ITO区黑化法修复亮点理论模型及工艺参数分析

吴国东， 乔律华， 韩海滨， 王 彬， 张少芬， 聂竹华， 蔡云牧， 王贺卫

(合肥京东方显示技术有限公司，安徽 合肥 230012)

1 引 言

薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,TFT-LCD)在生产制造过程中，不良种类和现象频繁发生。其中，像素亮点缺陷在行业内的发生率约为0.5%，其对显示品质的影响已经成为行业内的共识[1]，如何针对微米级亮点缺陷进行便捷且高效的修复，减少修复带来的负面影响，是本领域技术人员研发的方向之一。

当前，针对成盒后液晶显示面板像素亮点不良的修复方法主要有焊接法、彩膜碳化法和黑色矩阵扩散法，其目的均为将像素亮点修复成暗点[2-4]。

然而，传统的激光焊接法因会产生低亮点和进行性不良而逐步被淘汰。彩膜碳化法由于激光灼烧后的红色、绿色和蓝色子像素灰度值很难达到暗点判定标准而未得到广泛应用。黑色矩阵扩散法在像素亮点修复领域应用广泛，无潜在进行性不良，修复后灰度高，遮盖效果良好，国内外已有相关的专利和研究论文，但是随着面板尺寸不断增大和黑色矩阵的比重逐步降低，其修复成功率也随之下降。

另一方面，随着对脉冲激光的深入研究和在微加工领域的广泛应用，其效率高、速度快、精度好等优势的非接触式加工模式得到了行业内的高度认可，并在工业[5-6]、农业[7]、医学[8-9]等领域展现了巨大的潜力。

其中，飞秒激光以其极高的峰值、较小的损伤阈值、高的聚焦力等特性逐步成为21世纪的研究热点之一[10]。相关研究[11-12]成功实现了在厚度为2 mm的不锈钢样件上加工直径330 μm的微孔，其超窄的脉冲宽度，使其在与材料相互作用时能够有效地降低激光作用点附近的热效应。

截至目前，液晶显示面板行业暂无利用飞秒激光修复亮点的量产实绩，同时没有公开的系统性研究论文和报道。本文研究工作首先成功地利用飞秒激光建立并通过实验验证了ITO区黑化法修复亮点的理论模型，其次对影响各个工艺参数进行详细、全面地分析，提出了囊括所有工艺参数的变量，最后以此变量为亮点不良修复成功率的提升提供了一定的理论依据。本研究为该方法后续的深入分析奠定基础，同时为飞秒激光在液晶面板相关领域的推广应用提供一定的理论依据。

2 ITO区黑化法修复模型

2.1 修复方法

飞秒激光器加工的相关研究均表明了加工过程所存在的烧蚀机制[10]。本文ITO区黑化修复法的基本理论模型为：利用特定工艺参数的飞秒激光从阵列基板的一侧，如图1(a)所示，对子像素单元的公共电极、无机绝缘层、像素电极、配向膜层进行灼烧，如图1(b)所示。最终使阵列基板正对亮点子像素部分的ITO滤光区灰度值达到暗点标准，达到遮光目的，修复前后的效果分别如图2(a)、(b)所示。

图1 子像素的修复模型示意图。(a)平面图；(b)显示区剖面图。

图2 子像素的显示区域。(a)修复前；(b)修复后。

实验样品为某款165.1 cm (65 in)ADS显示模式的液晶显示屏。其中，公共电极、像素电极分别为第一层ITO、第二层ITO，是一种N型半导体材料(n(In2O3)∶n(SnO2)=9∶1)。绝缘硅层[13](SiNx)介于公共电极和像素电极之间。像素电极上层涂布形成的配向膜[14]为有机高分子聚合物(聚酰亚胺)。

2.2 修复设备简介

飞秒激光灼烧法所使用的设备[15]主要由激光器及激光聚焦光路组成的光学系统，显示平板承载基台、控制激光聚焦光路系统移动的机械系统和修复效果软件检测单元组成的检测系统组成，如图3。

飞秒激光器为脉冲型激光器，工作时以固定频率的单个脉冲进行镭射。首先，激光器按设定频率进入光路系统，然后经轴向尺寸被加工至所需求的光斑大小，聚焦后到达加工端，最后在控制系统下使得激光束按照特定参数对亮点不良进行精确修复。

图3 修复设备结构示意图

2.3 修复效果检测

在修复完成后，设备检测单元对修复效果进行第一次检测，检测标准为：(1)像素ITO显示区的光线遮挡率≥95.0%。其次，点灯器件会对修复效果进行第二次检测，检测标准为：(2)修复后ITO区的点灯灰度值达到暗点标准，且未产生其他不良。

3 工艺影响因素分析

3.1 激光器及设备因素

半导体材料在一定脉冲宽度的飞秒激光作用下，当激光能量密度高于某个定值就会发生烧蚀[10]。本实验中，与飞秒激光相关的工艺参数包括：激光单脉冲能量E、激光频率f、脉宽t、激光焦距L，扫描速度v、加工端光斑边长a×b等，列于表1中。

以上参数中，脉宽为固定参数，由激光器自身工作物质、构造决定，焦距也为设备固定参数。

单个脉冲激光能量、激光频率、扫描速度、加工端光斑大小等4个变量均存在影响激光能量密度的可能性[16-18]。

表1 飞秒激光相关的工艺参数

3.2 常见的修复失败模式

常见的失败模式主要有两种，第一种为黑化后像素显示区的光线遮挡率低于95.0%，第二种为在点灯条件产生其他不良，如图4、图5所示。

图4 第一种修复失败模式

第一种失败模式是由于加工端激光功率密度较低，未能将ITO区烧蚀后完全黑化。

第二种失败模式是由于激光能量密度过大，导致激光透过液晶作用于彩膜侧的能量过大，见图5(a)，使其中色阻材质中的过渡金属离子(铁、铜等)发生化学反应后浸出，进而影响点灯时周边显示效果(如周边发黑等)，如图5(b)所示。

图5 第二种修复失败模式的子像素显示区(a)和点灯现象(b)

4 实 验

为验证本文建立的修复模型，制作某型号产品在修复成功前、后的样品，分析显微镜、点灯画面下的图片和现象，同时进行聚焦离子束(FIB)图片表征。

另一方面，为验证常见的两种修复失败模式，对修复失败的样品进行FIB图片分析。

为分析激光及设备工艺参数对黑化效果和修复成功率的影响，我们通过分别对与其相关的单脉冲激光单位面积的能量、激光频率、扫描速度、加工端光斑边长等4个变量进行控制变量分析实验。

实验中，单脉冲激光能量E无法直接设定或测量，本文利用加工端激光能量测量仪(Power Meter)可测得加工端时的总功率P0进行后续工艺参数换算，如图6所示。

图6 激光能量测量仪

5 结果与讨论

5.1 修复模型验证

图7(a)、(b)分别为修复前后ITO区的FIB图片。图7(a)各断面位置按从上到下的顺序分别为配向膜层，厚度为65 nm；第二层ITO，厚度均为40 nm；绝缘硅层，厚度为600 nm；第一层ITO，厚度为40 nm。各断面层紧贴在一起。综上，ITO区总厚度为0.745 μm，实际测量值和标准一致。图7(b)为修复后的ITO区的FIB图片，可看出，烧蚀后各断面的层次性已经消失，并凝结为块状，测出ITO区域总厚度约为0.73 μm，与修复前几乎相同。

图7 修复前(a)和修复后(b)子像素ITO区域的FIB图

图8 修复前(a)和修复后(b)子像素ITO区域的SEM图

图8(a)、(b)分别为修复前后ITO区的SEM图片，对比图1(a)和图8(a)，在单独背光检测条件下，烧蚀后ITO表面出现黑化的现象，这表明ITO区被飞秒激光烧蚀后黑化，达到遮光的目的。

图9(a)、(b)分别为子像素修复前、后的彩膜侧基板侧的FIB图片，各断面位置按从上到下的顺序分别为配向膜层、OC保护层、彩膜色阻层和玻璃基板。由图片可知，修复前后各断面均未发生变化，同时未产生热裂纹，表明其未受烧蚀影响。

图9 修复前(a)和修复后(b)子像素彩膜基板侧显示区域的FIB图

值得注意的是，为排除配向膜聚酰亚胺中碳元素对验证修复模型的影响，选择一组未进行配向膜工序的阵列基板开展ITO区激光烧蚀实验，实验结果表明，ITO区仍被烧蚀并凝结为黑色块状化合物。

结合相关ITO靶材黑化物的研究[19]，当ITO区主要成分In2O3、SnO2被部分还原并转变成黑色亚氧态InO、SnO时，ITO表面会呈现黑色。

综上，本文所建立的修复模型为阵列基板中第一层ITO、第二层ITO和绝缘硅层在激光烧蚀后凝结为黑色混合物，同时配向膜被碳化，最终使得阵列基板ITO区被黑化并形成暗点的目的。

5.2 修复失败模式验证

为验证前文所述的两种常见失败模式，对修复失败的样品进行FIB图片分析。

第一种失败模式为ITO区烧蚀后未黑化完全，导致像素显示区的光线遮挡率低于95.0%。其FIB图片如图(10)所示。由图可知，修复后的ITO区仅第一层ITO和部分绝缘硅层被激光烧蚀凝结，部分区域的层次性依然存在，这表明激光能量未能使子像素的ITO区完全凝结并黑化，导致黑化效果较差。

图10 修复后子像素ITO区域的FIB图片

第二种修复模式为激光透过液晶作用于彩膜侧的能量过大，使其中色阻材质中的过渡金属离子发生化学反应后浸出，影响周边显示效果。其FIB图片如图(11)所示。对比图9(a)可知，彩膜基板中配向膜和保护层均被透过液晶的高能量激光碳化，同时彩膜层上方凹凸不齐，这表明激光已经作用于彩膜层。这就是第二种修复失败模式。

图11 修复后子像素彩膜基板侧显示区域的FIB图片

5.3 激光器及设备因素影响

当飞秒激光以单脉冲能量E0，激光频率f0，扫描速度v0，加工光斑大小a×b加工时，测得加工端时的总功率P0，计算单位面积上接受到的激光总能量w如下。

首先，单个激光脉冲到达工作面后的能量为

(1)

那么，单个激光脉冲到达工作面后对单位面积上施加的能量e:

(2)

其次，以速度v0进行扫描时，相邻两个光斑的距离d为

(3)

再次，激光对单个加工光斑尺寸面积上施加了n次脉冲:

(4)

最后得到w:

.

(5)

相关研究[17]对e计算时，默认是在最大光斑面积下的单脉冲能量：

.

(6)

本实验中，为探究光斑大小(a×b)下e的均匀性，设置f= 125 kHz，a=b，固定衰减器ATT，在不同光斑a∈(1 μm，30 μm)条件下得到实时测量的P值，最后根据公式(1)计算e，实验结果见表2和图12。

表2 激光总功率P、单脉冲激光单位面积能量e分别和加工光斑大小a的关系

图12 激光总功率P、单脉冲激光单位面积能量e分别与加工光斑大小a的关系。

结果表明，随着加工光斑持续增大，激光总功率P也逐渐增大，但是单脉冲激光单位面积能量e呈曲线对应关系，这表明在聚焦系统下不同光斑下的能量密度e均匀性较差，不适用于公式(6)。值得注意的是，在a∈(4.0，10.0) μm时，能量密度e分布均匀性较好，为(2.7±0.1) mJ/mm2。

实验中，由于E无法直接设定和测量，我们根据公式(1)、(2)将单脉冲能量E通过衰减器调节P转换为e进行换算。

首先，通过4轮实验，每轮实验只改变1个参数，另外3个参数固定，每轮8～10组，对每组参数进行5次烧蚀测试，然后利用图像检测软件对5次黑化效果进行检测，得出每张照片光线遮挡率的值，最后算得平均值。同时，为避免光斑长边过长或短边过短对光斑内能量密度e分布均匀性的影响，设置a=b∈(4.0，10.0)μm。综上，可分别探究e、f、v、a四个参数对黑化效果影响，并根据公式计算e、w，实验条件见表3。

表3 第1～4轮实验条件以实验结果

续 表

图13 遮光率与单脉冲激光单位面积能量的关系

图14 遮光率与激光频率的关系

图15 遮光率与光斑大小的关系

图16 遮光率与扫描速度的关系

第1 ～ 4轮结果如图13～16所示，4个参数在烧蚀中均存在一个最优区间，即在满足遮光效果的前提下未产生其他不良，在固定其他参数时，其最优区间分别为e∈(1.9，4.6) mJ/mm2，f∈(180，455) kHz，v∈(100，150) μm/s和a∈(5.00，10.0) μm。

此外，结合公式(5)和第1～4轮实验结果发现，w在4轮实验中的最优区间存在一个交集，这表明黑化效果可能与w存在某种关系。

为研究该推测，开展下列实验。将w设定为交集区间内、外的某些定值，然后采用不同的e、f、v、a组合，其中a=b∈(4.0，10.0) μm，以验证相同w值条件下，黑化效果的一致性，如表4所示。

需要说明的是，当e低于1.0 mJ/mm2时，调节其他参数时，黑化效果都相对较差[10，17]。这可能是由于低能量脉冲激光的简单叠加不能满足于ITO区半导体瞬间烧蚀机制的需求[20]。基于此，下列实验中，e都设置在1.0 mJ/mm2以上。

表4 第5～10轮实验条件以及实验结果

续 表

图17 遮光率与w之间的关系

从第5～8轮实验可以看出，在固定w值的条件下，除去测量误差及设备状态稳定性对实验的影响，表征黑化效果的遮光率值波动较小。这样，w数值大小能够与黑化效果相对应，可以表征黑化效果。

对图17中数据进行简单拟合，得出w值与遮光率y的关系大致如下：

y=2×10-12w3-6×10-8w2+5×10-4w-0.47

.

(7)

当w≤3 000时，黑化效果未达暗点标准；当4 250≤w≤12 500时，黑化效果达到暗点标准，此时遮光率均大于95%，且未产生其他不良；当w≥14 000时，遮光率虽然都大于95%，但会产生其他不良。即对于某款165.1 cm(65 in)的ADS显示模式的产品，当4 250≤w≤12 500时，飞秒激光可以很好地实现ITO区黑化。

值得注意的是，在w≤2 000时，ITO区黑化效果几乎忽略不计，遮光率<3.0%。对于飞秒激光ITO区黑化烧蚀机制和工艺参数深层次影响的原理分析，目前实验条件下还无法进行探究。现阶段本研究工作的意义在于，通过文中建立的理论模型，结合工艺参数的拟合分析，得到w与黑化后遮光率的关系，为量产中飞秒激光的工艺参数设置和优化提供参考。

6 结 论

本文基于飞秒激光烧蚀机制开展了ITO区黑化法修复亮点理论模型和工艺参数的相关研究，结合实验结果，得出以下结论：

(1)成功建立并通过实验验证了ITO区黑化法修复理论模型在液晶显示面板修复亮点领域的可行性，满足量产信赖性。

(2)飞秒激光工艺参数中，单脉冲激光单位面积能量e、激光频率f、扫描速度v和加工端光斑大小a等4个参数都会影响黑化效果，本文提出的整合型w值能很好地对应飞秒激光烧蚀后的黑化效果，在实际量产中可以指导工艺参数的设置。

(3)对于某款165.1 cm(65 in) ADS显示模式的产品，当单脉冲激光单位面积上的能量e为1.0 mJ/mm2，a=b∈(4，10) μm，w∈(4 250，12 500)时，黑化后遮光率均大于95%且未产生其他不良，量产修复成功率高达95.5%。