彩膜不良研磨成功率的分析与研究

2018-03-14 03:44

制造业自动化 2018年2期

（北京京东方显示技术有限公司，北京 100176）

0 引言

液晶显示器的崛起，彻底替代了CRT。近年来TFTLCD液晶面板产业突飞猛进[1]，行业的竞争俞显激烈，客户对液晶面板的质量要求不断提高。彩膜（Color Filter简称CF）作为液晶面板的主要组成部分[2,3]，正面临着越来越严峻的挑战；彩膜的生产，虽然是在高洁净度的空间内完成的，但是由于工艺的复杂性、多样性、重复性等特点；彩膜在生产过程中仍会出现以Particle为主的各种缺陷[4～7]。这些缺陷也被称为彩膜良率的杀手锏，主要会造成液晶面板出现坏点等品质不良，根据品质不良类型造成液晶屏在质量等级上分为A＋、A、B、C等等级，甚至造成液晶屏的废弃。随着竞争的加剧，彩膜生产厂家在提高生产技术水平的同时，也要进一步加强生产、检测和修补等内部质量管控，进而减少缺陷率，从而保证液晶屏的高等级率。

1 彩膜缺陷的概述

彩膜一般可以定义为由黑矩阵、红、蓝、绿三原色组成的色彩矩阵单元，为TFT基板提供色彩，从而达到显示图像的目的。适应高PPI的要求，Panel正向高密度Pixel、精细化的方向努力发展。这也意味着，容忍的微观不良，向着数量少、影响小的方向过渡。而工艺的高要求下，并没有新的革新技术出现，以避免常规不良的产生，相反，高PPI俞凸显不良的存在性。

微观不良一般表现为有异于彩色矩阵的点状不良。从彩膜的整个工艺制程讲，人员、物料、设备、环境等因素，都会带来Particle的沉积，形成不良。从物质组成上，可以简单区分为原材料引起的残留、外界物质进入导致的Particle堆积、膜质脱落导致的膜面缺失等。从形态上可以分为纤维状、点状、圆形等。而从缺陷高度的角度衡量，缺陷本身一般具备一定的高度，在成盒阶段，容易形成黑白点和Gap类不良，严重的会导致Panel质量等级的下降，甚至会被判定为N。

图1 Particle堆积和膜面缺失

2 彩膜缺陷的特性

根据彩膜的工艺特点，按照膜形成的时间节点，可将Particle导致的不良分为两类：膜上不良和膜下不良，如图2、图3所示。针对有高度缺陷的修补，主要的修补手段就是研磨，而如果缺陷本身具备很高的硬度，意味着将其本身打磨掉具备很大的难度。假如这样的缺陷是嵌在膜层当中，研磨很容易导致形成膜层脱落。而对于硬度较低的缺陷，不论出现在膜上还是膜下，都不会有太大膜层脱落的风险。

图2 膜面上的不良，很容易研磨掉

图3 膜面下的不良，很容易研磨失败

如图2、图3所示，尚且不讨论研磨的原理与技术，单从缺陷本身，就意味着很难有一套固定的修补成功率范围去衡量所有类型缺陷。而经过修补，不能达到既定的高度，或者造成膜面的缺失，都意味着修补失败。普遍意义上讲，金属类缺陷、玻璃碎屑类缺陷具备很高的硬度，这类缺陷不容易被磨掉。同时一些经过烘烤的Particle，也具备很高的硬度，而且容易出现在膜面以下，造成很大概率的修补失败。我们可以得出结论，不论形态、成分，和缺陷本身的硬度相比，都不具备更佳的代表性，用以区分不同类型缺陷具有不同结果的修补成功率。

这里我们可以认为，如果可以设定一定的技术手段，分别适用不同硬度的缺陷，就可以很好的提高修补的成功率。但是，尽管从缺陷软硬程度可以简单区分，但是在具体的修补过程中，我们很难确定哪个缺陷是硬质哪个缺陷是软质，从而选择与其适配的修补手法等，达到良好的修补效果。而在不断扩张的产业里，不可能有充足的时间，每修补一个点位就更换一套技术手段。藉此，我们不得不从一个寻求不偏规律的角度，去提升修补的成功率。以修补点数为基础，在经历一段时间的数据积累后，计算出失败的比例数据如图4所示。

从数据不难看出，波动很大，水平较高，亟需一种科学的手段进行改善。

3 修补的主要原理

图4 修补失败的比例

从微观缺陷的基本规律看，一般情况下，缺陷的高度范围在0～50μm，大小范围在100μm2～5×104μm2不等，微观缺陷的修补自要分为白缺陷修补和高度缺陷修补两部分。白缺陷表现为掉膜类的膜面缺失，一般采用先应用高功率激光的热量，使白缺陷周围的膜层气化而不伤害玻璃，制造出一个规则的图形，方便填充液的流动填充。第二步是应用超精细的填充技术，用玻璃针将填充液注入打好的图形中。第三步是待填充液体填充满，使用UV固化，达到与本身颜色统一的效果。具体的步骤如图5所示。

图5 Ink修补的主要步骤

而高度缺陷的修补只有研磨修补。所谓研磨，就是特别细微化的摩擦打磨，一般采用金刚砂的材料制成带状，通过精细的机械结构，精确控制研磨材料与缺陷接触100μm直径左右的范围，通过高精度高度传感器，精确控制需要研磨带深度、速度、时间等要素。如果用一般模型来表述，大体可以描述成如图6所示的方法。

4 修补参数的研究

上文中提及了研磨修补的主要技术。当一个缺陷出现时，首先是进行测高（H0），一般都是与设定好的阈值比较，如果超出阈值，则执行研磨，否则认为不需要修补。研磨过程中设计如下参数，分别是：1）开始研磨的高度（H1）；2）研磨带转速；3）研磨时间（一般是设定值，可以计算出单次研磨的量有多少）；4）单次研磨的量，即步进量（为了研磨充分，一般实际研磨过程不是匀速下降，而是步进式；而设定的是最小值）；当研磨结束，还会再测高（H3），再与阈值比较看是否达到目的。至于H2，则是和产品相关，即设定的阈值相关。关于以上参数的变动与修补成功率的关系，进行了以下测试。

图6 研磨修补的主要步骤

4.1 开始研磨的高度

缺陷本身的高度可能达到几十微米高，但一般概率上，都是在10μm以内，所以设定这个参数过大，意味着研磨带空转，浪费极大；而同时设定过小，意味着研磨机构已经压迫缺陷本身，才开始研磨转动，会导致研磨本身效果不佳，而拉伸力度足够大，导致研磨失败几率大大增加。笔者保持单一变量变化的前提下，进行数据的变化，对比修补失败的比率与研磨参数变化的关系，得到如图7所示的结果。

图7 开始研磨高度与修补失败

4.2 研磨带转速

整个研磨的过程，关键在研磨带与缺陷的摩擦，摩擦的充分，则研磨效果好，不充分则研磨不到位，会浪费时间，还可能导致二次研磨。但过度的研磨，不仅会浪费研磨带，同时也大大增加了研磨失败的概率。笔者保持单一变量变化的前提下，进行数据的变化，对比修补失败的比率与研磨参数变化的关系，得到如图8所示的结果。

图8 研磨带转速与修补失败

4.3 研磨时间

研磨时间指的是一次研磨的总时间，属于设定值。之所以不是根据缺陷高度进行区别设计，主要考虑到研磨的效率和时间成本，不论缺陷高低时间是统一的，这样避免缺陷高时间长，造成时间的浪费。当然，同时意味着缺陷高的，使用相同的时间研磨，为例达到很好的研磨效果，必然在软件中涉及了单次研磨的步进量的增加，即可能潜在增加修补失败的风险。所以研磨时间的设定，也与研磨的成功率有着相当大的关联。笔者保持单一变量变化的前提下，进行数据的变化，对比修补失败的比率与研磨参数变化的关系，得到如图9所示的结果。

图9 研磨时间与修补失败

4.4 单次研磨的量

单次研磨的量即步进量，设定值是步进量的极限值，假如设定了开始研磨的高度5μm，设定了研磨结束的高度2μm，即需要研磨掉3μm。如果设定的研磨时间是2sec，步进量的极限是0.5μm。意味着要分为6次下降，每次0.5μm，而研磨机构下降的速度为2μm/sec，（注：这个参数严重影响研磨时间，本文不做讨论），时间上讲2Sec＞ 3μm÷2μm/Sec=1.5sec，剩余的0.5sec都是研磨时间，即相邻步骤之间是有停顿的。当设定的极限值过大，就会导致研磨力度过大，修补失败增多，设定值过小则增加研磨时间。笔者保持单一变量变化的前提下，进行数据的变化，对比修补失败的比率与研磨参数变化的关系，得到如图10所示的结果。