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1、第十章CELL工序10.1定向工序10.1.1定向工序的目的 液晶分子本身有彼此相互平行排列的趋势，但是在畴与畴之间它们的取向却不尽相同。在注入液晶盒以后，只有在玻璃内表面经过了一定的表面处理之后，盒内的液晶分子才会形成取向一致的畴，或者有了统一的取向，或者有了不统一的设计取向。表面取向层的第二个作用是使注入的液晶分子在衬底的表面处有一定的预倾角度。在扭曲液晶显示中，预倾角大约在1度，它的作用是防止在外电场的作用下液晶分子向两个相反的方向发生偏转，即所谓的反倾斜。在超扭曲液晶显示中，它的作用还包括防止带状畴的发生。预倾角的大小与扭曲角度的大小有关，可以为28度，甚至10度以上。一般扭曲角度越大
2、，预倾角也越大。实际上在不同的液晶显示方式要求有不同的表面取向处理方法。10.1.2定向工艺的基本原理 TFT定向工艺根据主要功能，通常分为两个部：PI成膜和摩擦两部分。PI成膜部分主要目的是在CF或者TFT玻璃基板之上均匀的形成一层特定图案的PI膜；而摩擦部分功能则在于，使得这一层PI膜具有统一的取向和预倾角。这每部分都有更细的功能划分，如下图所示：定向工序PI成膜摩擦PI前清洗PI印刷PI预固化PI主固化干式超声波清洗旋转对位摩擦10.1.3定向的设备构成和主要性能指标根据以上的基本介绍，在本节内容中我们将对每个功能块的设备分别介绍。10.1.3.1 PI前清洗PI前清洗的作用就是对需要印
3、刷的基板进行事先的清洗，以保证在印刷时的良好效果和高的良品率。清洗前的基板上的污染物，主要来自于ITO膜层、TFT阵列等制备工艺过程，以及玻璃基板的搬运、包装、运输、存储过程。主要的污染物有尘埃粒子、纤维、矿物油和有机油脂等油垢、氧化铝、二氧化硅等无机颗粒、制备加工过程遗留的残留物、水迹、手指印等。随着液晶显示器制备工艺的条件越来越严格，对清除玻璃基板的污染物的要求也越来越苛刻。清洗玻璃基板的目的，一是为了除去污染物避免其对液晶显示器性能造成不良的影响，另一方面也可以起到改善玻璃基板表面性能，增加其与定向工艺中使用的PI材料之间的亲和力，使得两者之间有良好的结合性，从而保证工艺制作的精度，有利
4、于产品的良率和性能。上图显示的是通常的PI前清洗设备的主要构成和工艺过程，每一个组成部分均有很重要的作用，下文将做分别介绍: 1. 刷洗 （ Roll Brush wash）刷洗的主要目的是利用刷子与玻璃基板的之间的摩擦作用来去处污垢。对于基板玻璃上的大于5m的无机物颗粒的去处效果非常好。一般用柔软耐磨的尼龙材料来制作刷洗使用的刷毛，每一根刷毛的直径一般在0.1mm以下。下图是刷洗装置的侧面示意图：在刷洗的过程中我们使用的是水基性的清洗剂，以增加清洗的效果。它一般是碱性的制剂、表面活性剂等成份组成的。2.水洗 （water cleaning）目前水洗过程中，最重要的清洗过程是水气二流体清洗。二
5、流体清洗技术是将一种高压气态流体（通常使用氮气）与一种液态流体（通常为DI水）混合后，再通过一种特殊的喷嘴-超音速喷嘴，使高压气 体与清洗液形成的液滴以超过声音在空气中的传播速度（340 米/秒）的速度喷出，当从喷嘴中喷射出的液滴喷射到运动中的被清洗物体（玻璃基板）上时，附在玻璃基板上的灰尘会被溶解剥离。此时清洗液的速度可达到1000米/秒，在被清洗物体上附着的超微小颗粒在二流体清洗液喷射时产生的冲击波作用、被清洗物体表面受到冲击时产生的振动作用、液滴沿被清洗物体表面高速喷射这三种作用的协同作用下而被去除。该清洗方法对于1m3m的细微颗粒有着极好的去处能力，并能取得对粒径在0.1um的微细颗粒
6、的去除率达到80%以上的效果。针对传统的高压水清洗方式，二流体清洗有其优势。下表列出了二者的差异点：二流体清洗HPMJ(High-Pressure Micro Jet)喷射角度8065喷射距离75mm100mm圧力工厂：常用0.3Mpa/纯水：常用0.3Mpa10Mpa空气流量67L/min（0.3Mpa时）182.5L/min（10Mpa时）流水流量0.67L/min（0.3Mpa时）1.15L/min（10Mpa时）粒子系10100m平均50m1060m平均35m流速40m/s45m/冲击力中心50mm：1910g/中心60mm：2212g/c优点1.初始成本低2.耗水量减少3.Maint
7、enance free1.少数広範囲洗浄可能缺点1.Nozzle 数量比較的多（HPMJ的1.5倍）1.维护成本高2.耗水量高3. Maintenance頻率、消耗部品有二流体清洗技术不仅具有清除微细粒子效果好的优点，而且比一般的DI水喷射清洗用水少得多。一般取得相似的清洗效果只需1/2 1/10的DI水。由于DI水较昂贵，又在清洗成本中占有很大的分量，所以采用这项节水的清洗技术可使清洗成本大大降低。3.红外线干燥（IR OVEN）IR Oven的作用很简单但也非常重要和关键，目的就是为了将经过水洗的基板玻璃完全干燥，避免水汽对后续工艺的影响。4.紫外线照射（Excimer UV）紫外线照射清
8、洗的原理是利用UV灯，在工作时发出的短波紫外线进行清洗。紫外线是具有较高的能量，而且波长越短的紫外线能量越高。当紫外线照射到污垢上时，污垢分子吸收光能会处于高能量的激发状态并可能发生分子内的化学键断裂而分解。同时紫外线会使得基板表面的接触角大大降低，这会有利于PI的印刷。下图是Excimer UV与高压汞灯的比较：Excimer UV Lamp（发光波长：172nm）优点 処理中基板的温度在40以下,不需冷却 Lamp可以瞬時/ 电力消耗为低圧水銀灯的1/3 发光波长短，所以获得的能量高缺点 Lamp的价格较高点灯中低压水银Lamp（发光波长：185,254nm）优点 Lamp的价格低缺点 処
9、理中基板的温度高，一般大于100 処理后，需要冷却过程 Lamp不能在短时间内开启5.冷却（cooling）虽然经过E-UV的玻璃基板的温度通常在40左右，但是对于PI的印刷仍然是不利的，故仍然需要冷却工艺。经过冷却工艺的处理，基板温度下降到一个合适的温度即可。冷却工艺较为简单，主要是利用CDA或者氮气进行风冷。虽然简单，但是对于CDA或者氮气、以及设备本身仍然有着较高的要求，因为此时的基板已经完成清洗，冷却工艺不可以造成二次污染。所以对于CDA或者氮气和设备的洁净度要求很高，通常设备内部的洁净度要求要达到10级。10.1.3.2 PI印刷PI印刷目的就是，在基板上的形成所需要的PI层。目前常
10、用的方式是借鉴了印刷业的印刷方式，采用柔性印刷版转印的方式印刷，柔性印刷版上为我们所需要的图形。但是液晶显示业所需要的印刷精度大大的高与印刷业。以下是常见的印刷模式的工艺过程：印刷步骤一：将PI液滴在Anilox Roll 上。Anilox Roll的表面目前常见的是陶瓷材质的，表面结构如下图所示：印刷步骤二：Scraper将Anilox Roll上的PI液整平。印刷步骤三：APR板上的圆型凸出物将Anilox Rool凹槽内PI挤压出来并带走。APR板表面放大图如下：印刷步骤四：将APR 板上PI均匀转印到基板上，提供液晶配向层。 目前常见的有两种展色方式：一是Doctor Roll，一种是
11、Scraper，下图是两者的结构比较：Scraper两者的主要区别在于，Doctor Roll能够获得比Scraper更好的展色效果，使得最终的PI膜更加均匀，但是Doctor Roll在运行过程中，PI的消耗量是Scraper方式的两倍以上。由于在大型TFT基板生产中使用Doctor Roll，PI消耗成本更高，环境影响更大。所以人们一直在努力改进Scraper的展色效果和使用寿命。目前在4.5G的TFT生产线中，使用Scraper的效果已经可以为人们所接受，成本和品质相对于Doctor Roll找到了更好的平衡点。下图是5GTFT生产线的设备图样：10.1.3.3 PI预固化&主固化PI印
12、刷完成之后，溶剂尚未挥发完，PI分子仍然是聚酰亚胺酸，尚未形成我们所需要的聚酰亚胺之聚合物。PI预固化和主固化的作用是为了挥发溶剂并形成聚酰亚胺聚合膜。预固化和主固化作用也有区别。其中预固化的作用主要在于使得溶剂均匀的挥发，而主固化的作用在于使聚酰亚胺酸完成到聚酰亚胺的转变。两者的工作温度不同，预固化通常工作在80120，而主固化温度通常在200250左右。两者的结构类似，均是以IR热板加热基板玻璃。热板表面温度均匀性很重要，直接影响固化后PI膜的均匀性，通常预固化炉热板温度的差异范围要求小于2，主固化炉热板温度的差异范围要求小于10。下图是主固化炉的结构简图：当热板的温度均匀性良好时，基板温
13、度才能够获得均匀的加热，面内的PI膜的各项特性才能趋于一致。下图面的图表是G7.5TFT生产线热板和基板温度实际的量测数据：热板表面温度分布玻璃表面温度分布从以上的数据可以看出基板的温度和热板温度的不均匀保持了高度的一致性。但是在加热过程中我们不仅仅需要保证面内温度的均匀性，同样需要保证在整个加热过程中，温度的均匀性，这样才能够获得均一特性的PI膜。下图是在温度随时间的变化数据图：10.1.3.3 摩擦工艺摩擦工艺的三个部分：USC清洗、对位、摩擦。USC清洗主要目的是利用超声波清洗机对基板上的尘埃颗粒进行去除，其原理我们就不在这里介绍了。对位的部分原理相信大家也不需要介绍了，其目的是根据视向
14、的要求，调整基板的方向。我们重点介绍摩擦部分。摩擦工艺的目的是在已经印刷并固化完成的PI膜之上，使用摩擦布进行摩擦，使得PI膜表面形成均匀的取向能力。下图是PI膜在摩擦前后在电子显微镜下的对比图：摩擦的原理非常的简单，纯属物理过程，依靠的就是摩擦布上的绒毛高速在PI上摩擦完成的。摩擦布贴敷在摩擦轮之上，并旋转到一定的角度，由电机带动高速旋转，平台载着玻璃，由摩擦轮之下经过，即完成了摩擦工艺的过程。下图是摩擦机的结构示意图：摩擦轮旋转和驱动的机构基板玻璃载玻平台已经贴敷了摩擦布的摩擦轮大家从以上的介绍可以看出，摩擦工艺原理虽然简单，但是要想在整个玻璃基板之上形成均匀的和合乎要求的摩擦效果，使困难
15、的，对整个机械设备的精度要求很高。首先平台在运行的过程中要保证绝对的匀速和平稳，任何微弱的震动就会导致不良品的产生。同样摩擦轮的转速和平稳度要求也是同样的高。不仅如此，摩擦工艺对尘埃颗粒的要求也很严格，可以想象基板玻璃之上如果存在颗粒，在摩擦的时候一定会造成PI的划伤，轻则区域性不良，重则整片报废。这也正是每片玻璃在摩擦之前必须经过USC清洗的原因。10.1.4定向工序的主要工艺参数和工艺质量评价定向工艺的参数很多，许多参数之间是相互影响并相互制约的，往往是顾此失彼，所以需要在其中找一个平衡点，来达到品质的提升和稳定。我们在此处只是介绍直接对工艺质量评价有重大意义和影响的工艺参数。10.1.4.1 清洗机的评价的标准就是清洗的效果，以量化的形式来看主要就是两个参数：粒子残留量和接触角大小。通常我们要求在经过清洗后要求基板玻璃之上残留微粒
