TFT-LCD中液晶取向异常亮点机理研究及改善

周 波，王 祺，宋勇志，洪永泰，陈维涛

(北京京东方显示技术有限公司, 北京 100176)

1 引 言

目前市场上ADS/IPS等硬屏TFT LCD显示产品中，液晶取向技术仍主要是接触式摩擦配向工艺，其中亮点类不良由于其可视性，一直是显示屏出货的主要不良。

按照亮点不良形成原理，可以将其分为两大类：像素亮点和不规则亮点。像素亮点主要是由于单个TFT充电异常造成的整个亚像素亮点[1]，此种不良主要是依靠阵列基板(Array)工艺条件优化、检测维修工序进行改善及维修[2]；另一种不规则亮点，正如其名，亮点形状不规则，与TFT充电无关，按其成因又分为两大类：异物亮点和非异物亮点。由屏内可见异物造成的亮点即为异物亮点，异物亮点可以通过人员作业管理、清洗设备优化[3]、摩擦强度优化[4]等方面进行改善。另一种非异物造成的不规则亮点，即为本文所要分析改善的亮点不良。

针对上述非异物亮点不良，一直未有有效的分析手段和明确的不良发生机理。本文通过对非异物亮点不良进行详细宏观和微观分析，同时建立实验室测试模型找到不良发生的根本影响要素，从本源上对这种不良建立了改善对策，并将改善条件在生产线进行了实际的验证及导入，验证了不良机理和实验室模型有效性，并提升了TFT LCD的量产良率。

2 非异物亮点不良的描述及初步分析

2.1 非异物亮点的不良描述

以我公司为例，该类不良的发生率维持在0.5%～1.5%左右，极大影响了我公司产品的良率和边效等级。

图1中像素亮区即为非异物亮点的不良显现。该不良具有3个特征：一是亮点大小形状不规则，可能小于一个亚像素，也可能是横跨几个亚像素，且形状边缘不规则；二是该亮点不良在玻璃母板和单个显示屏中的位置分布无集中性；三是使用显微镜观察时，微调焦距，亮点周边无晕且大小变化不明显。

图1 非异物亮点不良照片

由上述非异物亮点不良的特征，不良位置和形状不固定，可以说明一个问题：这里所研究的液晶取向异常造成的亮点，与集中分布在摩擦阴影区(阵列金属布线边缘区)的摩擦力度不均匀造成的PI配向异常[5]亮点不一致，是由于其他原因影响了液晶取向而发生了亮点不良。

2.2 非异物亮点的初步分析

按照常规不良的分析思路，我们对非异物亮点不良进行了分析，在分析中发现不良在TFT和彩色滤光膜(CF)侧均有发生，由于CF侧现象便于观察，此处以CF侧不良为例进行介绍。主要分析步骤可参照图2所示。

图2 非异物亮点不良初步分析

步骤一：实验室显微镜观察微观现象，如图2(a)，对不良区进行标记。

步骤二：将显示面板拆开分为TFT和CF两部分，在显微镜下分别观察TFT侧和CF侧是否存在可见不良，如图2(b)和图2(c) 所示，不良在CF侧可见，TFT侧不可见。

步骤三：去除液晶后再次观察CF侧，确认不良是否可见。见图2(d)，去除液晶后，CF侧不良现象消失；

步骤四：在上述CF侧重新滴上液晶，放置在显微镜下进行观察，现象复现，如图2(e)所示；

步骤五：去除液晶和配向膜(Polyimide，PI)后，CF侧不良现象消失；

步骤六：在CF侧不良区重新滴上液晶，不良现象不可见。

综上，参考示例，可以判断所分析非异物亮点发生在CF侧，亮点由PI配向异常导致液晶取向异常[6]，显现为亮点不良。下面我们通过微观分析等手段对这里的PI配向异常产生的根本原因进行深入研究。

3 PI配向异常原因分析

3.1 PI配向异常区微观分析

图3 AFM分析结果

我们主要采用原子力显微镜(AFM)和飞行时间二次离子质谱技术(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS)两种分析设备对PI配向异常原因进行研究。同时为了便于分析，排除CF侧有机膜层的影响，选取成分较为简单的TFT侧不良为例进行分析说明。

首先，使用AFM的形貌模式(Height Mode)和相模式(Phase Mode)[7]对不良区域进行扫描。如图3(a)为TFT的不良区域，去除TFT侧液晶后，利用AFM的形貌模式进行观察，发现在不良区域PI表面有7.5～10 nm厚的粗糙区，如图3(b)所示；利用AFM相模式观察不良区域，发现有位相差异，说明该位置存在非PI成分的杂质。

根据AFM结果，可确认在不良区PI表面存在粗糙形貌的杂质层。由此结果也可以证明，这里所分析的亮点不是由于摩擦力度不均匀造成的PI配向异常，而是由于杂质影响了PI配向，进而影响了液晶取向形成亮点。

然后，用TOF-SIMS对杂质区成分进行了正离子和负离子分析[8]。使用TOF-SIMS进行正离子测试，如图4所示，该杂质区检测到CxHyOz成分含量较高；使用TOF-SIMS进行负离子测试，如图5所示，该杂质区C2H3O2含量较高。

图4 TOF-SIMS正离子分析结果

图5 TOF-SIMS负离子分析结果

综合TOF-SIMS测试结果，有机成分CxHyOz是造成该区域配向异常的主要成分。下面是对杂质成分产生的一个预测。

3.2 成分及机理推测

为了说明我们的机理推测，首先简单说明一下LCD的PI成膜、配向及LCD成盒的工艺制程[9]。

(1)PI成膜：采用辊轮或者喷墨[10]的方式将PI分别涂覆在TFT基板和CF基板表面，经过预固化(约100 ℃，120 s)实现溶剂蒸发，并在主固化(约230 ℃，1 000 s)条件下完成酰胺转换，PI膜厚约为50～120 nm;

(2)摩擦配向：将摩擦布粘附在摩擦设备的辊轮上，控制辊轮转速、辊轮在基板上的压入量、基板行进速度等参数，分别对TFT和CF表面的PI进行摩擦配向；

(3)成盒前清洗：摩擦配向后，使用水、水气混合液等对PI表面进行清洗，去除PI表面异物，并通过风刀(Air Knife)和IR加热等设备去除基板表面水份；

(4)按照设计的图形，完成液晶滴入和封框胶涂覆；

(5)成盒：完成液晶滴入和封框胶涂覆的CF和TFT基板，在真空状态下进行对盒，对盒后对封框胶进行紫外线固化和热固化，完成成盒工艺。

图6 LCD成盒工艺

LCD的PI涂覆到成盒工艺过程中，易于产生杂质的环节主要在于接触式的摩擦配向，对发生机理的推测如下：

(1)杂质产生：在摩擦配向过程中，摩擦布中的成分、PI的成分、TFT表面膜层成分可能会散落在PI表面；

(2)杂质堆积：在成盒前清洗过程中，由于高压水、水气混合溶液的冲击以及气刀的冲击，上述杂质离子在TFT表面段差区域形成堆积，经IR热处理后，形成难以清除的杂质层；

(3)成分推测：由TOF-SIMS结果中有机物CxHyOz含量高可以推测出，杂质区可能的成分主要是摩擦布中的成分、PI成分等有机成分。TFT表面膜层成分主要为无机化合物和金属，在TOF-SIMS中未检出，可以将其排除。PI碎屑成分已知，可以通过摩擦参数和PI材料优化改善，下面主要针对摩擦布中各种成分残留对PI配向和液晶取向的影响进行实验研究。

4 摩擦布成分与不良关联实验室再现分析

4.1 摩擦布主要成分说明

我公司ADS型TFT-LCD主要使用的是Hybrid摩擦布，如表1所示，其中有机成分主要包含布毛纤维、背胶、柔顺剂、防静电剂。

其中布毛纤维、背胶、防静电剂为摩擦布成品必要成分，柔顺剂会在纺织完成后被清洗掉，余少量残存在摩擦布中。

表1 Hybrid摩擦布主要有机成分

4.2 实验室测试方案设计

为了研究上述摩擦布中何种成分堆积形成了PI表面的杂质区，造成了亮点不良，我们进行了如下实验室测试方案设计。

实验所用材料如表2所示，其中摩擦布、布毛纤维为固体状，背胶、柔顺剂为浓溶液，防静电剂为稀溶液。

表2 实验所用材料列表

实验步骤设计如图7所示，共分为萃取溶液制作、萃取液滴附、点灯测试3个实验步骤。

(a)萃取溶液制作(a) Preparation of extraction solution

(b)萃取溶液滴附(b) Surface treatment by the extraction solution

(c)点灯测试(c) Microscopic observation with LC

4.2.1 萃取溶液制作

为了便于测试，我们将各测试样品分别制作成测试溶液。

固态的Hybrid摩擦布和布毛纤维溶液制法，主要有溶解、老化和过滤3个小步骤。

(1)溶解：将上述固态物质放置到溶剂去离子水(DIW)中，固态物质质量分数为2.5%；

(2)老化：将上述溶液放置在40 ℃的环境中，静置1 d，静置时保持超声处理；

(3)过滤：使用0.2 μm的过滤器进行过滤。

浓溶液状态的背胶、柔顺剂溶液制法主要有稀释和过滤两个步骤。

(1)稀释：使用DIW进行稀释，稀释比为浓溶液∶DIW=1∶500；

(2)过滤：使用0.2 μm的过滤器进行过滤。

防静电剂为稀溶液，无需处理直接使用。

4.2.2 萃取溶液滴附

在第一步中我们得到了Hybrid摩擦布、布毛纤维、背胶、柔顺剂和防静电剂的共5种萃取溶液。如图7(b)所示，将这5种溶液分别滴附在倾斜放置的PI基板上(已摩擦配向)，随着液滴流动，其按照一定轨迹滑落PI基板。然后用DIW进行3次清洗，这是按照生产线的工艺流程模拟清洗过程。最后，将PI基板放置在120 ℃下干燥1 min，完成了萃取溶液滴附。

4.2.3 点灯测试

将上述5种完成干燥的基板放置在点亮的背光源(背光源表面放置一层偏光片)上面，分别滴入液晶，分别使用显微镜观察，显微镜的偏光轴与背光源上偏光片偏光轴成一定夹角(90°最佳)，如图7(c)所示。

4.3 实验室测试结果

图8为点灯测试观察到的5种溶液滴附后PI基板表面的画面。从图中可以看到，Hybrid 摩擦布、背胶、柔顺剂所对应的基板上出现了亮暗不一致的条纹，该条纹的出现代表了PI表面配向力受到了影响，与在图1中观察到的TFT LCD显示屏中非异物亮点现象一致。由此可见背胶和柔顺剂的成分是造成TFT-LCD中非异物亮点的主要杂质成分。

图8 实验室测试结果

5 产线测试结果

依据上述实验结果，我们对摩擦布进行了改善优化，主要优化方向有两点：

(1)加强织布后的清洗，增强柔顺剂和背胶脱落成分的去除能力，主要通过清洗水量加倍实现。

(2)增加真空吸收环节，吸收背胶脱落成分，避免留存在摩擦布中。

使用优化后的摩擦布，我们进行了两次测试，从表3结果看出，非异物亮点均得到了有效改善，证实了我们的不良机理分析及实验结果是有效的。

从表3数据看，使用改善后的摩擦布，非异物亮点发生比例降低了0.6%，按照我公司每个月300 k 液晶面板的产量，每月可减少1 800片液晶面板的损失，按照每片50美元的价格，每月可以为公司减少9万美元的材料损失。

表3 新摩擦布产线测试结果

6 结 论

本文主要对使用Hybrid摩擦布的TFT LCD产品中出现的非异物亮点进行了机理研究。首先对非异物亮点进行了初步分析，不良区无可见异物，亮点的成因为PI膜配向和对应液晶取向异常；对PI配向异常的机理进行研究发现，PI表面有7.5～10 nm的杂质区，影响了PI膜的配向，其成分主要是CxHyOz；我们推导异物成分主要来源为摩擦布；通过建立实验室模拟测试方案，验证摩擦布中的柔顺剂和背胶成分是造成PI配向异常的杂质成分；最后对摩擦布中的柔顺剂和背胶成分进行了加强清洗和真空去除，在生产线测试取得了较好的结果。结果表明，柔顺剂和背胶成分加强去除后，非异物亮点不良由0.6%降低至0%，预计每月为我公司减少9万美元的材料损失。