TFT-LCD一種綠Mura機(jī)理分析和改善

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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在手機(jī)、顯示器、電視等傳統(tǒng)顯示行業(yè)和車(chē)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(fèi)者對(duì)顯示器件的畫(huà)面品質(zhì)要求越來(lái)越高，生產(chǎn)商也越來(lái)越重視畫(huà)面品質(zhì)不良的改善。

色斑(Mura)作為最常見(jiàn)的畫(huà)質(zhì)不均缺陷，長(zhǎng)期阻礙顯示屏幕品質(zhì)的提升。Mura是指在灰階畫(huà)面下，人眼感受到畫(huà)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(guò)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(jué)Mura，這也是Mura不良難以根除的原因[4-9]。

本文針對(duì)8.5代線(xiàn)工廠(chǎng)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(jìn)行分析，結(jié)合工藝驗(yàn)證方案和結(jié)果，最終明確了不良的根本原因?yàn)樵摦a(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(shí)有效的改善措施，對(duì)于新材料的引進(jìn)和評(píng)價(jià)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(hào)點(diǎn)亮，點(diǎn)亮之初無(wú)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(jiàn)綠像素靠近紅像素側(cè)長(zhǎng)邊發(fā)亮，繼續(xù)點(diǎn)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(xiàn)該位置的設(shè)備進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)模組自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)(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(jìn)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(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)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(guò)Mura區(qū)域及相鄰正常區(qū)域連續(xù)測(cè)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(wú)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(xiàng)特性Mura區(qū)與正常區(qū)均無(wú)明顯差異，說(shuō)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(duì)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(duì)Mura區(qū)域和相鄰正常區(qū)域分別測(cè)量開(kāi)機(jī)后色坐標(biāo)Wy變化趨勢(shì)，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(shì)，開(kāi)機(jī)時(shí)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(kāi)始降低，10 min后降低至0.329，不良消失。從上述曲線(xiàn)可知，Wy變化趨勢(shì)與不良出現(xiàn)和消失時(shí)間規(guī)律吻合。

圖4 Mura區(qū)與正常區(qū)色坐標(biāo)Wy隨點(diǎn)燈時(shí)間變化對(duì)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(kāi)機(jī)后L0畫(huà)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(shuō)明，Level 0為不可見(jiàn)，數(shù)字越大不良越嚴(yán)重。隨著Vgl降低，不良加重，說(shuō)明該不良受像素兩側(cè)壓差影響較大。

表1 Vgl變化對(duì)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(diǎn)直流，將TFT與彩膜基板微微錯(cuò)開(kāi)，不良隨彩膜基板移動(dòng)，判斷不良位于彩膜側(cè)。去除液晶與配像膜，在宏觀檢測(cè)機(jī)下觀察彩膜側(cè)基板，Mura區(qū)域未見(jiàn)異常。使用分光機(jī)和關(guān)鍵尺寸(Critical Dimension，CD)測(cè)量?jī)x分別測(cè)量彩膜側(cè)紅(R)、綠(G)、藍(lán)(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(xiàng)特性均無(wú)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(xiàng)特性測(cè)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(wú)明顯差異，與色坐標(biāo)測(cè)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(duì)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(jiàn)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(yàn)證進(jìn)一步明確，再進(jìn)行針對(duì)性改善。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)光照對(duì)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(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)光源開(kāi)啟和關(guān)閉兩個(gè)條件制作，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如表4所示。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)燈源開(kāi)啟時(shí)，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(duì)照組自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)燈源關(guān)閉條件下，沒(méi)有一片屏幕發(fā)生不良，進(jìn)一步明確自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)光源照射是產(chǎn)生不良的直接原因。為對(duì)應(yīng)生產(chǎn)，首先將模組自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)光源關(guān)閉導(dǎo)入量產(chǎn)條件。

表4 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)光源對(duì)不良的影響

3.2 G像素材料對(duì)不良的影響

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

為驗(yàn)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(wú)變化，各生產(chǎn)5張基板并進(jìn)行模組制作，使用AOI光照后點(diǎn)燈驗(yàn)證不良是否發(fā)生，結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，原來(lái)發(fā)生于產(chǎn)品A上的不良隨之轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品B上，驗(yàn)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(duì)不良的影響Tab.5 Effect of different green materials on the defect

4 機(jī)理分析與改善

4.1 機(jī)理分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和分析，基本明確了G-1型光刻膠受自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)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(jī)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(jiàn)光區(qū)域存在強(qiáng)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(diǎn)燈之初，被光照射過(guò)的綠像素區(qū)域由于載流子形成附加電場(chǎng)，在L0畫(huà)面下附加電場(chǎng)使液晶偏轉(zhuǎn)異常，光能透過(guò)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(wú)綠光通過(guò)，顯示灰階畫(huà)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(jī)理示意圖Fig.8 Schematic diagram of abnormal mechanism

(2)隨著點(diǎn)燈時(shí)間延長(zhǎng)，TFT開(kāi)關(guān)不斷充放電，光生載流子逐漸釋放，Mura區(qū)域膜層電場(chǎng)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(jiàn)的綠像素長(zhǎng)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(duì)無(wú)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)，透光量更大，顯現(xiàn)出綠像素邊緣亮線(xiàn)[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(wèn)題，必須從源頭截?cái)嗷驕p少光生載流子產(chǎn)生，我們從材料方面進(jìn)行了以下兩種改善：

(1)阻隔光照穿透來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)料數(shù)據(jù)表明，達(dá)到相同色度要求時(shí)，原材料G-1中顏料含量為1.4%，新材料G-1B顏料含量?jī)H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(cè)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(mǎn)足產(chǎn)品要求。

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

3種材料彩膜組成模組成品后進(jìn)行光照測(cè)試，在模組自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)下光照不同時(shí)間后進(jìn)行點(diǎn)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(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)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(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)光照10 min(正常檢測(cè)時(shí)間為30 s)情況下也無(wú)不良產(chǎn)生，說(shuō)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(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)光照測(cè)試結(jié)果Tab.7 Test result of products using different materials under automatic optical inspection lamping

√：有Mura ×：無(wú)Mura

5 結(jié) 論

本文針對(duì)8.5代線(xiàn)工廠(chǎng)81.28 cm(32 in)產(chǎn)品上出現(xiàn)的固定位置發(fā)綠條狀Mura進(jìn)行研究分析和工藝改善驗(yàn)證，通過(guò)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(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)光照后性質(zhì)發(fā)生變化是導(dǎo)致該不良的直接原因。

進(jìn)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(jiàn)光區(qū)域存在強(qiáng)吸收峰，確認(rèn)不良機(jī)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(chǎng)，導(dǎo)致該區(qū)域液晶偏轉(zhuǎn)異常，透過(guò)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(jī)理后，從阻隔光照和減少光生載流子產(chǎn)生數(shù)量?jī)煞矫嫒胧?，通過(guò)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?jī)?nèi)容對(duì)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(shí)，不僅應(yīng)考慮材料的色度是否滿(mǎn)足規(guī)格，更應(yīng)該考慮材料的光、熱穩(wěn)定性并進(jìn)行相關(guān)信賴(lài)性測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后再引進(jìn)量產(chǎn)。