高分辨率平板电脑产品中彩膜曝光基台色斑不良的改善

蒋 迁， 塔 拉， 薛凤明， 章 旭， 孟令剑， 王 昆， 周 鹏， 王 旭

(北京京东方显示技术有限公司，北京 100176)

1 引 言

高分辨率显示产品以其细腻、丰富的显示效果，带给消费者更加良好的用户体验，得到了迅速发展。为迎合市场需求，各大面板生产厂商争相研发和投资高PPI(Pixel Per Inch，PPI)显示屏。随着PPI的不断提升，一些品质问题，如色斑(Mura)类不良逐渐凸显[1]。Mura一词源自日语，是液晶面板生产过程中出现的各种色斑类不良现象总称[2]，在彩膜(CF)生产过程中，及其容易因为膜厚不均而产生如涂布Mura、曝光Mura、显影Mura等等多种Mura类不良[3]。对于高PPI产品，特别是小尺寸高PPI平板电脑(TPC)类产品，其像素结构小，在相同面积的Mura下，受膜厚不均影响的像素更多，从而使Mura严重程度更重，改善难度更大。

本文对256.6 mm(10.1 in)、PPI为225的TPC产品模组段未确认Mura与设备图形进行匹配，锁定为彩膜黑矩阵(BM)工艺曝光工序产生的曝光基台Mura(Stage Mura)。通过对Mura区域BM特性数据测量，分析BM关键线宽(CD)、坡度角(BM与基板平面的夹角)和膜层厚度是否异常，对Mura形成机理进行分析，并试验验证，最后提出合理的改善方法，使高PPI TPC产品Stage Mura得到了很大的改善。

2 现象和试验思路

2.1 不良现象

图1 (a)波浪线Mura；(b)波浪线曝光机基台结构。Fig.1 (a)Striped Mura；(b)Striped exposure stage structure.

256.6 mm(10.1 in)产品在模组段检出未确认Mura，现象为黑画面下两条发白的波浪线，如图1(a)所示，该不良位置、大小等均与BM 曝光机分区挡墙结构相吻合，如图1(b)所示。可以断定这种缺陷形貌是由BM曝光基台产生，在宏观检查机(Macro)[4]观察BM工艺产品，在特定光源角度下可以被检出，缺陷形态与图1(a)一致。

需要说明的是，在CF宏观检测设备Macro内观察各尺寸产品，BM工艺完成后均可见双波浪基台Mura，但仅256.6 mm(10.1 in)产品在下游模组完成品后仍然可见该不良，其余尺寸产品模组完成品不可见。比较256.6 mm(10.1 in)产品CF设计特点，发现该产品为最大PPI(225)、最小BM CD(6.5 μm)产品，推测模组段可见该不良与产品高PPI设计关联性较大。

2.2 试验思路

由于BM 基台Mura发生原因明确，因此对BM相关特性参数进行详细测量，通过数据分析不良机理及改善方向。随机抽取一块模组段不良屏，如图2所示，跨不良双波浪线分别测量BM

图2 BM基台Mura不良屏特性测量方法Fig.2 BM stage Mura characteristic measure method

(a)不良屏BM CD数据(a)BM CD data of abnormal panel

(b)不良屏BM 膜厚数据(b)BM thickness data of abnormal panel图3 BM基台Mura不良屏特性相关参数Fig.3 BM stage Mura characteristic parameter

CD和膜厚，测量结果如图3所示。选取基台Mura区域和正常区域样品进行SEM分析BM截面形貌，结果如图4所示。

图4 BM截面形貌。(a)正常区域；(b)Mura区域。Fig.4 BM cross section.(a)Normal area;(b)Mura area.

从图3数据可以看出：Mura 区 BM CD较正常区偏小约0.4～0.5 μm，膜厚无明显差异。从图4可以看出，Mura区域BM 坡度角较正常区域偏小。上述两种特性变化均有可能导致BM遮光性能变差，宏观呈现透过率变大，与不良现象——黑画面下发白一致。由此推断出BM基台Mura跟上述两种参数变化有关。

选取BM工艺显影后和热烘烤后的正常区域和基台Mura区域样品进行SEM分析BM截面形貌，结果如图5所示。

图5 BM 截面形貌。(a)正常区域显影工艺后；(b)Mura区域显影工艺后；(c)正常区域热烘烤工艺后；(d)Mura区域热烘烤工艺后。Fig.5 BM cross section.(a)Normal area after develop process;(b)Abnormal area after develop process; (c) Normal area after oven bake process;(d)Abnormal area after oven bake process.

在显影工艺之后，正常区域和基台Mura区域BM CD已经出现差异，热烘烤后，除了BM CD差异外，坡度角也存在差异。基于BM工艺特点及曝光机结构特点，对基台Mura发生机理构建下述模型：①玻璃基板与曝光机基台分区挡墙结构接触区域(即双波浪线区域)和其他与空气接触区域(即无不良区域)存在温度差异，曝光反应程度不同，导致BM CD存在差异；②玻璃基板在曝光机基台上局部区域发生弯曲，曝光间隙变小，致使BM光刻胶受光区域变小，由于CF使用负性光刻胶，故显影后BM CD会偏小[5]。

由于变更设备耗资巨大，周期较长，而增大BM CD会造成产品透过率不符合特性要求[5]，从生产工艺及设备实际情况出发，在不变更产品特性的前提下，以曝光工艺优化为改善方向。

3 实验和分析

3.1 曝光温度改善测试

曝光工艺对温度要求较高，通常曝光基台温度控制在(23±0.2)℃，而空气温度受机构摩擦以及马达散热影响相对不受控。测量曝光基台的4个角和中心点共5个点温度和对应位置的空气温度，结果如表1所示。空气中的温度较基台温度高约0.5～0.6 ℃，推测该温度差异是造成不良的原因之一。

表1 设定温度为(23±0.2)℃时曝光机基台和周围空气温度

Tab.1 Temperature of exposure stage and the air around at the setting temperature of (23±0.2)℃

位置基台温度/℃ 空气温度/℃ 左上角22.823.4右上角22.923.5中心点23.123.4左下角23.223.5右下角23.123.5

将曝光机台温度设定为(24±0.2)℃后再次测量5点温度，结果如表2所示，基台和空气温度差异缩小。在此温度下进行曝光测试，Macro观察基台Mura程度有所减轻，下游模组不良发生率由7.2%降低为5.5%。

表2 设定温度为(24±0.2)℃时曝光机基台和周围空气温度

Tab.2 Temperature of exposure stage and the air around at the setting temperature of(24±0.2)℃

位置基台温度/℃ 空气温度/℃ 左上角23.924.0右上角23.924.2中心点24.024.1左下角24.124.0右下角24.024.1

选取24 ℃曝光的BM工艺完成品正常区域和基台Mura区域样品进行SEM分析BM截面形貌，结果如图6所示。曝光温度升高后，虽然BM CD差异仍然存在，但是Tape角度差异弱化，尤其与基台分区挡墙接触的基台Mura区BM Tape角增大，遮光性能提高。

图6 24 ℃曝光的BM 截面形貌。(a)正常区域；(b)Mura区域。Fig.6 BM cross section at exposure temperature of 24 ℃. (a)Normal area；(b)Abnormal area.

3.2 曝光间隙改善测试

曝光时对玻璃基板进行真空吸附，在基台分区挡墙凸起处存在玻璃弯曲，造成该区域曝光间隙较小，通过降低曝光间隙达到减弱两个区域差异的目的。针对256.6 mm(10.1 in)产品，将BM曝光间隙由175 μm降低为150 μm，Macro确认基台Mura程度减轻，下游模组不良发生率由5.5%降低为1.4%，改善效果明显。选取曝光间隙 150 μm的BM工艺完成品正常区域和基台Mura区域样品进行SEM分析BM截面形貌，结果如图7所示。

图7 曝光间隙为150 μm时的BM 截面形貌。(a)正常区域；(b)Mura区域。Fig.7 BM cross section at exposure gap of 150 μm.(a)Normal area；(b)Abnormal area.

曝光间隙降低后，BM 坡度角形状变化为圆滑的弧形，坡度角变小，正常区和基台Mura区BM CD差异缩小为0.2 μm，改善有效。

3.3 BM膜厚改善测试

基台Mura被人眼发现，根源上是两个区域透光性存在差异，既然不能通过BM CD调整二者差距，可以考虑从BM膜厚入手进行改善。256.6 mm(10.1 in)产品量产使用BM膜厚为1.2 μm，分别制作1.1 μm和1.3 μm膜厚产品，在CF Macro上进行检测，发现BM膜厚降低为1.1 μm时，基台Mura程度进一步减轻。选取曝光间隙 150 μm、膜厚1.1 μm的BM工艺完成品正常区域和Stage Mura区域样品进行SEM分析BM截面形貌，结果如图8所示，BM CD差异为0.2 μm，坡度角差异为4°。

图8 膜厚为1.1 μm时的BM 截面形貌。(a)正常区域；(b)Mura区域。Fig.8 BM cross section of 1.1 μm thickness.(a)Normal area;(b)Abnormal area.

将膜厚为1.1 μm的测试品制作成模组成品进行光学测试评价，结果如表3所示，满足产品规格要求，导入量产。上述3项改善措施全部导入后，基台Mura不良发生率降低为0.6%。

表3 BM 膜厚1.1 μm产品光学评价结果Tab.3 Optical assess results of BM 1.1 μm thick products

4 结 论

本文通过对基台Mura相关特性数据(BM CD、膜厚、坡度角)测量分析，发现基台Mura显现的原因为BM CD和坡度角存在差异，并对差异形成原因进行分析，推测为：①玻璃基板与基台分区挡墙结构接触区域(即双波浪线区域)和其他与空气接触区域(即无不良区域)存在温度差异，曝光反应程度不同，导致BM 微观形貌存在差异；②玻璃基板在曝光机基台上局部区域发生弯曲，曝光间隙变小，致使BM 光刻胶受光区域变小，由于CF使用负性光刻胶，故显影后BM CD会偏小。针对上述因素，进行了曝光温度和曝光间隙的优化测试，通过将曝光温度由23 ℃提高为24 ℃和曝光间隙由175 μm降低为150 μm，基台Mura模组发生率由7.2%降低为1.4%。进一步，通过BM膜厚减薄来弱化正常区和Mura区透过率差异，最终使基台Mura不良模组段不良生率降至0.6%。