高雪松 薛婕 蒋迁 王恒英 庞华山

摘 要：薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）由薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）和彩色滤光膜（Color Filter，CF）经过对盒工艺（Cell）制作而成。两类面板对盒过程中的相对偏移精度（Alighment Inspection，AI）是保障产品显示品质的重要指标，而AI由两类面板的曝光精度（Total Pitch，TP）共同决定。文章主要进行了CF TP与开机Mura不良的机理分析与改善研究。通过CF工艺制程对CF TP影响的深入分析和实验验证，设计得到了一种可定向补正的CF TP Design优化方法，可有效实现开机Mura不良的定点改善，不良率由9.17%降至0.10%以下。相对于传统补正方法，该方法具有定向性、快速性、准确性等优点，可推广运用于其他与CF TP对位精度有关的不良改善中。

关键词：彩色滤光膜；曝光精度；定向补正

中图分类号：TN873 文献标志码：A 文章编号：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

近年来，随着人们对于显示设备越来越高的要求，薄膜晶体管液晶显示器（简称TFT-LCD）凭借其小体积、低能耗、高分辨率等优点已成为显示市场主流[1]。为了增强企业市场竞争力和客户满意度，就需要提高产品品质，减少产品显示不良。TFT-LCD常见的品质不良包括重力Mura、Touch Mura、开机Mura等[2-3]。Mura指TFT-LCD各种色斑类不良的总称，即显示出现灰度不均一的现象[4]。在Mura中，开机Mura指显示器开机瞬间部分区域显示异常的现象，严重影响客户体验，是急待解决的品质问题。TFT-LCD由薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）和彩色滤光膜（Color Filter，CF）经过对盒（Cell）制作而成，对盒过程又包含PI、Rubbing、Assy等工艺[5]。其中，Rubbing工艺的主要作用是對面板表面的PI液进行摩擦以确定液晶取向，由于TFT面板表面存在电极Pattern，导致Rubbing过程电极的背面存在Rubbing弱区（简称Rubbing Shadow），这类弱区的PI液摩擦就会不充分进而影响后续的液晶取向和偏转[6]。当此类液晶偏转异常被暴露就会形成开机Mura不良，因此如何通过CF TP优化，利用CF面板有效遮挡TFT侧Rubbing Shadow是不良改善的关键。

CF TP是监控曝光位置精度的重要参数，表示曝光实际位置与设计标准位置之差。监控方法为，CF首道BM工艺制作时，在面板固定位置曝光形成方形Mark，然后测量该Mark实际中心位置与设计中心位置的坐标差异（包含X和Y两个方向），差异数值即为BM TP。BM工艺曝光形成的Mark，经过后续工艺烘烤，会有进一步收缩，此时测量的TP为产品的Final TP。当CF与TFT面板对盒，CF Final TP出现偏移时，可以通过BM TP补正加以调整。

本文依托8.5代工厂21.5 Inch产品开机Mura不良案例，通过对开机Mura不良实物分析、特性数据测量和不良机理模拟，确认了开机Mura不良高发与CF TP相关性；通过对CF BM TP～Final TP变化规律研究，设计得到一种新型TP定向平移补正的方法；通过Shot别定向量化补正，有效完成不良改善，并为其他TP相关不良提供了快速、准确的改善方向。

1 不良成因分析

1.1 现象描述

21.5 Inch产品L0点灯画面下，Panel开机瞬间，左侧出现贯穿竖条状白色Mura，Mura随点灯时间延长逐渐消失，不良现象如图1所示；且不良在Glass上5列具有Mapping集中性，需重点调查5列Panel与其他列Panel的特性差异。

1.2 实验测试

为确认开机Mura不良区域与正常区域的相关参数异常点，寻找改善方向，本实验优先对不良Panel进行了盒厚（Cell Gap）和液晶扭转角（Twist Angle）测试，但Mura区与正常区特性未见明显区别，表明该不良非对盒形成的Gap性不良。之后，利用显微镜对不良区域微观现象进行观察（图1右侧），发现不良区域的像素左侧存在明显漏光，而正常区域无此現象，确认此次开机Mura发白主要与像素漏光有关。因此深入研究TFT、CF两侧面板对位是否存在偏移导致像素漏光，对两侧面板的对位精度（AI）进行调查。测量时，以TFT为基准，测量了CF相对TFT的偏移程度，结果如图2（a）所示。从中可以看出，CF面板5列Panel相对TFT X方向存在明显内缩。进一步调查CF本身曝光精度，发现CF TP相对标准模板就存在内缩的现象（图2（b）蓝框区域）。对比不良高发5列Panel与非高发1列Panel的TP数值，发现5列Panel Final TP X方向存在多点超Spec的情况（表1），而1列Panel Final TP均Spec In，即表明不良区域的对位偏移为CF TP内缩导致，不良改善需从CF TP优化入手。

1.3 不良机理

结合上述分析结果，对此次开机Mura不良的发生机理进行了研究。如图3所示，CF和TFT面板在Cell对盒前均需经过Rubbing工艺对面板表面的液晶配向膜（PI膜）进行摩擦处理，以保证后续液晶分子滴落面板表面后能按预期方向扩散排布。但是TFT侧面板电极厚，且为金属材质较硬，Rubbing辊轴在滚动过程中，会在滚动方向的电极背部形成Rubbing Shadow，此区域内PI膜表面摩擦处理力度不够，导致此处液晶初始配向位置与正常区域不同，加电后液晶旋转异常，从而形成不良。正常TFT和CF面板对位设计时，CF BM与TFT会设计一定的重叠Margin（A区域）用于遮挡TFT Rubbing Shadow，但当两类面板对位出现偏移，CF BM由C'偏移至C位后，二者的重叠区域减少，相应地，会暴露出一些本应被遮住的Rubbing Shadow区（B区域），从而导致开机瞬间，B区域的液晶偏转异常被发现，形成Mura类显示不良。

2 CF TP改善与研究

2.1 工程间伸缩量对TP的影响研究

21.5 Inch产品的CF曝光由6个Shot拼接而成（如图4），每个Shot的曝光精度决定该Shot包含Panel的TP精度。且BM工艺曝光形成的TP Mark经过后续工艺的Oven热处理会进一步向Glass中心收缩，即CF完成品的Final TP除去 BM本身曝光精度的影响，还受到BM～PS工程间伸缩量的影响。因此在后续的研究中，主要以Shot为单位分别从这两个方面进行了研究。如图4所示，此次开机Mura不良高发的5列Panel由Shot 3和Shot 4曝光形成，因此我们首先对比了Shot3和Shot 4相对其他Shot的工程间收缩量差异，工程间收缩量计算公式如下：

工程间伸缩量表征经过多道工艺后，Final TP相对BM TP的收缩程度，单位为μm/100mm。表2为计算得到的各Shot工程间伸缩量的实际值和理论值，从中可以看出，每个Shot的实际伸缩量都较理论伸缩量大，表明21.5 Inch产品的Final TP较BM TP向面板中心收缩，且X方向相对Y方向收缩更明显，与不良与TP对应关系相符。但Shot 3和Shot 4与其他Shot的工程间收缩量无明显差异，表明5列Panel的TP内缩与BM～PS工艺间的工程收缩无关，应与BM TP本身偏小有关，开机Mura不良的改善应从BM TP调整入手。

2.2 整体扩大法BM TP改善研究

BM TP常见调整方法包括曝光Mask变更、BM TP Offset补正、BM TP设计值变更三种。其中，Mask变更存在约40万人民币的财务投入，且Mask制作周期长；BM TP Offset补正适用于略微偏离目标值的情况，不适用于本不良的改善。综合考虑投资成本、改善周期和效果，本文主要通过BM TP设计值变更来改善Final TP，该方法无财务投资且改善周期短。

目前TFT-LCD的BM TP设计值变更常用整体扩大法，旨在通过Final TP与BM TP收缩量差异的补偿，刻意放大BM TP模板从而改善Final TP内缩的情况。因此本文优先采用整体扩大法对21.5 Inch产品的TP进行改善验证，结果如表3所示。从中可以看出，按整体扩大法改善的TP并没有达到预期效果，5列Panel Final TP仍存在多点Spec Out的情况。探究原因，发现整体扩大法虽然将BM TP的设计值予以放大，但因曝光使用的Mask并未改变，曝光出来的Pattern大小其实并不会如预想般放大，反而还会加剧BM TP实测值与设计值的差异，影响BM TP过程能力指数。此外，整体放大法对Final TP的改善效果具有随机性，当BM实际Mapping无法与设计模板匹配的时候，使BM Offset值补正失真，导致BM TP补正位置随机，进而影响Final TP Mapping。且整体扩大法无Shot别差异，有可能导致5列Panel的TP朝不良恶化的方向补正。

2.3 局部平移法BM TP改善研究

通过对BM TP与Final TP关联性的深入研究，我们发现，TP的本质是对Panel位置的调控，既然每个Shot的伸缩量可以单独计算和补偿，同样地，我们也可以对于每个Shot的位置进行专一的调整，以弥补整体扩大法补正失真和改善随机的弊端。由此我们提出了一种新的CF Final TP改善方法——BM TP设计值局部平移法。相对于整体扩大法改变Shot大小，局部平移法的改善核心在于，保证BM TP设计值各个Shot大小、形状不变，仅对位置进行调整，突破Mask本身大小的限制，尽可能地将TP数据不达标的Shot向不良改善的方向移动。我们先根据Cell AI精度对CF Final TP的需求，计算出目前Final TP实测值与设计需求的差值，再对BM TP的设计值进行反向补偿，从而实现BM TP设计模板的局部平移。如图4所示，以5列Shot4为例，假设AI对位要求的Final TP为绿色模板，Shot4对应四个顶点坐标为A'、B'、C'和D'，对这四个点的坐标取中心值为M'（x'，y'），而5列Shot4内缩时Final TP实测顶点A、B、C、D的中心坐标为M（x，y），则对M'和M的中心坐标做差，即可得到设计目标模板与实测数据的Shot中心偏移量，将此偏移量反向补偿至原有BM TP设计模板中，即得到了有利于不良定向改善的新BM TP设计模板。采用此种方法，改善后的BM TP实际坐标可以与设计模板很好的匹配，有利于提高BM TP过程能力指数，并且实现BM TP定量、定向的双向补正。

考虑到设备本身波动以及BM～PS工程间波动的影响，我们在对21.5 Inch产品的BM TP设计模板变更时，针对5列Shot3和Shot4进行了X方向不同补偿量的实验，以确认最优的BM TP补偿模板，改善结果如图5和表4所示。其中，Shot3相对AI标准中心偏移量为-0.90μm，因此进行了X正向补偿0.3μm、0.6μm、0.9μm、1.2μm、1.5μm五個Split的验证；Shot4相对AI标准中心偏移量为-1.67μm，进行了X正向补偿0.8μm、1.2μm、1.6μm、2.0μm、2.4μm五个Split的验证。从表4中我们可以看出，随着Shot正向补偿量的增大，5列Panel的TP最大值逐渐减小，Mapping内缩情况得到了有效的改善。但因Shot3和Shot4本身Mask设计偏小，若X正向补偿量太多，会造成Shot左边的Panel左侧内缩，因此补偿量并不是越大越好。综合产品Shot3和Shot4 Panel左右两侧TP数值，最终选取Shot3正向补偿0.9μm，Shot4正向补偿2.0μm变更BM TP设计模板。图5为变更后的Cell AI Mapping，从中可以看出，5列Panel内缩的情况得到了明显改善，且其他Shot Panel并没有受到影响，实现不良改善的TP定点优化。且优化批次产品在下游无CF TP相关开机Mura不良发生，在无Mask成本投入、设备改造的前提下，实现了不良的快速有效改善。

3 结束语

本文通过对CF TP与开机Mura不良的关联性解析与机理研究，发现CF TP也是开机Mura的重要影响因素。通过对CF TP的深入分析，设计得到一种新型BM TP设计值变更方法-局部平移法。局部平移法颠覆了液晶显示行业传统的BM TP整体扩大改善方法，相比原先按照Glass整体收缩量制作BM TP模板，我们将Glass曝光补偿拆分成不同的Shot模块，然后根据每个Shot具体偏移量针对性地进行局部反向补偿，使BM TP模板变更更加合理和灵活。通过新型设计变更的实验验证，在无Mask成本投入、设备改造的前提下，成功实现了21.5 Inch产品开机Mura不良改善，不良率由9.17%降至0.10%以下。该方法具有定向性、快速性、准确性等优点，可广泛运用于CF TP对位精度有关的不良改善中。

参考文献：

[1]辛利文，潘信桦，方业周，等.TFT-LCD白画面边缘发青不良机理分析及改善研究[J].电子工艺技术，2017，38（6）：359-363.

[2]齐鹏，施园，刘子源.TFT-LCD Touch Mura不良的研究和改善[J].液晶与显示，2013，28（2）：204-209.

[3]高荣荣，姚成宜，叶超前，等.关于TN型TFT-LCD中周边Mura的分析与改善[J].电子世界，2014，18：160.

[4]吴洪江，王威，龙春平.一种TFT-LCD Vertical Block Mura的研究与改善[J].液晶与显示，2007，22（4）：433-439.

[5]肖洋，周鹏，闫润宝，等.TFT-LCD Stage Mura的研究与改善[J].液晶与显示，2017，32（4）：269-274.

[6]桑胜光，车晓盼，王嘉黎，等.高PPIADS产品白Mura不良产生原理及改善研究[J].液晶与显示，2016，31（5）：435-441.