屏幕發(fā)生不良，進一步明確自動光學(xué)檢測機光源照射是產(chǎn)生不良的直接原因。為對應(yīng)生產(chǎn)，首先將模組自動光學(xué)檢測機光源關(guān)閉導(dǎo)入量產(chǎn)條件。

表4 自動光學(xué)檢測機光源對不良的影響

3.2 G像素材料對不良的影響

分析81.28 cm(32 in)各型號產(chǎn)品工藝和材料，發(fā)現(xiàn)發(fā)生不良的產(chǎn)品A與無不良產(chǎn)品B僅G像素使用的光刻膠型號不同，暫且將發(fā)生不良的材料稱之為G-1，無不良的材料稱之為G-2。

為驗證G材料相關(guān)性，將81.28 cm(32 in)產(chǎn)品A和B使用的G材料互換，其余工藝均無變化，各生產(chǎn)5張基板并進行模組制作，使用AOI光照后點燈驗證不良是否發(fā)生，結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，原來發(fā)生于產(chǎn)品A上的不良隨之轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品B上，驗證了材料G-1是導(dǎo)致不良的主要原因。

表5 G像素材料對不良的影響Tab.5 Effect of different green materials on the defect

4 機理分析與改善

4.1 機理分析

通過上述實驗和分析，基本明確了G-1型光刻膠受自動光學(xué)檢測機照射后性質(zhì)發(fā)生變化是導(dǎo)致該不良的直接原因。結(jié)合G-1光刻膠材料成分，不良機理為：

(1)G-1型光刻膠所使用的顏料為鋅酞菁化合物，分子結(jié)構(gòu)如圖7所示，其在600～700 nm的可見光區(qū)域存在強吸收峰[10-13]。鋅酞菁化合物吸收光子后，在膜層內(nèi)產(chǎn)生激子，隨后生成自由載流子，電導(dǎo)特性發(fā)生變化。點燈之初，被光照射過的綠像素區(qū)域由于載流子形成附加電場，在L0畫面下附加電場使液晶偏轉(zhuǎn)異常，光能透過綠像素，顯示出宏觀的綠Mura；而未受到光照的正常區(qū)域液晶排列正常，無綠光通過，顯示灰階畫面，如圖8所示。

圖7 鋅酞菁化合物分子結(jié)構(gòu)Fig.7 Molecular structure of zinc phthalocyanine compounds

圖8 不良機理示意圖Fig.8 Schematic diagram of abnormal mechanism

(2)隨著點燈時間延長，TFT開關(guān)不斷充放電，光生載流子逐漸釋放，Mura區(qū)域膜層電場恢復(fù)到正常狀態(tài)，不良消失。

(3)不良區(qū)域微觀顯微鏡下所見的綠像素長邊發(fā)亮與摩擦弱區(qū)相關(guān)[14-15]。81.28 cm(32 in)產(chǎn)品A的摩擦工藝如圖9所示，摩擦輥在G像素靠近B側(cè)牛角為上坡區(qū)，在G像素靠近R側(cè)牛角為下坡區(qū)。相比于上坡區(qū)，下坡區(qū)得到摩擦布摩擦的力度較小，該區(qū)域配向膜配向度較差，液晶排布相對無序，比起正常區(qū)域配列有序的液晶分子，更容易受到綠像素附加電場驅(qū)動，透光量更大，顯現(xiàn)出綠像素邊緣亮線[12-13]。

圖9 摩擦工藝及配向弱區(qū)Fig.9 Rubbing process and rubbing shadow area

4.2 不良改善

要改善光照導(dǎo)致綠Mura問題，必須從源頭截斷或減少光生載流子產(chǎn)生，我們從材料方面進行了以下兩種改善：

(1)阻隔光照穿透來減少光生載流子產(chǎn)生。具體改善方式為：在原材料G-1中添加高敏感度光起始劑，將G-1材料改善為G-1A材料。高敏感光起始劑能加速曝光過程中的交聯(lián)反應(yīng)，使單體聚合反應(yīng)更加完全，生成致密度更高的膜層，有效阻隔光照。

(2)降低顏料分子含量來減少光生載流子產(chǎn)生。具體改善方式為：使用顏色濃度更高的顏料分子替代原顏料，將原材料G-1改善為G-1B。原材來料數(shù)據(jù)表明，達到相同色度要求時，原材料G-1中顏料含量為1.4%，新材料G-1B顏料含量僅為0.6%。

將81.28 cm(32 in)產(chǎn)品A分別使用原材料G-1、改善材料G-1A和G-1B生產(chǎn)彩膜，測量3種材料綠像素色坐標(biāo)如表6所示，更換材料后色坐標(biāo)未發(fā)生偏移，均可滿足產(chǎn)品要求。

表6 不同G像素材料色坐標(biāo)對比Tab.6 Contrast of different green materials

3種材料彩膜組成模組成品后進行光照測試，在模組自動光學(xué)檢測機下光照不同時間后進行點燈，出現(xiàn)綠Mura用“√”表示，未出現(xiàn)綠Mura用“×”表示，結(jié)果如表7所示。原材料在自動光學(xué)檢測機光照10 s后即出現(xiàn)綠Mura不良，改善材料G-1A和G-1B在自動光學(xué)檢測機光照10 min(正常檢測時間為30 s)情況下也無不良產(chǎn)生，說明兩種方式均可成功消除不良。

表7 使用不同材料的產(chǎn)品受自動光學(xué)檢測機光照測試結(jié)果Tab.7 Test result of products using different materials under automatic optical inspection lamping

√：有Mura ×：無Mura

5 結(jié) 論

本文針對8.5代線工廠81.28 cm(32 in)產(chǎn)品上出現(xiàn)的固定位置發(fā)綠條狀Mura進行研究分析和工藝改善驗證，通過設(shè)備位置匹配、液晶盒內(nèi)特性分析、膜面微觀結(jié)構(gòu)分析、光學(xué)和電學(xué)分析等手段，明確了該產(chǎn)品彩膜工藝使用的G-1型光刻膠受模組自動光學(xué)檢測機光照后性質(zhì)發(fā)生變化是導(dǎo)致該不良的直接原因。

進一步研究G-1型光刻膠材料成分，其所含顏料鋅酞菁化合物，在600～700 nm的可見光區(qū)域存在強吸收峰，確認不良機理為：G-1型光刻膠被光照后，鋅酞菁化合物吸收光子，在膜層內(nèi)產(chǎn)生激子，隨后生成自由載流子并形成附加電場，導(dǎo)致該區(qū)域液晶偏轉(zhuǎn)異常，透過綠像素的光亮較正常區(qū)域大，顯示出宏觀的綠Mura。

明確不良機理后，從阻隔光照和減少光生載流子產(chǎn)生數(shù)量兩方面入手，通過添加高敏感度光起始劑和使用顏色濃度更高的顏料分子兩種方法形成改善材料，均成功消除了不良，不良率由約20%降低為0。本文的研究內(nèi)容對于彩膜制程的材料選擇具有重要借鑒意義，尤其是選擇新材料時，不僅應(yīng)考慮材料的色度是否滿足規(guī)格，更應(yīng)該考慮材料的光、熱穩(wěn)定性并進行相關(guān)信賴性測試，測試通過后再引進量產(chǎn)。