非接触式配向工艺(光配向工艺)Zara Particle不良产生机理分析及改善方向研究

合肥京东方光电科技有限公司 张 龙 陈霖东 江 桥 陈维诚 刘俊豪

非接触式配向工艺(光配向工艺)Zara Particle不良产生机理分析及改善方向研究

合肥京东方光电科技有限公司 张 龙 陈霖东 江 桥 陈维诚 刘俊豪

目前在TFT-LCD生产中最为广泛运用的配向技术是摩擦配向（Rubbing alignment）法。光配向工艺以非接触式配向正在逐渐取代现有的摩擦配向方式，其配向原理及材料与摩擦配向方式有着本质区别。光配向使用PI Ink需要在Coating固化以后再次进行断链和重组，并且需要将断开分子链进行去除。由于其分解特性及断开分子链的去除效果、固化后膜层与CF侧PS间摩擦挤压都与盒内产生Zara相关，随着行业内对产品品质需求的提高，客户对Zara不良的容忍度也在一度降低。通过对Oven条件(断链分子的去除)和Polish条件(PS对PI膜层摩擦挤压)进行测试，找出最佳断链去除条件以及摩擦挤压条件，为后续光配向量产寻找可靠条件，降低Zara发生率。

非接触式配向；光配向；Zara Particle

一、前言

（一）背景

为解决传统摩擦方式配向带来的不良影响，非接触式配向工艺领域取得了很大的进展。目前非接触式配向方式主要分为三类：曝光异构化、曝光二聚化以及曝光降解。在行业内主要应用的模式为曝光降解方式，此类非接触式配向依靠紫外光对PI膜层进行分解，然后利用高温将分解后断裂的分子链进行挥发[3]。

这种方式自然也存在其弊端，紫外光强度影响分子链断裂程度、固化温度和时间影响断裂分子链的挥发程度。另一方面，手机、平板电脑以及电视品牌客户需求面板超薄化，面板的减薄工艺必然进行。TFT面板上下层(TFT，CF)依靠封框胶固定，PS进行支撑。当前的减薄工艺主要为使用HF酸进行蚀刻，完成后通过抛光的方式对表面减薄不均点进行打磨，消除表面外观不良。在抛光过程中势必产生压力使得面板内支撑PS对TFT基板表面PI膜面造成磨损，进而产生细小碎屑最终聚集为Zara Particle不良。部分条件下Zara Particle发生率可达80%以上，对产品品质影响巨大。

图1 Zara Particle在显微镜下现象

（二）目的

通过对曝光条件(断链分子的去除)和Polish条件(PS对PI膜层摩擦挤压)进行测试，找出最佳断链去除条件以及摩擦挤压条件，为后续光配向量产寻找可靠条件，降低Zara发生率，提高工艺能力。另一方面，对此类不良的重要影响材料PI ink成分进行改进，准确拿捏PI ink的曝光强度以及固化条件，既能使断裂分子链完全挥发又能保证一定的耐磨强度，才能有效降低Zara Particle的发生。产品减薄抛光是影响Zara Particle的重要因素，制定抛光测试条件并选取最佳条件应用。

二、工艺条件对不良产生机理分析

（一）紫外光强度、固化温度、固化时间对Zara Particle产生影响程度测定

1.光配向工艺原理

随着手机产品以及穿戴体验的迅速发展，各高世代TFT产线都在进行小型化转型，由于摩擦工艺的不均和划伤问题，致使传统摩擦配向工艺造成大量不良成为成本浪费。

相比摩擦工艺使用的PI ink，光配向用PI ink中添加有具有感光成分的基团，在一定的紫外光光强照射下，基团便会断裂[1]。根据这种特点，使用特定的线栅使紫外光偏振形成紫外偏振光，在偏振光方向的PI分子链会吸收较多的光照量，当累积吸收的光照强度达到一定值时，分子中连接部分的基团便会断裂，PI分子链形成一些小分子分散在基板表面。从与偏振光平行方向至垂直方向，偏振光的光照量逐渐减少。

图2 沿偏振光方向分子链吸收光照[1]

如图1所示，与偏振光方向平行，同等照射条件下吸收的累积光量高，能量达到时基团发生断裂，分裂成为小分子[2]。

图3 非偏振光方向分子链不易吸收降解[1]

如图2所示，与偏振光方向垂直，同等照射条件下吸收的累积光量低，无法达到基团断裂必须的累积光照量条件，光照后无变化保留下来[2]。

光照完成后，断裂的小分子依然存在于基板表面。利用断裂小分子易于挥发的特点，使用高温炉进行加热，使表面小分子挥发，只留下未发生断裂的分子链。整个基板表面的PI膜面就表现出了整体沿着偏光方向垂直方向的方向性，可以进行液晶分子的定向有序排列。图3，4，5表示了从PI ink涂敷至配向完成各个阶段的PI分子链排布示意。

图4 涂覆的PI分子分布

图5 光照后PI分子状态

图6 固化后PI分子有序性分布

2.累积光照量对Zara Particle产生影响程度的测定

累积光照量是影响PI分子链分解的重要条件。累积光照量越大，PI分子链分解的程度越高。针对这个条件，制定了单独累积光照量条件的测试，测试结果如图7所示。

图6测试结果显示，低/中/高累积光照量强度下，中度照射量强度Zara程度最重，目镜下Zara等级0.16，肉眼可见Zara等级0.78，反而低和高累积光量下现象较为轻微。随着累积光照量的增加，Zara Particle不良并未有增长趋势。在高累积光量条件下，与偏振光方向垂直的PI分子链断裂为易挥发的小分子，在后续工艺过程中正常挥发；反而在累积光照量不足的低和中度条件下，分子链并未彻底分解为易挥发的小分子，所以未能在二次固化条件下挥发，最终形成Zara Particle。中低度累积光照量的条件下，随累积光照量增加，Zara Particle不良发生率呈现出了增长趋势。在这个条件区间内，PI分子链的分解程度逐渐增加，但是由于仍未达到PI分子彻底分解的累积光照量，导致各个方向PI分子链分解程度不一，显现为Zara Particle高发生率的现象。

图7 不同曝光强度下 Zara 不良状况

累积光照量影响PI分子链的断裂的程度，光照量越大，PI分子断裂的越多越彻底，从这个层面讲累积光照量越大越好；在达到这个累积光照量后，过多的光照量则会使垂直偏振光方向的PI分子链更多的分解，一方面影响产品的配向能力，另一方面浪费更多的能量。在对产品配向能力的确认中，增加了累积光照量与产品对比度的对比。表1测试结果如下：

表1 累积光照量对对比度影响

图8 累积光照量对对比度影响

图7 测试结果明显在高曝光量后对比度数据下降，在经过对PI配向性能力确认后，输出最佳累积光照量为高曝光量。

3.二次固化温度对Zara Particle产生影响程度的测定

图9 不同二次固化温度下 Zara 不良状况

根据图8不同二次固化温度下Zara不良状况并从光配向工艺原理上推测，高温炉温度越高，在基板上残留断裂分子链的数量越少。

在进行的高温炉温度测试中，测试结果反映了随温度升高，Zara Particle变少变轻的趋势。结果与原理推测相同，在低固化温度下目镜Zara等级0.12，肉眼可见Zara等级1.32，程度最重；高温度下目镜Zara等级0.04，肉眼可见Zara等级0.12，程度最轻。

实际上并非二次固化温度越高越好，TFT基板和CF基板均需要进行此项固化工艺。对于两种基板而言，有些膜层在受到高温的烘烤后，会发生劣化分解，导致整个产品失效。所以在进行二次固化温度的选择时，也必须同时考虑各种基板膜层可耐受的最大温度，才最为合适。考虑到这点，可选择二次固化温度设定为中。

4.二次固化时间对Zara Particle产生影响程度的测定

图10 不同固化时间下 Zara 不良状况

图9 显示随二次固化时间增加，Zara Particle不良下降。

理论上，固化时间越长越好，残留小分子链的挥发程度越高。在挥发到“中”后，Zara Particle等级已经没有明显下降趋势，说明在当前的固化温度下，已经无法继续挥发残留PI分子。考虑到工厂生产产品的产能问题，选取能够去除残留小分子的最短时间作为工艺条件。

（二）光配向工艺最优搭配选择

在各项光配向工艺条件对Zara Particle影响的测定中已经有初步结果。针对Nissan-A款PI ink，累积光照量：高曝光量；二次固化温度：中固化温度；二次固化时间：中固化时间，是按照测试结果选定的最佳工艺条件。

从上面的测试结果可以看出，累积光照量减少，PI分子链断裂越不彻底，残留的断裂的分子链越不易清除；二次固化温度越高，时间越长，对PI分子链的去除能力越强。所以，在特定的情形下，可根据需要对各项参数进行调整。例如，需要降低能量消耗、提升产能就要降低累积光照量，此时若要避免Zara Particle不良发生，就需要调整二次固化温度和时间来增强残留分子链的去除能力，使其完全挥发。

（三）材料特性及不良机理分析

随着光配向技术在TFT行业内的应用，越来越多的PI ink开发完成并进行推广。降解式光配向工艺其Zara Particle产生原理是在特定的累积光照量下，PI分子链不能彻底分解为小分子进行挥发。针对Nissan-A和Nissan-B 两种PI ink进行了Zara Particle不良的确认，不良程度有了很大幅度的下降。

图11 不同PI类型 Zara 不良状况

图12 Nissan-B PI分子结构[1]

图13 Nissan-A PI分子结构[1]

如图10中所示，Nissan-A较Nissan-B有着明显的下降趋势。到底是什么原因导致两种PI ink之间产生的差异呢？这要从PI分子的结构说起，Nissan-A和Nissan-B分子结构如下图，红色方块结构为降解反应特殊基团，青色椭圆结构为紫外光吸收基团。相比Nissan-B，Nissan-A增加了紫外光吸收基团，使得Nissan-A更容易吸收紫外光并进行降解反应，一方面需求的累积光照量降低，另一方面，PI分子链更容易降解为易挥发的小分子，减少残留大分子的比例，最终降低Zara Particle的发生。图11中Nissan-B分子结构一个吸收基团对应一个降解基团，而图12中Nissan-A则增加了两个吸收基团对应一个降解基团，更容易降解为小分子[1]。

（四）外观抛光对Zara Particle不良产生影响确认

在产品刻蚀减薄后，需要进行抛光对表面刻蚀不均匀处进行修复。在基板对盒以后，CF基板上的PS起支撑作用，在抛光过程中不可避免将会与TFT侧PI膜面进行挤压。根据抛光工艺条件，制定测试条件。测试结果如图13所示：

图14 不同抛光条件Zara不良状况

只有在最重抛光条件下，才有大量Zara Particle发生。可得出结论，只有在抛光压力和抛光时间达到一定程度后，Zara Particle才会高发。此时再通过各种抛光条件的外观良率确认最佳抛光条件。

结论

从接触式配向升级为非接触式配向， 摩擦配向方式的诟病，摩擦不均匀、膜面划伤以及Zara Particle等不良一直未得到有效改善，光配向工艺从设计初始就避免了不均匀以及划伤，若在Zara Particle不良上有明确改善方向，必然会完全取代传统摩擦配向方式，成为TFT领域中主流配向工艺。

从光配向工艺条件看，主要影响Zara Particle的参数为累积光照量、二次固化温度及二次固化时间。累计光照量影响PI分子链的降解程度，随累积光照量增加，PI分子链的降解比例越高，其降解为小分子的能力越强；二次固化温度决定PI材料降解的小分子挥发的程度，温度越高，小分子越容易挥发；二次固化时间决定降解后残余小分子的挥发程度，时间越长，小分子挥发越彻底。

影响光配向工艺产生Zara的原因还有减薄工艺的抛光条件，随抛光条件加重，存在一个抛光强度临界点，Zara Particle不良高发。所以，确认Zara Particle高发的临界抛光工艺条件是制定最佳抛光条件的关键。

对于光配向使用的PI ink来说，其在光照下的降解程度、降解的小分子的挥发性将决定着Zara Particle不良的发生状况。从材料设计上讲，若要改善Zara Particle不良，需要增强PI分子链降解程度，降解部分的PI分子链更加敏感，而保留部分的PI分子链要更有惰性；降解的小分子挥发所需的条件则需要降低，使其在更低的温度、更少的时间内完全挥发。

[1]Nissan Chemical Materials Research Lab． Introduction of newly developed photo-alignment materials[R/MK]． 2015．

[2]Ushio电机株式会社光工艺事业部． IPS/FFS用长弧光取向设备技术介绍资料[R/MK]． 2013．

[3]李文钦 陈嘉明 李政道．光配向材料与技术发展[J]．工业材料杂志，1992(199):1-10．