MVA模式TFT-LCD用彩色滤光片制程解析

文章编号：1006-6268(2009)03-0028-06

摘 要：彩色滤光片简称为CF，是TFT-LCD面板最主要的部件之一，其成本约占面板材料总成本的15%～30%。彩色滤光片的主要制程有BM的制作、RGB的制作、PS的制作、MVA体的制作。

关键词：广视角；彩色滤光片；衬垫；黑矩阵；光阻

中图分类号：TN141.9 文献标识码：B

The Process Analysis of MVA Mode TFT-LCD Color Filter

FEI Min-quan1，FEI Yue2

(1.IRICO Group Company ShanXi Xian Yang 712021,China；2.The PDP R&D Center at Beijing of Century Double Rainbow in Sichuan BeiJing 100084,China)

Abstract: The CF is Color filter shortened form, it is the uppermost among parts of TFT-LCD panel, cost is 15%～30% of whole panel material cost. The mostly process of CF consist of BM、RGB、PS and MVA facture.

Keywords: MVA；CF；PS；BM ；photo-resist

1 彩色滤光片的作用

TFT-LCD是一种被动发光显示器件，只有在背光模块的照射下，TFT-LCD才能正常显示图像，而TFT-LCD的彩色化则是由彩色滤光片来实现的。

通过改变施加于液晶面板的电压，使液晶分子的排列发生变化，产生类似于光阀的效应，从而控制背光模块光线的透过量，产生相应的黑白画面。若要显示彩色，则需要通过R、G、B三种颜色的光线进行空间合成，彩色滤光片就是通过R、G、B三种滤光层的作用来产生R、G、B三种颜色的组件。

2 MVA模式TFT-LCD彩色滤光片的结构

2.1 MVA模式CF结构

MVA模式的CF主要由玻璃基板、黑矩阵（BM）膜、彩色（RGB）膜、保护膜（OC）、透明导电（ITO）膜、衬垫（PS）、MVA体7部分组成。各部分的作用如下：

⑴玻璃基板：彩色滤光片的载体，通常TFT-LCD面板制造商均要求CF和TFT使用相同材质的玻璃基板，以获取相同的膨胀系数；

⑵黑色矩阵(BM)：BM膜层可防止像素间的漏光，并可增加色彩的对比度；

⑶彩色滤光（RGB）层：以彩色光阻为材料的滤光膜层，是CF产生RGB彩色光的主要膜层；

⑷保护膜（OC）层：主要是保护彩色滤光层以及增加表面的平滑性，此外兼具黑色矩阵与透明电极层间的绝缘材料，并起隔离液晶与防止污染等作用。

⑸ITO透明导电膜：CF的ITO电极与液晶Pattern电极构成正负极以驱动液晶分子旋转，透明电极因具备导电性与透光性，因此品质上要求其低电阻值及高透光率；

⑹衬垫（PS）：PS主要用来支撑CF基板和Array基板，确保它们之间的间隙均匀，提高CELL成盒的良率；

⑺MVA体：MVA凸起物用来使每个子像素均形成4畴取向，以此来产生宽视角。

3 MVA模式CF的工艺制程

目前，MVA模式的CF广泛采用光刻型颜料分散工艺制作。

3.1 光刻型颜料分散法制程工艺流程框图

3.2 工艺步骤及要求

光刻型颜料分散法各主要工艺均需经过涂胶、前烘、曝光、显影、后烘5个步骤来完成。

⑴涂胶：这是色胶的成膜过程，涂胶时角膜必须均匀，且无灰尘、杂质等污染物。涂胶的方法很多，但高世代面板一般采用刮涂的方式。

⑵前烘：主要目的是去除胶膜中的溶剂，通常采用热板或热风循环对流式烘箱，要求各烘培点的温度偏差要小。前烘温度与溶剂的沸点、光刻胶的种类及胶膜的厚度有关。当溶剂的沸点在130℃～180℃时，前烘温度应为100℃～110℃。

⑶曝光：使用高压汞灯，透过掩模板，照射光刻胶，使受到光照的部分发生光化学反应，经显影后形成与掩模板相同的光刻图形。

⑷显影：把经过曝光的基片放在特定的显影液中，显影液按照正性或负性光刻胶的特性，与曝光后或未曝光的光刻胶进行反应，溶解需要去除的部分，从而形成所需的图形。

⑸后烘：又称坚膜。将显影并漂洗之后的基片在大约250℃的温度下进行固化处理，目的是去除残留溶剂和水分，使胶膜更致密坚硬，提高胶膜与基片之间的附着力。

3.3 主要工艺解析

⑴BM制程解析

BM制程是CF制程中的关键，BM阵列制作的好坏，将直接影响着CF的质量和良率，因此，该制程在CF制程中是重中之重。

①树脂型BM制程框图

②树脂型BM制程工艺

刷洗：在0.6~0.7mm厚的素玻璃基板上下各有一组高速旋转、压入量为20μm的毛刷，基板上下对称分布着压力为0.2MPa的碱性清洗液雾状喷头，以洗净油性及难以清除的污染物。

纯水清洗：在基板上下对称分布着雾状喷嘴，分别向基板两面喷射压力为0.2MPa的常温纯水，以清除基板上残留的碱液及小异物。

二流清洗：将压力为0.4MPa的空气与压力为0.3MPa的23℃纯水混合，分别在基板上下以0.3MPa的压力，使用雾状喷嘴喷射清洗。以清除基板表面的粒子。

风刀干燥：风刀上下对称，与传送方向的夹角为45°，净化空气压力为0.5MPa。用于去除基板上的水分。

吹离子风：基板上下各有一组吹风装置向基板吹离子风，用于除静电，防止吸附尘埃。

UV照射：基板上下各有一组紫外线灯同时照射基板，分解并去除基板上的有机物。

预烘烤：先用加热板将基板加热到120℃，烘干基板上的水分，再用冷却板将其冷却到23℃备用。

光阻涂敷：采用Slit方式，在23℃的室温下，以130mm/s的速度将粘度2.6±0.5mPa.s的光阻涂敷到玻璃基板上，涂层厚度为15μm左右。

减压干燥：在压力为20Pa的环境中，将涂敷过的基板保持76s，然后充氮气，可以防止膜质起泡，使干燥均匀。

前烘烤：先用加热板将基板加热到120℃，烘干基板上的水分，再用冷却板将其冷却到23℃备用。

曝光：曝光能量93mJ，照度37mW/cm2，时间3s，Mask与基板的间隙220mm，Mask板为石英玻璃，厚度为10mm。

标记制作：在基板的有效显示区外曝光，标记基板信息，包括部分对位标识。

显影：用喷嘴向基板的曝光面喷射压力为0.4MPa、液温为25℃、流量为450Nl/min、浓度为1%的KOH显影液60s时间。基板倾斜5°，与上下摇动的喷嘴成75°夹角，移动速度为2,270mm/min。显影后，去除了未曝光部分的光阻，留下了曝过光的BM图案。

纯水清洗：为了去除基板上残留的显影液，用与基板成75°的雾状喷嘴喷射压力为0.2MPa的23℃纯水进行清洗。

风刀干燥：风刀传送方向成45°夹角，净化空气压力为0.5MPa，用于去除基板上的水分。

光学检查：AOI为在线自动光学检查，可记录每块基板的信息，按既定规格，对工艺缺陷进行判定和分类。

后烘烤：在230℃的环境中，烘烤基板1,800s，用以坚膜。

冷却：在室温环境中，将制作好BM的基板冷却300s备用。

⑵RGB彩膜制程解析

①RGB彩膜制程框图

图3 BM制程框图

②RGB彩膜制程工艺

UV照射：分解、去除投入的良品BM基板表面的有机物。

刷洗：用纯水无接触的刷洗BM表面，清除难以清洗的残留粒子，刷子离开BM图案表面的距离为700±200μm，主要靠水流清洗。

纯水清洗：雾状喷头由上向下喷射0.2MPa压力的常温纯水，清洗刷洗掉的异物。

二流清洗：用压力为0.25MPa的空气与压力为0.3MPa的23℃纯水，喷淋清洗BM基板。

风刀干燥：风刀与传送带成45°夹角，净化空气压力为0.5MPa，去除水分。

吹离子风：压力现场调整，消除静电。

前烘：先用120℃的烘箱，烘烤BM基板50s，然后用20s的时间将其冷却到23℃，用以烘干水分。

涂敷光阻：用Slit方式、以130mm/s的速度、涂敷膜厚20μm的彩色光阻（R、G、B相同），Slit喷嘴到基板的距离为130μm。

减压干燥：对大气压下的干燥箱抽真空，到箱中压力为20Pa时，保持76s，然后充氮气至大气压态。可以去除光阻上的溶剂，起干燥作用。

后烘：用加热板将烘箱温度升至90℃，保持100s，然后用冷却板将箱内温度降至23℃，保持20s，可将光阻膜上的水分充分烘干。

曝光：曝光功率为13.3kW、照度为33.3 mW/cm2、曝光量为84.8mJ、照射光阻时间3s。Mask为石英玻璃材质，厚度为10mm。

显影：用前后摇动、喷射角度为75°的喷嘴喷射浓度为2%左右的KOH显影液，基板倾斜5°，基板移动速度为6，800mm/min。显影液温度为25℃，压力为0.1MPa，流量为450Nl/min，显影时间为60s，留下曝光部分的图形。

纯水清洗：采用25℃温度、0.1MPa压力的纯水喷淋清洗基板。

风刀干燥：用与输送带成45°夹角，压力为0.5MPa的风刀，吹干基板上的水分。

光学检查：用在线的AOI设备，检测基板缺陷，记录基板信息，进行缺陷分类。

固化烘烤：用230℃的温度，烘烤基板1,800s，使彩膜更坚固。

自然冷却：固化烘烤后，自然冷却300s。

由于需要RGB三种彩膜，所以待基板冷却后，再重复两次以上工艺，完成其它两种颜色彩膜的制作。

通常，在彩膜制作完成后，应该有一层OC保护膜的制程，但在高世代的CF制程中，有的已经完全取消了该制程，有的则用溅镀一层300Å的硅来替代保护层。

⑶ITO制程解析

①ITO制程框图

②ITO制程工艺

UV照射：分解、去除投入的良品CF基板表面的有机物。

纯水清洗：雾状喷头由上向下喷射0.2MPa压力的常温纯水，清除CF基板上的异物。

二流清洗：用压力为0.4MPa的空气与压力为0.3MPa的23℃纯水，喷淋清洗CF基板上的粒子。

风刀干燥：风刀与传送带成45°夹角，净化空气压力为0.5MPa，去除水分。

吹离子风：消除静电。

硅层溅射：为了防止ITO溅射的高温对彩膜层的影响，有的厂家在ITO溅射前先溅射一层300Å厚的硅作为隔热保护层，有的厂家不溅射，这与材料有关。

第1次ITO镀膜：在真空度

第2次ITO镀膜：在真空度

冷却：对ITO镀膜后的基板进行自然冷却。使之达到膜厚1,500Å，表面方阻小于130Ω/口，透过率大于90％。

⑷MVA制程解析

①MVA制程框图

②MVA制程工艺

UV照射：分解、去除投入的ITO镀膜后良品基板表面的有机物。

纯水刷洗：用纯水无接触的刷洗ITO表面，清除难以清洗的残留粒子，刷子离开ITO膜表面的距离为700±200μm，纯水压力为0.2MPa，主要靠纯水水流清洗。

纯水清洗：雾状喷头由上向下喷射0.2MPa压力的常温纯水，清除掉刷洗所刷掉的异物和粒子。

二流清洗：用压力为0.4MPa的空气与压力为0.3MPa的23℃纯水，喷淋清洗ITO后基板表面上的粒子。

风刀干燥：风刀与传送带成45°夹角，净化空气压力为0.5MPa，去除水分。

吹离子风：消除静电。

前烘：先用在120℃的环境中，烘烤ITO镀膜后的基板50s，然后用20s的时间将其冷却到23℃，目的是烘干水分。

MVA光阻涂敷：用Slit方法涂敷MVA光阻，Slit速度为130mm/s，涂敷的膜厚为20μm，涂敷喷嘴到基板ITO膜表面的距离为130μm左右。

减压干燥：在压力为20pa的环境中，将涂敷过的基板保持76s，然后充氮气，可以防止膜质起泡，使膜质干燥均匀。

后烘：在90℃的环境中，将基板保持100s，然后在23℃的环境中将基板保持20s，可将光阻膜质上的水分充分烘干。

曝光：曝光功率为13.3kW、照度为33.3 mW/cm2、曝光量为84.8mJ、照射光阻时间3s。Mask为石英玻璃材质，厚度为10mm。

显影：用前后摇动、喷射角度为75°的喷嘴喷射浓度为2%左右的KOH显影液，基板倾斜5°，基板移动速度为2,276mm/min。显影液温度为25℃，压力为0.4MPa，流量为450Nl/min，显影时间为60s。显影后将未曝光的胶体洗掉，留下曝光部分的图形。

纯水清洗：雾状喷头喷射0.1MPa压力的25℃纯水，清除残留的显影液。

风刀干燥：风刀与传送带成45°夹角，净化空气压力为0.5MPa，去除水分。

光学检查：用AOI在线光学检测、记录基板信息，按规格对工艺缺陷进行判定和分类。

再烘：为了坚固MVA膜质，在230℃的环境中，烘烤基板1,800s。

冷却：在室温环境中，将制作好MVA的基板冷却300s备用。

⑸PS制程解析

①PS制程框图

②PS制程工艺

UV照射：分解、去除投入的MVA后良品基板表面的有机物。

纯水刷洗：用纯水无接触的刷洗ITO表面，清除难以清洗的残留粒子，刷子离开ITO膜表面的距离为700±200μm，纯水压力为0.2MPa，主要靠纯水水流清洗。

纯水清洗：雾状喷头由上向下喷射0.2MPa压力的常温纯水，清除掉刷洗所刷掉的异物和粒子。

二流清洗：用压力为0.4MPa的空气与压力为0.3MPa的23℃纯水混合，喷淋清洗ITO后基板表面的粒子。

风刀干燥：风刀与传送带成45°夹角，净化空气压力为0.5MPa。

吹离子风：消除静电。

前烘：先用在120℃的环境中，烘烤ITO镀膜后的基板50s，然后用20s的时间将其冷却到23℃，烘干水分。

PS光阻涂敷：用Slit方法涂敷PS光阻，Slit速度为105mm/s，涂敷的膜厚为19.7μm，涂敷喷嘴到基板ITO膜表面的距离为130μm左右。（最终的PS高度为3μm左右）

减压干燥：在压力为20Pa的环境中，将涂敷过的基板保持76s，然后充氮气，可以防止膜质起泡，使膜质干燥均匀。

后烘：在90℃的环境中，将基板保持100秒钟，然后在23℃的环境中将基板保持20s，可将光阻膜质上的水分充分烘干。

曝光：曝光照度为36.3mW/cm2、曝光量为120mJ、照射光阻时间4s。Mask为石英玻璃材质，厚度为10mm。

显影：用前后摇动、喷射角度为75°的喷嘴喷射浓度为2%左右的KOH显影液，基板倾斜5°，基板移动速度为2276mm/min。显影液温度为25℃，压力为0.4MPa，流量为450Nl/min，显影时间为62秒。显影后将未曝光的胶体洗掉，留下曝光部分的图形。

纯水清洗：雾状喷头喷射0.1MPa压力的25℃纯水，清除残留的显影液。

风刀干燥：风刀与传送带成45°夹角，净化空气压力为0.5MPa，去除水分。

光学检查：用AOI在线光学检测、记录基板信息，按规格对工艺缺陷进行判定和分类。

再烘：为了坚固MVA膜质，在230℃的环境中，烘烤基板1，800s。

冷却：在室温环境中，将制作好MVA的基板冷却300s。

4 结束语

MVA模式TFT-LCD用CF的实际制程很复杂，每条生产线的工艺条件各不相同，因此所使用的材料、设备功能都不一样，只有在具体的生产线上才能深入了解。

参考文献

[1]高鸿锦，董友梅著.液晶与平板显示技术[M].北京：.北京邮电大学出版社，2007.

[2]张方辉.《TFT-LCD制造工艺》培训资料[R].

作者简介：费民权（1956-），山西运城人，教授级高级工程师，毕业于南京理工大学，主要从事TFT-LCD各段工艺制程的研究，E-mail：.cn。