Transcript 配向膜沉積技術

平面顯示器製程技術
助理教授 陳松德
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配向技術之探討
簡介
配向膜的特性介紹
配向膜上的液晶排列研究
配向膜材料未來的發展趨勢
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液晶顯示器的基本原理
未偏極化的光
偏光板
導電玻璃
液晶層
導電玻璃
配向膜
配向膜
彩色濾光片
偏光板
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液晶面板製造流程
4
電場下的液晶動作
5
液晶與配向膜的關係
6
液晶與配向膜的關係
Parallel alignment of liquid crystals
Twisted alignment of liquid crystals
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液晶與配向膜的關係
8
配向膜與液晶機制
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配向膜與液晶的關係
配向膜：具有直條狀刮痕的薄膜，引導液晶
分子排列方向。
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配向膜刷磨與配向
磨刷轉輪
配向膜
ITO膜
玻璃基板
刷磨移動方向
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配向膜刷磨原理
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配向膜刷磨目的
液晶分子朝一致方向排列
(均勻的顯示效果)
獲得預傾角(Pre-tilt angle)
(驅動方向與速度)
擁有錨定能(Anchoring energy)
(顯示器之穩定度)
良好的電性(VHR & R-DC)
(液晶反應速度)
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配向膜刷磨方向與預傾角關係
磨刷方向
PI層
溝槽
液晶分子
預傾角
PI層
磨刷方向
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預傾角存在的必要性
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錨定能意義
配向膜與液晶分子邊界間的
力量即所謂「錨定能」
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配向膜基本性能要求
項
目
成膜性
機械特性
配向特性
電氣特性
其它特性
性 能 要 求
必須獲得均勻的膜厚
不產生摩擦筋條，不產生配向膜的切削
對液晶分子的預傾角具有良好的控制性，
受環境變化影響小
不產生殘像、電壓保持率高、頻率特性
良好、不產生靜電破壞
與液晶無任何化學作用、與玻璃有良好
的結合力、容易塗佈，不產生針孔、對
水不敏感、最好具有較低的固化溫度和
良好的透明性
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配向材料選用
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常見之聚合物配向膜類型
種 類
聚醯胺酸型
(Polyamic
Acid)
方 式
塗佈後進行
加熱處理，
使其Imide
化
聚亞醯胺型 塗佈後進行
(Polyimide) 之熱處理，
主要為去除
溶劑(本身已
Imide化)
優 點
缺 點
薄膜特性受
印刷性佳
材料選擇自 Imidization
程度影響
由度大
附著力佳
可在低溫成
膜
固化時特性
安定
印刷性較差
材料選擇自由
度較低
附著力較低
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配向膜沉積與刷磨(Rubbing)製程
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配向膜沉積技術
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配向膜沉積生產流程
玻璃基板載入
配向膜塗佈
500100 Å
配向膜軟烤
基板清潔
玻璃基板清潔
X,Y:≤ 50 μm
Coating good
配向膜刷磨
配向膜固化
重作程序
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配向膜沉積技術
旋轉塗佈 (Spin on) －中、小尺寸
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配向膜沉積技術
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配向膜沉積技術
旋轉塗佈 (Spin on) －中、小尺寸
旋塗式沈積法是薄膜材料的單體物質(Monomer)
溶解於特定的有機化學溶劑(Solvent)中，以形成
化學溶液(Chemical Solution)後，再將此溶液
滴到旋塗機(Spin-Coater)內的基材上，並利用
旋塗機加速旋轉時所產生的離心力，將溶液均勻
散佈在整個基材的表面，以完成薄膜塗佈的動作。
接著進行一系列烘烤步驟驅離薄膜中的溶劑，並
使單體產生的相互交鏈反應(Cross-Linking)，
以增強低薄膜的物理或化學特性。
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配向膜沉積技術
狹縫與旋轉塗佈 (Slit & Spin on) －中、大
尺寸
隨著生產設備之大型化，其硬體的限制和設計的
難度以及面板品質要求之提升，尤其在塗佈均勻
性的要求方面更加的嚴格，將使得塗佈設備商面
臨更大的挑戰。為了因應這些需求，液晶顯示器
塗 佈 機 的 發 展 也 由 最 初 的 旋 轉 式 塗 佈 機 (Spin
Coater)，進而發展為狹縫與旋轉式塗佈機(Slit
& Spin Coater)，再發展為目前主流使用於第五
世代玻璃基板以上的狹縫式塗佈機(Slit Coater)。
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配向膜沉積技術
狹縫與旋轉塗佈 (Slit & Spin on) －中、大
尺寸
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配向膜沉積技術
 狹縫與旋轉塗佈 (Slit & Spin on) －中、大尺寸
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配向膜沉積技術
狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) － 大尺寸
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配向膜沉積技術
 狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) － 大尺寸
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配向膜沉積技術
 狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) － 大尺寸
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配向膜沉積技術
 狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) － 大尺寸
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配向膜沉積技術
狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) － 大尺寸
印刷製程
a: printing table, b: LCD glass plate, c: dispenser, d: doctor blade, e: anilox role,
f: resin letterpress, g: printing role
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配向膜沉積技術
 印刷式
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柔性凸版(Flexographic)印刷製程
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Flexographic印刷製程
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配向膜旋轉塗佈製程
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旋轉塗佈製程
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旋轉塗佈製程
 旋轉塗佈(Spin coating)
步驟一
 於~500 rpm滴注溶液若干秒
步驟二
 在~2000 rpm旋轉若干秒
 旋轉時間則視視溶劑之黏滯性
而定
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旋轉塗佈製程
 旋轉塗佈薄膜製程特性
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旋轉塗佈製程
 旋轉塗佈薄膜製程特性
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旋轉塗佈製程
 旋轉塗佈薄膜製程特性
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旋轉塗佈製程
 旋轉塗佈薄膜製程特性
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桌上型旋轉塗佈機
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配向膜沉積生產線
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配向膜沉積技術
旋轉塗佈 (Spin on)
Z
Dispenser nozzle
PI flow
Glass
Y
X
q
Nozzle position can be adjusted in four
directions.
Stainless
steel bowl
Vacuum chuck
Air flow
Air flow
Exhaust
Spin motor
Vacuum
Drain
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配向膜沉積技術
旋轉塗佈 (Spin on) －中、小尺寸
烘箱
Resist
熱板
旋轉塗佈(Spin coat)
軟烤 (Soft bake)
固化(Curing)
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配向膜沉積技術
 旋轉塗佈 (Spin on) －中、小尺寸
注入器
旋塗流程
 玻璃基板確實置於真空吸盤座
(Vacuum chuck)
 滴注 ~4 ml的 PI溶液
 低轉速 ~ 500 rpm/ 30 sec
 高轉速 ~ 2000 to 4000 rpm/
1-2 min
 薄膜品質
 旋塗時間
 旋塗速度
 薄膜厚度
 薄膜均勻性
 微粒污染與缺陷
真空吸盤座
至真空幫浦
與馬達連接
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配向膜沉積技術
 旋轉塗佈 (Spin on) －中、小尺寸
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配向膜沉積技術
 旋轉塗佈 (Spin on)
軟烤(Softbake)
 提高與基材附著性
 提高薄膜均勻性
 移除配向膜原料之溶劑
 典型烘烤溫度為 90~200°C
Chamber cover
 於 Hot Plate烘烤3~20分
鐘
 置於 Cold Plate進行冷卻
Substrate
Hot plate
Exhaust
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配向膜沉積技術
 旋轉塗佈 (Spin on)
固化(Curing)
 穩定化PI薄膜
 移除殘留溶劑
 固化溫度與時間需依原廠
配向膜特性設定
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典型配向膜固化溫度
一般分兩段curing
1250C/30 minutes
2500C-3500/90 minutes
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低固化溫度配向膜材料
低固化溫度
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配向膜配向製程
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配向膜之配向技術
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量產型刷磨機台
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配向膜之刷磨機台
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量產型刷磨機台
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量產型刷磨機台
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量產型刷磨機台
 尺寸 : 300 × 300mm
 速度 : 5 ~ 130mm/sec
 行程 : 680mm
 刷磨角度 : 0 ~ + 180 °
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量產型刷磨機台
 Uniform production, improved
quality of alignment layers.
 Programmable rubbing cycle.
 Upgradable with automatic
substrate loader.
 Detection of defective rubbing
cloth
 Substrate size (diagonal): 356
mm (14") or higher
 Rotary table : 360°
 Adjustable rotation speed: 50 1000 rpm
 Rubbing torque: peak
monitored
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量產型刷磨機台
刷磨機台於動作狀態
未放置玻璃基板
,刷輪則尚未下降
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量產型刷磨機台
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量產型刷磨流程
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配向刷磨機制
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配向膜刷磨機制
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配向膜預傾角
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基板法線
配向膜預傾角(θp)
θp
X
ψ
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Mild-layer Tilt Angle
配向膜預傾角與驅動電壓曲線
90
60
30
0
1.0
2.0
Voltage
3.0
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配向膜形式
 液晶分子長軸平行於配向膜，稱為Homogeneous
Alignment
 長軸垂直於配向膜上，稱為Hetergeneous或Vertical
Alignment
 液晶分子與配向膜表面呈某一角度的傾斜(即預傾
角，Pretilt Angle)，達到均一配向的效果
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分子結構(Molecular Structure)對配向膜之配向
影響
(a) DMOAP
N,N-dimethy1N-Octadecy1-3aminopropyltri
methoxy-Sily1
chloride
(b) MAP
H3C-N-(CH)3Si(OCH3)3
H
側鏈
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液晶與配向膜
MBBA液晶
N- p-methoxybenzylidence -p'-n-butylaniline
液晶的表面張力>配向膜表面張力  垂直配向
液晶的表面張力<配向膜表面張力  水平配向
MBBA表面張力
卵磷脂
潤濕玻璃
石墨 水
100 (Dyne/cm)
配向膜表面張力 10 (Dyne/cm)
垂直配向
水平配向
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垂直配向與水平配向
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表面刷磨方向之配向
Review.J.Cognard Mol.Cryst Liq.Cryst,Vol.78(Suppl 1)1(1981) Seo, et el SID 93 Digest p953 (1993)
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刷磨式配向與液晶分子排列之作用
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PI配向膜之分子構型與預傾角
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刷磨式配向製程
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配向膜刷磨方向與預傾角
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配向膜與液晶排列
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刷磨式配向製程之優、缺點
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配向膜刷磨前、後AFM影像
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配向膜刷磨前、後AFM影像
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配向膜刷磨前、後AFM影像
原始試片
刷磨後試片
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配向膜刷磨後AFM影像
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配向膜刷磨後之OM影像
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配向膜刷磨前、後對液晶之影響
 偏光顯微鏡觀察
未配向，黑白不均
有配向，黑白均勻
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TN型與STN型元件的比較
TN型
STN型
扭曲角
90o
180o~270o
預傾角
1o~2o
4o~7o
厚度
5~10 μm
3~8 μm
間隙誤差
0.5 μm
0.1 μm
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90o TN型液晶配向膜之配置
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270o STN型液晶配向膜之配置
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配向技術之發展
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大尺寸刷磨式配向製程之瓶頸
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各型配向技術比較
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配向技術發展趨勢
現 有 配 向 膜 係 採 由 滾 輪 包 裹 毛 絨 布 進 行
Rubbing方式進行，但摩擦會產生particle，
面板良率因此受影響，且須定期更換毛絨布
會影響製程進行，且六代以上基板面積過大，
滾輪重量將大幅增加，預期將改為非刷膜式
配向，配向膜材料將改為光配向或是電漿配
向。
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非接觸式配向技術比較
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光配向技術
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光配向技術
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光配向技術優缺點
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配向膜檢測
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配向刷磨結果檢測
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配向刷磨缺陷
100
液晶元件成品規格
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配向膜材料未來發展的趨勢
 低固化溫度 (200 ℃)
 高預傾角
 STN-LCD 需要高預傾角(~150)
 高電壓保持率(Voltage Holding Ratio, VHR)
VHR定義為施加於Vo電壓於液晶盒，經過一個畫
面掃描(frame cycle)時間在開路狀態所量測到的
電壓值Vt的比值，VHR=Vt/Vo
提高對比
 低直流殘留電位 (DC Residual, R-DC)
施加直流電壓於液晶盒一段長時間，再短路液晶
盒，再將液晶盒做開路量測殘留電壓值
 低影像殘留 (Low Image Sticking)
 光配向(Photo-alignment)
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