顯影液濃度控制系統的不變量分析

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(1)國立交通大學 ®. 管理學院(工業工程與管理學程)碩士班碩士論文. 顯影液濃度控制系統的不變量分析 Invariant Analysis of a Developing Chemical Density Control System. 研究生：黃騰慶指導教授：梁高榮博士中華民國九十五年一月.

(2) 顯影液濃度控制系統的不變量分析 Invariant Analysis of a Developing Chemical Density Control System. 研究生：黃騰慶. Student：Teng-Ching Huang. 指導教授：梁高榮. Advisor：Gau-Rong Liang. 國立交通大學工業工程與管理系碩士論文 A Thesis Submitted to Department of Industrial Engineering and Management College of Management National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Business Adminstration in Industrial Engineering February 2006 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十五年二月.

(3) 顯影液濃度控制系統的不變量分析. 研究生：黃騰慶. 指導教授：梁高榮博士. 國立交通大學工業工程與管理學系摘要彩色濾光片的製造程序裡，顯影液濃度是影響產品品質的關鍵因素。通常這濃度是透過可程式邏輯控制器來進行控制。預期中的智慧型可程式邏輯控制器必須能即時的偵測出製程中的任何異常。本論文使用裴氏圖建構系統的模型，並運用其不變量分析來實作智慧型可程式邏輯控制器。換言之，正常的製造程序裡不變量不應該改變；反之，任何違反不變量法則的狀態即表示系統出現異常。在彩色濾光片工廠實作此一智慧型可程式邏輯控制器後，當故障發生時，則系統就可立即偵測出其異常狀況。此外，本可程式邏輯控制器實作也可避免危害的擴散。. 關鍵詞：顯影液、彩色濾光片、可程式控制器、裴氏圖、不變量。. i.

(4) Invariant Analysis of a Developing Chemical Density Control System. Student：Teng-Ching Huang. Advisor：Dr. Gau-Rong Liang. Department of Industrial Engineering & Management National Chiao Tung University. Abstract. Developing chemical density is a key factor to affect the quality of color filters in their manufacturing process. Usually the density is controlled through a Programmable Logic Controller (PLC). Also an intelligent PLC is expected of detecting any malfunction in a real time way from the manufacturing process. In this thesis, such a PLC has been implemented using invariant analysis of Petri nets which is used for modeling the underlying manufacturing process. In other words, the invariants are conserved in a normal manufacturing process; however, any violated invariant means something wrong. After the implementation of this intelligent PLC in a color filter factory, the abnormal condition can be immediately detected whenever a malfunction occurs. Besides, this implementation avoids the expansion of damages. Keywords: Developing Chemical, Color Filter, Programmable Logic Controller, Petri Net, Invariant Analysis。. ii.

(5) 致謝本研究特別感謝梁高榮老師的指導。對於一個專班的學生而言，除了工作經驗之外，在課業上並不如一般生，當平日的時間大多花在工作上，再扣除與家人及處理家庭瑣事的時間，其實可以做研究、寫論文的時間並不多，加上本身也給自己許多怠惰與懶散的藉口，因此浪費了很多寶貴的時間，延緩了論文的進度。而梁高榮老師讓我看到了一位老師對一個邊緣學生所能有的最大包容及耐心，指導我在眾多生活瑣事中有機會慢慢完成論文的撰寫。此外感謝宗沂、舜正、啟宗所提供的協助，讓論文的撰寫得以順利的進行。對我而言，論文就像是心上一塊石頭，除了壓迫心臟還讓人有些呼吸困難，不論行、住、坐、臥都會感到它的存在。如今論文完成，心上的石頭也落了地。感謝老婆不斷的提醒、叮嚀及父親經常的詢問，家人的持續關心與鼓勵是完成論文的最大動力。. iii.

(6) 目錄中文摘要……………………………………………………………………...........................………i 英文摘要………………………………………………………………...…………….......…………ii 致謝……………………………………………………………………………...………...………...iii 目錄……………………………………………………………………………...………...………...iv 圖目錄………………………………………………………………………………..……..……… vi 表目錄…………………………………………………………………………………….....……..viii 第一章緒論……………………………………………………………………………..…………..1 1.1 研究背景與動機…………………………………………………………………..……….1 1.2 研究目的…………………………………………………………………………..……….2 1.3 內容架構……………………………………………………………………………..…….3 第二章文獻回顧……………………………………………………………………………..……..4 2.1 彩色濾光片………………………………………………………………………..…….....4 2.1.1 彩色濾光片原理及特性……………… ……………………………………...……..…4 2.1.2 材料及特性…………………………………………………..…………………..……..6 2.1.3 彩色濾光片外觀………………………………………………..……………………....9 2.2 可程式邏輯控制器……………………………………………………………………….11 2.3 裴氏圖表達法…….……………………………………………………………..………..13 2.3.1 裴氏圖簡介……………………………………………………………….……..…….13 2.3.2 裴氏圖的定義…………………………………………………………………....……13 2.3.3 裴氏圖與可程式邏輯控制器的關係…………………………………………....……14 第三章彩色濾光片製程及顯影設備……………………….......…..……….……………………17 3.1 彩色濾光片製程 ……………………………...………………..…….………………….17 3.1.1 受入洗淨製程…………………………………………………….…………………...18 3.1.2 鉻濺鍍薄膜製程………………….......………………………….……………………18 3.1.3 黑色陣列製程..........……………..……………………………...…………………….19 3.1.4 紅、綠、藍製程...............……………………………………….……………………22 3.1.5 氧化銦錫濺鍍薄膜製程…..........……………………………….…………………….23 3.1.6 間隔層製程…...........…………………………………………….……………………24 3.1.7 玻璃切割製程……………………………………………………….………………...25 3.2 顯影製程……………………………………………………………….…………………27 3.3 顯影設備……………………………………………………………….…………………29 3.3.1 水簾式灑水裝置...........................……………………………….……………………29 3.3.2 搖動搖動噴灑裝置...... ………………………………………….……………………30 3.3.3 顯影液桶槽...............................………………………………………….……………31 3.3.4 毛刷洗淨.. ………………………………………………………………….…………33 3.3.5 類真空噴射洗……………………………………………….......….…........................34 3.3.6 風刀...................…………………………………………………………….…………36 第四章 IDEF0 系統架構實例說明……………………………………………………………..….38 4.1 系統架構…………………..………………………………………………………….…..38 4.2 IDEF0 實例說明 ….………………………………………..……………………….…..40 第五章裴氏圖及不變量求解……………………………………………………….………….....47 5.1 顯影液濃度控制子系統不變量求解……………………..……………………….……..47 5.2 暫存槽子系統不變量求解………………………………..……………………….……..50 iv.

(7) 第六章顯影液濃度穩定系統建構與實作………………………………………………………..54 6.1 觸控式螢幕程式撰寫及說明…..………………………………………………….……....54 6.2 可程式控制器程式撰寫及說明…………...............….………………………...….……...62 第七章結論……………………………………………………….......…...............………….…...71 7.1 顯影液濃度控制系統的成果.……………...……...………………….………………….. 71 7.2 未來研究方向…………………..………………………………………………….……....71 參考文獻............................................................................................................................................72. v.

(8) 圖目錄圖 2.1 液晶顯示器顏色產生原理…......………………...…..........….............................…...............4 圖 2.2 薄膜電晶體液晶顯示器立體結構圖……………………...………………………………....5 圖 2.3 薄膜電晶體液晶顯示器作動示意圖…………………………………………...…………..5 圖 2.4 薄膜電晶體液晶顯示器畫素斷面圖………………………………………………………...6 圖 2.5 背光與彩色濾光片產生紅、綠、藍顏色示意圖……………………………………………8 圖 2.6 紅、綠、藍色度圖………………………………………….…………………...…………….9 圖 2.7 彩色濾光片畫素及排列示意圖.............................................................................................10 圖 2.8 彩色濾光片各製程膜層圖示.................................................................................................10 圖 2.9 轉移點激發法則說明.............................................................................................................14 圖 2.10 二位元決策樹…....................................................................................................................15 圖 2.11 非主宰保持函數階梯圖表示法............................................................................................15 圖 3.1 彩色濾光片製程流程圖.........................................................................................................17 圖 3.2 清洗機刷洗洗淨示意.............................................................................................................18 圖 3.3 鉻濺鍍薄膜製程示意圖.........................................................................................................19 圖 3.4 三層鉻橫切面示意圖.............................................................................................................19 圖 3.5 黑色陣列曝光原理及成品圖.................................................................................................20 圖 3.6 黑色陣列製程示意圖..............................................................................................................21 圖 3.7 紅色膜曝光原理及成品圖.....................................................................................................22 圖 3.8 紅、綠、藍製程示意圖.........................................................................................................23 圖 3.9 氧化銦錫濺鍍薄膜製程示意圖.............................................................................................24 圖 3.10 間隔層製程示意圖...............................................................................................................25 圖 3.11 間隔層分佈圖.......................................................................................................................25 圖 3.12 玻璃切割製程示意圖...........................................................................................................26 圖 3.13 玻璃切割型式圖...................................................................................................................26 圖 3.14 顯影機關聯性.......................................................................................................................27 圖 3.15 顯影不足……………...........................................................................................................27 圖 3.16 顯像過度…………………………………………………………………………………...27 圖 3.17 生產片數與顯影液濃度變化趨勢圖...................................................................................28 圖 3.18 顯影時間與線寬變化趨勢圖...............................................................................................28 圖 3.19 顯影機各槽功能圖...............................................................................................................29 圖 3.20 水簾式灑水裝置作動示意圖...............................................................................................29 圖 3.21 水簾式灑水裝置實體圖.......................................................................................................30 圖 3.22 噴灑頭作動示意圖 .............................................................................................................30 圖 3.23 Spray Shower 實體圖...........................................................................................................31 圖 3.24 顯影液桶槽管路圖...............................................................................................................32 圖 3.25 顯影液桶槽實體圖...............................................................................................................32 圖 3.26 刷洗槽毛刷作動示意圖.......................................................................................................33 圖 3.27 Brush 實體圖........................................................................................................................33 圖 3.28 類真空噴射洗淨管路圖.......................................................................................................34 圖 3.29 類真空噴射洗淨作動示意圖 .............................................................................................35 圖 3.30 類真空噴射洗淨洗淨作用示意圖.......................................................................................35 圖 3.31 類真空噴射洗淨實體圖.......................................................................................................36 圖 3.32 風刀作動示意圖...................................................................................................................36 vi.

(9) 圖 3.33 風刀實體圖............................................................................................................................37 圖 4.1 系統架構示意圖......................................................................................................................39 圖 4.2 濃度區間定義圖......................................................................................................................41 圖 4.3 顯影機濃度控制系統..............................................................................................................41 圖 4.4 濃度控制系統.........................................................................................................................42 圖 4.5 可程式控制器..........................................................................................................................43 圖 4.6 顯影液暫存槽..........................................................................................................................45 圖 4.7 顯影液桶槽..............................................................................................................................46 圖 5.1 顯影液濃度控制子系統的斐氏圖..........................................................................................47 圖 5.2 暫存槽顯影液濃度控制子系統的斐氏圖..............................................................................50 圖 6.1 Tank Process Setting 設定頁面 ( 一 ).................................................................................54 圖 6.2 Tank Process Setting 設定頁面 ( 二 ).................................................................................55 圖 6.3 Tank Process Setting 設定頁面 ( 三 ).................................................................................56 圖 6.4 Tank Process Setting 設定頁面 ( 四 ).................................................................................56 圖 6.5 Alarm History 設定頁面 ( 一 )............................................................................................57 圖 6.6 Comment List 設定頁面 ( 一 )............................................................................................58 圖 6.7 Comment List 設定頁面 ( 二 )............................................................................................59 圖 6.8 Alarm History 設定頁面 ( 二 )............................................................................................59 圖 6.9 Comment List 設定頁面 ( 三 )............................................................................................60 圖 6.10 Comment List 設定頁面 ( 四 )...........................................................................................61 圖 6.11 顯影液濃度上限設定...........................................................................................................62 圖 6.12 顯影液濃度超出上限延遲...................................................................................................62 圖 6.13 顯影液濃度超出上限警報 ( 一 ).......................................................................................63 圖 6.14 顯影液濃度超出上限警報 ( 二 ).......................................................................................64 圖 6.15 濃度控制界限設定...............................................................................................................65 圖 6.16 濃度區間定義.......................................................................................................................66 圖 6.17 職務週期設定.......................................................................................................................66 圖 6.18 濃度控制程式.......................................................................................................................67 圖 6.19 顯影液濃度超規停機功能...................................................................................................68 圖 6.20 暫存槽階梯圖.......................................................................................................................68 圖 6.21 偵查法則可程式控制器程式…….......................................................................................69. vii.

(10) 表目錄表 2.1 表 2.2 表 2.3 表 2.4 表 4.1 表 5.1 表 5.2 表 5.3 表 5.4 表 5.5 表 5.6 表 6.1. 透過率規格表...........................................................................................................................7 紅、綠、藍色度表.......................................................................................................................7 IEC 1131-3 五種程式語言....................................................................................................11 裴氏圖及階梯圖表示法.........................................................................................................16 顯影液濃度區間定義表.........................................................................................................40 顯影液濃度控制系統元件說明.............................................................................................47 裴氏圖的暫存點及轉移點說明.............................................................................................48 顯影液濃度控制子系統產率矩陣 R.....................................................................................48 裴氏圖的暫存點及轉移點說明.............................................................................................50 暫存槽子系統產率矩陣 R.....................................................................................................51 偵查法則及監控元件屬性狀態表.........................................................................................53 可程式控制器資料暫存器說明….........................................................................................65. viii.

(11) 第一章緒論本章目的在說明論文的出發點，其內容共分為四個部份，分別是 1.1 節『研究背景與動機』說明本論文研究題目的動機。1.2 節『研究目的』對研究題目希望在產業應用上達到的成效作說明。1.3 節『內容架構』概略說明本論文的架構及各章的內容。1.4 節『論文進度』就論文的撰寫提出時程安排。. 1.1 研究背景與動機顯影機一般都會有兩個顯影液的桶槽，一槽使用中；一槽待命。當使用中桶槽的顯影液達到切換條件時，顯影機會切到待命的桶槽，繼續製程，而原先使用中桶槽在經過舊顯影液排放，並做槽內自動清洗後，會從廠務系統補充新的顯影液，而變成待命桶槽。本文所提及的顯影機對顯影液桶槽切換的設定有三個條件 : 處理片數(Sheet Count)、顯影液桶槽使用時間(Time)及顯影液濃度(Density)。當顯影液在處理一定片數的玻璃後其濃度會隨著處理片數而下降，因此必須設定一安全的濃度下限值，即當顯影液濃度下降到設定值時做顯影液桶槽的切換，濃度下限值的設定必須是能生產符合黑色陣列線寬規格的最低顯影液濃度，此即為處理片數。顯影液桶槽主要的切換依據是處理片數，但當顯影液桶槽開始使用後在某些情況下像是設備維修或處理品質問題等會使設備停止，顯影液即使不使用也會和空氣中的氧氣起化學反應而使濃度降低，為了確保顯影液的濃度，設定顯影液桶槽的使用時間是確保製程品質的必要動作。顯影液的濃度為影響線寬的重要參數，也是最直接的品質指標，因此顯影液桶槽的顯影液濃度亦為顯影液桶槽的切換指標，然而這三個顯影液桶槽切換的條件並無法達到顯影液濃度的控制功能。在彩色濾光片中，黑色陣列(Black Matrix, BM)的用途是改善色彩的對比，減少光線的反射，增加視認性，並避免薄膜電晶體之光電子流干擾。本文以鉻系的黑色陣列為例，一般在黑色陣列製程的工程規格量測上會有以下幾個項目:1).線寬:即在不同顏色光阻間及相同顏色光阻上、下開口間的黑色陣列寬度。2).開口部:所謂開口部即是在黑色陣列的膜層上切出一個一個上、下、左、右對齊的缺口，稱之為開口部。開口部與線寬有直接的關係而且是負相關的關係，亦即，開口部大則線寬相對就小；反之開口部小則線寬相對就大。而線寬即為本論文所關注的品質要項，也可以說是黑色陣列的關鍵尺寸。通常廠務端在進行顯影液濃度的調配時會儘量接近可以接受的製程濃度上限，因為顯影液的濃度會隨著製程生產的片數而逐漸降低，較高的製程顯影液濃度，代表一個顯影液桶槽可以生產較多的片數，也就是較少的顯影液桶槽切換，較低的生產成本。但是在實際的使用上，曾發生因廠務系統與顯影機顯影液濃度計之間存在機差，而使廠務端所調配出的顯影液濃度太高，造成產品品質異常的問題。此外新的顯影液濃度較高，雖然可以生產較多的片數，但卻會造成新的顯影液濃度與設定的製程顯影液濃度下限有較大的差異，此一較大的濃度差異反應在產品上就是較大的品質變異。本文顯影液製程濃度上、下限的差異約在 140 ppm，如果將廠務端所調配出新顯影液的濃度值降低，可以縮小製程中顯影液濃度的差異，當然就可以減少產品品質的變異，但是每一顯影液槽所能處理的產品片數也相對的減少，也就是顯影桶槽的切換頻率將增加，此外因為每一顯影液桶槽所能處理的產品片數減少，顯影液桶槽切換的頻率增加，代表顯影桶槽的容許整備時間相對縮短，因此如果顯影液桶槽從排放廢液開始到清潔到補充完新的顯影液的時間較容許的整備時間長，便會因為來不及完成顯影液補充的動作而在顯影桶槽切換時造成設備異常。因此，加裝一套具有顯影液上限濃度設定及濃度控制的系統，將顯影液濃度在整個製程過程中，控制在一個較小的變動範圍，可以穩定產品品質並有效解決原有的顯影設備在實際使用時所碰到的問題。. 1.

(12) 1.2 研究目的本研究的目的有二. 1.建構一顯影液濃度控制系統以有效維持製程中顯影液濃度在較小的範圍，進而改善產品品質的變異。顯影液濃度對黑色陣列製程中的線寬規格有直接的影響，而顯影製程中顯影液濃度的變化即意味著黑色陣列製程中的線寬變異。在原有設備上顯影液桶槽切換的條件有三個: 即是處理片數、顯影液桶槽的使用時間、顯影液的濃度，顯影液的濃度為影響線寬的重要參數，也是最直接的品質指標。雖說影響黑色陣列線寬的製程不只有顯影液的濃度一項，但在一般的狀況下顯影液濃度卻是變動最頻繁的製程參數，因此若能將顯影液濃度做一有效的控制，將能有效改善黑色陣列線寬的變異。此為本論文的第一個目的。 2.試著以裴氏圖找出系統的不變量，並將不變量寫入可程式控制器做為系統運作時的偵查員，當系統異常時發出警報。在可程式控制器的程式中，警報的發報通常被設定成某些條件的滿足，例如當設備運轉中液位感知器偵測到液位低下時即發出液位低下警報，當位置感知器感應不到工件時發出位置異常警報等，即對系統內諸多的單一功能逐一做反應。裴氏圖是一個圖形化且具有嚴格數學計算架構的技術，具有描述同步系統的能力，並且可以對系統作定性與定量的分析，可藉由模擬系統的執行預測可能出現的鎖死與超載的危險狀況[1]，對系統加以修正，從而進行系統的最佳化。利用裴氏圖找出系統在運作中不會改變的關係即不變量，並將此不變量寫回原可程式控制器做為系統運作時的偵查員，當系統異常時發出警報，以替代一般的可程式控制器警報程式，此為本論文的第二個目的。. 2.

(13) 1.3 內容架構本論文共分七章. 各章內容大致如下 : 第一章：『緒論』說明本論文之背景、動機、目的及內容架構。第二章：『文獻回顧』探討及回顧本論文相關的文獻及研究。包含裴氏圖、可程式控制器的應用及彩色濾光片等。第三章：『彩色濾光片製程及顯影設備』介紹彩色濾光片製程及與本研究關係密切的顯影設備，顯影液濃度與製程規格的關係介紹。第四章：『IDEF0 系統架構實例說明』以 IDEF0 做系統的實例說明。第五章：『裴氏圖及不變量求解』畫出系統的裴氏圖，並試著導出不變量。第六章：『顯影液濃度穩定系統建構與實作』系統建構以彩色濾光片廠的顯影設備實際進行，主要說明觸控螢幕頁面規劃及相關參數設定，可程式控制器階梯圖程式撰寫。第七章：『結論』. 3.

(14) 2 第二章文獻回顧本章主要是回顧裴氏圖的表達、可程式邏輯控制器以及彩色濾光片的原理及製程等相關文獻。內容共分為三小節，2.1 節『彩色濾光片』說明彩色濾光片的原理、材料及特性等。2.2 節『可程式邏輯控制器』敘述可程式邏輯控制器的歷史及內部的構成。2.3 節『裴氏圖表達法』利用裴氏圖表達動態作業、工作流程的技術方法以及與階梯圖的關係。. 2.1 彩色濾光片液晶顯示器 (Liquid Crystal Display, LCD) 具備輕薄、省電、無輻射、可全彩化等特色，已經成為平面監示器的主流，應用領域涵蓋攜帶型個人電腦、電視、電子遊樂器、電子辭典、計算器等及汽車衛星導航系統與行動電話之螢幕顯示。彩色濾光片(Color Filter, CF)是使液晶呈現亮麗、逼真、鮮豔的畫面而提高其附加價值之關鍵元件[2]。. 圖 2.1 液晶顯示器顏色產生原理[8] 彩色濾光片是液晶顯示器的關鍵零組件之一，由於液晶顯示器本身並不會發光，如圖 2.1 所示，其光源是由背光板所提供，而背光板為白光並不產生色彩。因此必須在液晶顯示器上加一片具有紅、綠、藍三原色色彩的罩子，使液晶顯示器由黑白變彩色。因此彩色濾光片是讓液晶顯示器彩色化的關鍵，而彩色濾光片品質的好壞對液晶顯示器的色彩的表現有決定性的影嚮。. 2.1.1 彩色濾光片原理及特性液晶顯示器乃利用液晶分子具有受電場影響而改變排列方向的特性，進而控制光通過顯示區之強弱以達顯示不同亮、暗訊號之目的。圖 2.2 為薄膜電晶體液晶顯示器的立體結構圖，最上面是偏光片，偏光片下即為彩色濾光片，其組成有玻璃基板、黑色陣列、紅、綠、藍的彩色濾光膜層、保護膜及其上的氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)膜，在氧化銦錫膜上還有一層間隔層，讓彩色濾光片以及液晶顯示器貼合後，藉由間隔層維持一定的空間使液晶能自由的旋轉。由於製程技術的進步，保護膜的製程已被省略，即在紅、綠、藍濾光層製程結束後就進行氧化銦錫鍍膜製程。. 4.

(15) 偏光片黑色矩陣彩色濾光片. 玻璃基板. 保護膜氧化銦錫膜. 配向膜. 薄膜電晶體. 液晶. 圖 2.2 薄膜電晶體液晶顯示器立體結構圖[11] 彩色濾光片功能解說可以用圖 2.3 薄膜電晶體液晶顯示器作動示意為例，圖中上層為彩色濾光片玻璃，下層為薄膜電晶體玻璃，當下層薄膜電晶體打開時，液晶直立背光的光線無法穿透，所以沒有任何顏色及亮度，如圖左側示意。當薄膜電晶體關閉時液晶轉動偏折，背光光線延液晶分子間隙穿透而出，再經過彩色濾光片便可顯現出色彩，如圖右側示意。. 圖 2.3 薄膜電晶體液晶顯示器作動示意[7] 彩色濾光片是在玻璃基板上製作出許多紅、綠、藍的圖素，如圖 2.4 薄膜電晶體液晶顯示器畫素斷面圖所示，每個圖素對應液晶顯示器上的一個畫素。當白色背光通過這些圖素後, 變成紅、綠、藍光，而構成三原色光。其結構由外到內分別為玻璃基板，製作在玻璃基板上，防反射之遮光層，即為黑色陣列層，再依序製作上具有透光性紅、綠、藍三原色之彩色濾光膜層（濾光層之形狀、尺寸、色澤配列，依不同用途之液晶顯示器而異），然後濺鍍上氧化銦錫膜，最後完成間隔層。 5.

(16) 圖 2.4 薄膜電晶體液晶顯示器畫素斷面圖[10]. 2.1.2 材料及特性以下就各層材料及特性簡要說明如下: 1. 玻璃基板:在薄膜電晶體液晶顯示器所用之彩色濾光片，其使用之玻璃為無鹼性、低膨脹之玻璃，如此才可以符合製作過程高精度，及尺寸安定性佳的需求。 2. 黑色陣列層:為了提升液晶顯示器對比、防止薄膜電晶體元件產生光漏電流與遮掩液晶顯示器顯示時有一些漏光不良，彩色濾光片需要在各色層間做上一條一條的黑色條紋，以達到上訴目的，此黑色條紋即為黑色陣列，也是遮光層。茲就特性說明如下: 材料:黑色陣列材料主要的要求是遮光性強、低反射率與玻璃的附著性佳，例.如鉻、黑色樹脂等材料。結構:目前彩色濾光片的黑色陣列普遍使用鉻此一金屬材料，而其結構有兩層( Cr/氧化鉻膜) 與 3 層( Cr/氧化鉻膜/CrNy)兩種，氧化鉻膜層主要是為了降低金屬鉻的反射率。反射率 : 一般是以 450 ~ 650 nm 範圍的波長做測試，反射率要小於 7 % 。光學密度 : 即 OD 值，此數值表示黑色陣列遮光的能力，OD 值愈大表示其愈接近黑色，遮光的能力愈強，一般要求要大於 4，其計算公式如下 : OD = log. 100. ，其中 Y 是指以透過式量測黑色陣列時所得的亮度值。. Y 3. 紅、綠、藍光阻層 : 液晶顯示器之所以會有顏色是因為背光之白色光通過彩色濾光片上紅、綠、藍三個色層時，分別會產生紅、綠、藍三種顏色，透過此三原色的組合而構成各種色彩。彩色濾光層光阻最主要有二大材料 : 結合劑(Binder)以及顏料(Pigment)。結合劑必須具備高透明性及耐熱性的高分子樹脂，且針對不同製程方法設計不同功能性樹脂。而顏料是使透明之高分子樹脂具有顏色，而顏料僅分散於高分子樹脂間。彩色濾光層光阻與黑色陣列最大的不同特性在於其彩色光阻必須具高透過率以及高色純度。以高透過率來說一般薄膜液晶顯示器模組所使用的背光板燈管，其頻譜會在短、中、長波長處出現三個明顯的尖峰 (Peak)，根據這三個尖峰所對應之波長來訂定紅、綠、藍三種顏色的透過率。舉例說明如表 2.1 所列：. 6.

(17) 表 2.1 透過率規格表[8] Ｂ／Ｌ peak ＣＦ色層. 435 nm（短）. 545 nm（中）. 610 nm (長）. Ｒ. ＜5 %. ＜5%. > 85 %. Ｇ. ＜5 %. > 85 %. ＜20 %. Ｂ. > 80 %. ＜5 %. ＜5 %. 以高色純度來說，以 CIE 1931（X，Ｙ，Ｚ）為參考之色度座標分別量測出紅、綠、藍三顏色之（ｘ，ｙ）之色度值，根據 NTSC（National Television System Committee ）、EBU European Broadcast Union )所定義的紅、綠、藍三顏色之（x，y）色度值，以及陰極射線管薄膜電晶體液晶顯示器(NB)、薄膜電晶體液晶顯示器的紅、綠、藍三顏色之(x ，y）一般色度值，將其整理如表 2.2 紅、綠、藍色度表所示 : 表 2.2 紅、綠、藍色度表[8] 紅. 綠. 藍. x. y. x. y. x. y. NTSC. 0.67. 0.33. 0.21. 0.71. 0.14. 0.08. EBU. 0.64. 0.33. 0.29. 0.60. 0.15. 0.06. CRT. 0.57. 0.32. 0.24. 0.67. 0.15. 0.12. 薄膜電晶體液晶顯示器. 0.60. 0.34. 0.30. 0.54. 0.13. 0.15. 薄膜電晶體液晶顯示器本身並不發光，不像電漿顯示器或陰極射線管是用螢光粉來產生光，屬於非自發光的平面顯示器。因此必須借助外來的光源使其產生光亮。以現行薄膜電晶體液晶顯示器的技術都使用背光做為薄膜電晶體液晶顯示器的光源，但背光源只產生白光並無法使薄膜電晶體液晶顯示器產生色彩，要讓薄膜電晶體液晶顯示器產生色彩就必須要靠彩色濾光片。因此背光光源與彩色濾光片特性的搭配效果會決定顯示器的色彩表現。圖 2.5 背光光源的頻譜分怖可以明顯看出有三個尖峰，分別出現在波長 440 nm、540nm 及 610nm 左右的位置。再以彩色濾光片穿透度的頻譜分佈來看一樣也有三個尖峰，分別屬於紅、藍、綠三原色。左邊的“B”，尖峰落在 400nm ~ 460nm 之間，但在波長 550nm 以上其穿透度幾乎等於 “0”；中間的“G”，尖峰落在 490nm ~ 550nm 之間，但在波長 450nm 以下及波長 600nm 以上其穿透度幾乎等於“0”；右邊的“R”尖峰則落在波長 600nm 到 700nm 之間，但在波長 550nm 以下其穿透度幾乎等於“0”。. 7.

(18) 100. 背光頻譜. 50. 0 400. 450. 100. 彩色濾光片屬性. 450. 500. 650. 700. 650. 700. R. G. 50. 0 400 100. 500 550 600 Wavelength (nm). 550. 600. Wavelength. 100. 100. R. G 50. 0 400. 50. 50. 450. 500. 550. 600. Wavelength. 650. 700. 0 400. 450. 500. 550. 600. Wavelength. 650. 700. 0 400. 450. 500. 550. 600. 650. 700. Wavelength. 圖 2.5 背光與彩色濾光片產生紅、綠、藍顏色示意圖[8] 換言之，在圖 2.5 中，“B”的光阻穿透度有助於低頻波的通過但會抑制中頻波及高頻波的通過，功能特性為低通濾波器。“G”的光阻穿透度有助於中間頻波的通過但會抑制低頻波及高頻波的通過，功能特性為帶通濾波器。“R”的光阻穿透度有助於高頻波的通過但會抑制中頻波及低頻波的通過，功能特性為高通濾波器。在背光頻譜與彩色濾光片特性的搭配下，便能有較佳的色度表現。再以顏色的表現來看，同樣是白色，但以肉眼觀看的感覺來說，有的白看起來另人感覺較冷，有的白看起來另人感覺較溫暖。原因就在於組成的三原色的色座標所在的位置。由圖 2.6 左側的圖來說中間部位有一個三角型，三角型的三個頂點即是紅、藍、綠三原色的位置。其所對應的色座標 x,y 位置如右側表格所示。而紅、藍、綠三原色的三個頂點所形成的三角型內的所有顏色即為此顯示器所能呈現的所有色彩，因此三角型所包含的範圍越大所能呈現的色彩也越豐富。而紅、藍、綠三原色的位置也決定了白光的座標。以圖 2.6 的例子白光的色座標 x = 0.3094 ；y = 0.3364 。在色座標的顏色分佈上，x 軸的值越高越偏黃、紅、紫的顏色，反應在白色上看起來另人感覺較溫暖；反之，x 軸的值越低越偏藍、綠的顏色，反應在白色上看起來另人感覺較冷。. 8.

(19) 圖 2.6. 紅、綠、藍色度圖[8]. 2.1.3 彩色濾光片外觀以單一一個畫素而言，黑白顯示器其畫素是由單一一個畫素所組成，而彩色顯示器其畫素則是由三個紅、綠、藍的小畫素組成一個彩色的畫素。雖說彩色的畫素最常見的是條狀陣列(Strip Array)式的結構，除此之外依不同的應用會有其他的設計如三角陣列(Delta Array)及馬賽克陣列(Mosaic Array)等，如圖 2.7 所示。條狀陣列及三角陣列在顏色的排列上雖有不同，但在每一顏色方格上，其上、下、左、右的邊緣均切齊，適合以黑色陣列做為各顏畫素間的區隔。但在馬賽克陣列各顏色畫素只在橫向上切齊在縱向上並不切齊，因此馬賽克陣列只能在橫向上做黑色陣列而無法在縱向上也做出黑色陣列。因為馬賽克陣列在橫向上無法做出黑色陣列因此在紅、綠、藍顏色畫素的設計上必須讓各顏色在橫向上重疊來代替黑色陣列。也因為馬賽克陣列各顏色在橫向上重疊的關係讓馬賽克陣列的畫素可以做得比條狀陣列及三角陣列還要小。因此在小尺寸的顯示器上有很多是使用馬賽克陣列的顏色排列方式。雖說馬賽克陣列的畫素可以做到很小，相對的製程所需的曝光對位精度要求及難度都較高。一般非小尺寸的彩色濾光片多使用條狀陣列式的結構。以條狀陣列式的紅、綠、藍結構來看，黑色陣列的結構如圖 2.8 所示，是在一層黑色陣列膜層上配合條狀的紅、綠、藍結構做成一個一個上、下、左、右整齊排列的開口。而另一個重要的膜層就是氧化銦錫，氧化銦錫膜層在整個基板上並無任何的圖形，而是均勻的一層薄膜，雖然有些設計會在基板的邊緣設計一些電極，但在畫素上並無任何的圖形，如圖 2.8 右圖所示。. 9.

(20) Black & white pixel. Delta array. Color pixel. Mosaic array. 3 to 1 3 sub-pixels (R+G+B) = 1 pixel. Stripe array. 圖 2.7 彩色濾光片畫素及排列示意圖[8] 彩色濾光片最通常的型態是條狀陣列式的結構。也就紅、綠、藍是一條一條的色帶由上至下，而且由左至右相互併排。. BM. RGB. ITO. 圖 2.8 彩色濾光片各製程膜層圖示[14] 10.

(21) 2.2 可程式邏輯控制器美國國家電機製造業協會 NEMA[National Electrical Manufacturers’ Association (USA)][21] 曾對可程式控制器下過這樣的定義: 使用可程式記憶體來儲存指令，以完成指定的功能諸如邏輯、順序、時序、計數及運算以控制機械及程序的一種數位電子裝置。可程式控制器的歷史可以追溯到 1968 年當貝德福(Bedford Associates)為通用汽車公司開發一種稱為 Modular Digital Controller (簡稱 Modicon) 的裝置，Modicon 是被開發來取代通用汽車公司以繼電器為基礎的傳統控制系統，因為繼電器是一種機械裝置其使用壽命有限而且體積較大，特別是在一些大型的應用上可能使用數千個繼電器，而使配線及故障排除都變得非常複雜。因為 Modicon 是一個電子裝置，它充分的符合通用汽車公司的要求，對許多的設備製造商及控制系統使用者來說也是一樣，並且以較少的配線，更簡單的故障排除加上容易編輯的程式，可程式控制器的技術因此迅速風行。在 1970 年代中期順序狀態機械漸漸成為主流，AMD 2901 和 2903 非常受歡迎，傳統微處理器的功能與最簡單的可程式控制器相較仍然遜色，但當微處理器的功能愈來愈強大，較大型及功能較強的可程式控制器便以它們為基礎，即使到了今日可程式控制器仍舊以 2903 為基礎而 Modicon 也尚未產出較以 290X 為基礎的 984A/B/X 機型更快的可程式控制器。在 1973 引進了數位及類比的功能，可程式控制器首次可以用數位及類比的方式與所控制的裝置進行溝通，但是因為缺乏標準化使通訊協定及實體網路的不相容產生了很大的問題。 1980 年代通用汽車訂定“製造自動化通訊協定(MAP)”試圖成為可程式控制器通訊的標準，1980 年代是一個將可程式控制器尺寸縮小並使用 PC 來編輯程式的年代。到 1990 年代可程式控制器的設計並沒有多少改變，最新的標準 IEC 1131-3 試著整合可程式控制器程式語言成為國際標準。現在可程式控制器程式可以用階梯圖，指令集 (Instruction Lists )、C 語言和結構式文字同時編輯。 IEC 1131-3 是可程式控制器程式語言的標準，這五種程式語言來自過去十多年間最重要或最受歡迎的程式語言。這五種程式語言和他們的前身如下表所示 : 表 2.3 IEC 1131-3 五種程式語言[21] IEC1131-3 Nomenclature LD - Ladder Diagram IL - Instruction List. Former Name Relay Ladder Logic Boolean. SFC - Sequential Function Chart. GRAFCET APT SFC Literal 565 Special Function Step 5 Step 5. ST - Structured Text. FBD - Function Block Diagram. Mfg Most PLC Mfgs Most PLC Mfgs (Commonly small PLCs) Telemecanique Texas Instruments Siemens Telemecanique Texas Instruments Siemens Siemens. 可程式控制器由內部中央處理單元、指令及資料記憶體、輸入、輸出單元、電源模組及數位類比通信單元所組成[4]。 1.中央處理單元:包含控制單元、算數及邏輯運算單元及暫存器三大部分: 控制單元:指令解碼器，負責將儲存在記憶體內的程式解碼成控制信號，用以決定各單元模組的工作狀態，是可程式控制器的指揮部。算數及邏輯運算單元:專門負責做加、減、乘、除的算術運算及 AND、OR、NOT 邏輯運 11.

(22) 算。暫存器:中央處理單元內部記憶體，可以暫時存放運算的結果，等待下一次運算。 2.記憶體:存放程式指令及資料的地方，可以使用 RAM 或 EEPROM。 3.輸入、輸出單元:輸入單元是用來連結擷取輸入元件的信號動作，並透過內部匯流排將資料送進記憶體，由中央處理單元處理驅動程式指令部分。輸出單元是用來驅動外部負載的介面，主要原理是由中央處理單元處理可程式控制器裡的程式指令，判斷驅動輸出單元，再進而控制外部負載，如指示燈、接觸器、繼電器、電磁閥等。 4.AD/DA 類比數位單元(線性控制)：AD 類比轉數位，主要是把外部微電壓微電流以及 0 與 1 的資料，透過專用模組介面接收，再以專用指令轉換運算給程式運用。DA 數位轉類比，主要是把可程式控制器內部數學數值及專用指令以中央處理單元做運算，並透過專用模組將數學數值轉成微電壓、微電流信號，再加以控制外部裝置，如變頻器、溫控器及其他具有數位、類比收送的介面裝置。通常在使用 AD/DA 模組時我們都會去考慮到設備的解析度，因為解析度會影響到精確度，因此通常會選用高解析度的裝置，並遵照其線性比例做數學運算。 5.通信單元：通信單元主要區分為程式書寫通信阜及外部資料控制擷取阜。程式書寫通信阜:一般只會拿來做資料書寫或者是給外部 PC 裝置做讀取用。外部資料控制擷取阜:一般會拿來做外部資料擷取及送出資料控制用，通常再做這方面的程式編寫時，須具備通信觀念的專業人士才能夠容易上手，一般順序控制的程式設計師會比較不容易上手，在 FA 業界中的人機介面及圖控程式也是由此延伸出來的。. 12.

(23) 2.3 裴氏圖表達法裴氏圖(Petri Net)的基本概念及架構是在 1962 年由西德數學家 Carl Adam Petri 在其博士論文中被提出來[20]，為紀念其貢獻這種網路分析工具被定名為裴氏圖(Petri Net)。裴氏圖是一個圖形化且具有嚴格數學計算架構的技術，最初是被應用在探討電腦內部同步元件之間的訊號傳遞及通訊問題。就像流程圖、方塊圖及網路等圖形化工具一般裴氏圖可以使人容易瞭解所要表達的系統，裴氏圖中的浮標(Token)可以用來模擬系統的動態及同時 (Concurrent)的活動。使用裴氏圖建立多元輸入與輸出系統模型，除了能清楚的表現系統中各物件的流通關連與各種工作的執行狀態，更重要的是它可以對系統作定性與定量的分析，可藉由模擬系統的執行預測可能出現的鎖死與超載的危險狀況[1]，對系統加以修正，從而進行系統的最佳化。. 2.3.1 裴氏圖簡介裴氏圖係一種階層式的建模與規劃網路系統，上層為可著色且圖形化的關連，使用於建立整體系統的模組關連與粗略式的規劃工作；下層則為記載與圖形相關的詳細資料，可應用法則處理資料，以進行細部的規劃與排程工作。整體來說，利用裴氏圖進行生產系統模型建立，具有以下幾種特點[3]： 1. 圖形化：使用圖形化的建模方法，可以清楚的描述各物件與工作機能的關係，將複雜的系統中各項工作的關係透過離散的個別工作關係定義，清楚顯示各項工作在整體系統的關係。 2. 階層性：系統採用階層性的架構，在上層可以看出每個活動間的關係，在下層可以處理資料並對細部的動作做分析。 3. 模組化：對於系統的設計以及工作的合成，可將各種重複性的工作定義成各種格式化的模組，對整個系統的工作規劃則採用模組化的規劃。 4. 定性與定量分析：在嚴格的數學計算架構和系統的分析方法，可對於系統作粗略性的定性分析，亦可做完整的定量分析。. 2.3.2 裴氏圖的定義一般的網路圖中表現物件存在與關連有兩種基本的元件：節點和連結線，不同的節點由連結線相連結，以表現節點間的關連性。裴氏圖是一種特別的具有方向性的圖形，其中有三個基本元素：暫存點(Place)、轉移點(Transition) 以及具有方向的連結線稱為方向弧(Directed Link) ，方向弧必須由暫存點指向轉移點或是由轉移點指向暫存點，以表示物件與工作的流動。裴氏圖的節點分為暫存點以及轉移點兩種，暫存點是用來表示系統內資源的數量或工作執行的狀態，以圓圈來表示；轉移點是用來表示系統狀態改變的事件或動作，以粗直線來表示。在裴氏圖模型裡，在每一個暫存點的圓圈中，以小實心圓當做浮標，表示物件的存在與數量，在暫存點內若有 k 個浮標稱此暫存點標誌了 k 個浮標。標誌可以用 M 表示，為一 m 向量，此處 m 代表暫存點的總數，第 p 個元件的標誌以 M(p)表示，代表暫存點 p 內的浮標數。而方向弧可以標示權重，一個有 k 權重的方向弧可視同 k 個併聯的方向弧。在糢型化的過程中應用條件及事件的觀念，暫存點代表條件;轉移點代表事件。一個轉移點具有一定數量的輸入及輸出暫存點以分別表示該事件的事前條件及事後條件。裴氏圖有五種組成，PN = { P、T、F、W、M0 }，其中 : P = { p1,p2,p3,p4, ··· ,pm }為暫存點的有限集合。 T = { t1,t2,t3,t4, ··· ,tn }為轉移點的有限集合。 F⊆ ( P x T )∪(T x P) 為方向弧的集合(流向關係)。 13.

(24) W : F →{ 1,2,3, ··· }為一權重函數。 M0 : P →{ 0,1,2,3, ··· }為初始標誌。 P ∩ T = Ø and P ∪ T ≠ Ø。當一裴氏圖的結構 N = ( P,T,F,W )無任何指定的初始標誌時以“N”表示，當有指定的初始標誌時以( N,M0)表示。許多系統的行為均可以用系統狀況及其改變來做描述，為了模擬系統的動態行為，裴氏圖內的標誌或稱狀態是依下述的轉移法則做改變。 1). 當轉移點 t 的每一輸入暫存點至少被 w(p,t)個浮標標誌則稱此轉移點為致能(Enable)，w(p,t) 是自 p 到 t 方向弧的權重。 2). 已經致能的轉移點不一定激發，端看事件是否真實發生。 3). 激發已經致能的轉移點 t 會使 w(p,t)個浮標自每一轉疑點的輸入暫存點移到轉疑點的輸出暫存點上，w(p,t)是自 p 到 t 方向弧的權重。以上所述的轉移法則以知名的化學反應式: 2H2 + O2 → 2H2O 說明。在圖 2.9(a)中每一暫存點內各有兩個浮標，表示有兩個單位的 H2 及 O2 可用，轉移點 t 致能。在 t 激發後，其標誌狀態從圖 2.9(a)變換成圖 2.9(b)，激發後 t 便不再處於致能狀態。. 圖 2.9 轉移點激發法則說明[19]. 2.3.3 裴氏圖與可程式邏輯控制器的關係可程式邏輯控制器在複雜的非連續性控制系統的應用上已經發展出以裴氏圖做為模型及實施的方法，因此可程式邏輯控制器必需能將邏輯運算式予以程式化，但是當邏輯運算式的數量龐大時情況就不易處理。解決此一問題的方法即是將邏輯運算式轉成決策表(Decision Table) ，再轉譯成二位元樹(Binary Tree) [5 ]。以下式為例 : a AND b s1 b s2 a AND b AND c. s3. 以可程式邏輯控制器順序循環的程式執行方式，上述的運算式會被一個接著一個計算，在每一循環中運算子“a”會被計算 2 次，運算子“b” 3 次，運算子“c”1 次。上述三個運算式可以用圖 2.10 二位元決策樹表示。運算子“a”先被計算，若其為“true”則運算子“b”被計算，若運算子“b”為“true”則“s2”為“true”否則“s1”為“true”。因此不論運算子“a”、“b”及“c”的值為何，在每一循環中每一運算子只會被計算一次。. 14.

(25) test “a” false. true. test “b” false. test “b” true. “nothing”. false. test “c”. s1. false. true. s2. s3 and s2. true s2. 圖 2.10 二位元決策樹[5] 可程式控制器在生產製造領域的順序控制應用上，布寧運算式(Boolean equation)是瞭解可程式控制器的程式及其運算的基礎。以布寧運算式所表示的系統缺乏可以分析的數學理論是其難題。而裴氏圖具有數學的架構可以分析模型化後系統的特性，再者，裴氏圖已經被證實可以將順序控制適當的模型化。布寧非主宰保持函數(Off-Domain Holding Function)如下 : A = ( A + A[1])A[0] A[1]表示布寧函數 A 致能; A[0]表示布寧函數 A 失能。有兩種用階梯圖表示布寧非主宰保持函數的方法。其中 A[1] = ( Y1‧Y2‧Y3) 而 A[0] = ( Z1‧Z2‧Z3) ，在圖 2.11 上部(a)中 A 是電驛線圈，A[0]接點是常閉接點。當 A[0]接點閉合而且 Y1、Y2 及 Y3 致能時線圈 A 致能，線圈 A 致能而使 A 常開接點致能後閉合，形成自保持狀態，即在 A[0]接點閉合的條件下，A 將維持此一狀態直到 A[0]線圈致能。Z1、Z2 及 Z3 接點都致能時，線圈 A[0]致能而使 A[0] 接點由閉合而打開。在圖 2.11 下部(b)中 A 是維持(Latch)線圈，一旦 Y1、Y2 及 Y3 致能時線圈 A 即保持，不論 Y1、Y2 及 Y3 的條件如何改變，直到 A 失保持(Unlatch) ，即當 Z1、Z2 及 Z3 接點都致能時。在此一方法中 A[1] = 1 及 A[0] = 1 分別代表保持及失保持。. 圖 2.11 非主宰保持函數階梯圖表示法[18] 15.

(26) 階梯圖應用在許多產業的順序控制已廣為人知。為了要在一個系統中開始作業，有一些條件必須先滿足，稱為先期條件( Pre-Condition ) ，一旦作業結束會產生一些條件稱為後期條件( Post-Condition ) 。表 2.4 裴氏圖及階梯圖表示法[12]. 在裴氏圖中，轉移點型塑一個作業，其輸入及輸出暫存點分別對應到先期條件及後期條件。在階梯圖中作業是由激發電磁閥或電驛線圈所引發。除了輸出線圈之外，電驛還含有一些接點，有的是常開接點( Normal Open )，有的是常閉接點( Normal Close )。在致能電驛線圈後常開接點切換成閉合，而常閉接點切換成打開。在階梯圖中亦使用不同的輸入及輸出元件，典型的輸出元件是電磁閥，一般用來驅動空壓或油壓元件；典型的輸入元件是按鈕開關及極限開關。電驛的接點與輸入元件相連接構成先期條件，而電磁閥及輸出線圈即被當成後期條件。在順序控制中使用的邏輯及基本的建構方塊其裴氏圖及階梯圖的模型如表 2.5 中所示。在前面四列中將基本裴氏圖的元件對應到模型的條件，如狀態、活動、資訊流、物流及資源等，而階梯圖在此並無明確的對應模型。邏輯“和”及邏輯“或”在裴氏圖及階梯圖中都很容易找到模型而且其複雜程度相當。其他重要的概念如同時、時間延遲及同步等都在表中說明。. 16.

(27) 3. 第三章彩色濾光片製程及顯影設備. 本章主要在說明彩色濾光片的製程及顯影製程設備共分為 3 小節，3.1 節『彩色濾光片製程』為彩色濾光片的製程從玻璃基板的原材經受入洗淨開始，接著鉻濺鍍薄膜製程、黑色陣列製程及紅、綠、藍製程、氧化銦錫濺鍍薄膜製程、間隔層製程到最終的切割製程，就製程原理及各製程站逐一做概略的說明。3.2 節『顯影製程』將本論文相關的顯影製程原理做詳細的說明。3.3 節『顯影設備』顯影設備為本論文所建構顯影液濃度控制系統的設備，因此對其結構及作動做詳細的說明。. 3.1 彩色濾光片製程彩色濾光片的製程順序依各家廠商的設計及客戶產品的規格要求而有不同的製程，但是一般說來不外以下的製程順序(以鉻黑色陣列為例)。 1. 受入洗淨製程 2. 鉻濺鍍薄膜製程 3. 黑色陣列製程 4. 紅、綠、藍製程 5. 氧化銦錫濺鍍薄膜製程 6. 間隔層製程 7. 玻璃切割製程. 截角檢查. BM 製前洗淨. Spacer 前洗淨紫外光洗淨. ITO 製前洗淨紫外光洗淨. 烘烤硬化 RBG 缺陷檢查. RBG 製前洗淨. 顯影. 光阻塗佈. 曝光. 圖 3.1 彩色濾光片製程流程圖[7] 17. 紅、綠、藍製 3.1.4. RBG 來回三次. 紫外光洗淨. 磨邊. 目視檢查. ITO 濺鍍成膜. 折斷. 洗淨. ITO 缺陷檢查. 蝕刻 BM 缺陷檢查. 劃線. 氧化銦錫濺鍍薄膜製程 3.1.5. 烘烤硬化. 黑色矩陣製程 3.1.3. 顯影. 烘烤硬化. 光阻塗佈. ITO 膜後洗淨. 光阻塗佈曝光. 曝光. 玻璃切割製 3.1.7. 紫外光洗淨. 顯影. 間隔層製程 3.1.6. Cr 濺鍍成膜. 鉻濺鍍薄膜製程 3.1.2. 素玻璃洗淨. 受入洗淨製程 3.1.1. 基板投入.

(28) 3.1.1 受入洗淨製程受入洗淨過程是指當玻璃原材從原材料庫房取出，在製程開始之前先將玻璃表面做處理以確保玻璃表面的潔淨並減少後製程不良的一道製程，可在細分如下 : 1.截角檢查：本作業其目的是為了確保能投入正確的玻璃基板，所做的檢查工作。 2.素玻璃洗淨：本作業其目的是為了清除素玻璃表面的異物及油脂，自然氧化膜，確保素玻璃之潔淨度，以利鉻濺鍍成膜製程之順利進行。通常在水洗之前會有一站紫外光洗淨站，在水洗段一般洗劑加毛刷以及高壓噴嘴等方式將玻璃基板表面的異物去除，如圖 3.2 所示，而水洗添加洗剤的濃度約在 0.5 % ~ 1 %.的範圍。噴洗. 刷洗. 玻璃基板. 異物. 圖 3.2 清洗機刷洗洗淨示意[9]. 3.1.2 鉻濺鍍薄膜製程鉻濺鍍成膜(Cr Sputtering）：此作業是將玻璃基板濺鍍金屬薄膜，此薄膜為三層分別是鉻膜、氮化鉻膜及氧化鉻膜，其功能為：1.遮光效用、2.減少反射作用、3.防止兩色相混、提高對比。濺鍍法是在高真空槽(Chamber)內將玻璃基板與貼附有薄膜材料之靶材(Target)對向放置，其靶材在鉻濺鍍薄膜製程上為鉻。將負高壓電加在靶材上，在槽內吹入之氣體為 Ar、N2、 CO2 。此氣體在高壓電場下成為電漿狀態，利用電漿所產生的離子，對靶材撞擊 (Bombardment)，使電漿內的氣相內具有欲鍍物的粒子(如原子)，沉積到玻璃基板上形成薄膜，如圖 3.3 所示。脫離電漿的帶正電荷離子在電場加速下將獲得極高的能量。當離子與陰極產生衝撞之後，離子撞擊除了會產生二次電子外，還會把電極板表面的原子給“打擊”出來，這個動作，稱之為“濺擊”(Sputtering)。這些被擊出的靶材原子在進入電漿裡面後，利用諸如擴散等方式，傳遞到玻璃基板的表面，經由吸附的作用而沉積形成薄膜。這種利用電漿獨特的離子撞擊，稱之為“濺鍍”(Sputtering Deposition)。使用濺鍍法製造時須注意之製程參數有：基板溫度、導入氣體量、放電電力、靶材蝕刻率、真空度等。. 18.

(29) 圖 3.3 鉻濺鍍薄膜製程示意圖[11] 此薄膜鉻濺鍍成膜製程有兩層結構及三層結構之分，業界一般常見到的是三層結構，如圖 3.4 所示。由上至下分別是鉻膜( Cr )、氮氧化鉻膜(CrOxNy)及氧化鉻膜(CrOx)，其功能為：1.遮光效用、2.減少反射作用、3.防止兩色相混、提高對比。在製程順序上以氧化鉻膜先做，一般鍍膜厚度在 250 ~ 350 À，一般製程上以改變此製程槽的放電電力來調整反射率最低波長的位置，放電電力與反射率最低波長的位置的關係為正相關，即加大放電電力，反射率最低波長的位置也會增加，反之亦然。第二層為氮化鉻膜，鍍膜厚度與第一層氧化鉻膜相當，約在 250 ~ 350 À。第三層為純鉻膜，厚度最厚約在 900 ~ 1300 À，為決定光學密度即所謂 OD 值的關鍵。一般製程上以改變此製程槽的放電電力來調整光學密度的大小，放電電力與光學密度的關係為正相關，即加大放電電力，光學密度的值也會增加，反之亦然。. 900～1300. 遮光膜 ( 鉻 ) 第2抗反射膜 (氮化鉻膜). 350. 第1抗反射膜 (氧化鉻膜). 350. 玻璃基板圖 3.4 三層鉻橫切面示意圖[10]. 3.1.3 黑色陣列製程黑色陣列的用途是改善色彩對比值，減少外光的反射使視認性增加，避免薄膜電晶體之光電子流干擾。黑色陣列系統面的需求是降低在可見光區的反射率、並力求接近純黑色的高光學密度值、低膜厚、低製程成本及可以應用在大面積及高產能處。黑色陣列使用的材料分樹脂系、鉻系、鐵系，分述如下 : 1.樹脂系 : 因成本較低，目前彩色 STN 使用之彩色濾光片多採用此系列，但為了提昇光學密度(2.2 以上)，膜厚通常製作至 1.0mm 以上, 較鉻系為厚。 2.鉻系 : 早期為單層鉻，但為雙面亮面，使液晶顯示器視認性降低，後來利用光學干涉效果製作鉻/氧化鉻膜雙層結構，但因其可見光區全波域之反射率曲線較陡，造成很難製作出近黑色之黑色陣列膜層，通常呈現黑紫色，造成顯示時因黑色陣列之色調而產生著色現象。為得到更低之反射率，而且得到更黑的黑色陣列膜層，因而製作出鉻/氮化鉻/氧化鉻膜三層結構之黑色陣列，其最低反射率可為 5.5%以下，且反射率曲線平緩，得到更黑色的黑色陣列膜層。 19.

(30) 3.鐵系 : 為避免鉻系之蝕刻廢液公害問題及降低成本，目前已開發出利用 SUS304 為靶材製作之鐵/氧化鐵之黑色陣列膜層，效果比鉻/氧化鉻膜效果較好一些，但是因為靶材製程上仍有許多問題，所以目前使用率並不高，仍處於實驗階段。光源. 光罩. ;. 光阻基板顯影光罩. 圖案. 圖 3.5 黑色陣列曝光原理及成品圖[11] 在黑色陣列製程中，如使用鉻為材料，則在光阻的選用上為正型光阻，如使用樹脂為材料，則在光阻的選用上為負型光阻。所謂正型光阻，簡單的說，就是光阻經過曝光及顯影製程後，曝到光的部份在顯影時會被洗掉，而沒有曝到光的部份會留下來。因此光阻在曝光及顯影製程後所留下的圖案與光罩的圖案是一致的，因此被稱為正型光阻。在鍍鉻黑色陣列製程雖然多了蝕刻及剝離製程但其圖案並不因此而有改變，如圖 3.5 所示。在使用樹脂為材料的黑色陣列製程，因為是負型光阻，因此在製程上與紅、綠、藍相同，因此在黑色陣列顯影後的製程不會有蝕刻及剝離兩道製程。為避免鉻系之蝕刻廢液公害問題及降低成本，在 3.5 代或其後的彩色濾光片世代都已改用樹脂當做黑色陣列的材料。但是，樹脂黑色陣列也有其缺點，諸如:光學密度值較低、膜厚較厚、易使紅、綠、藍光阻形成牛角，雖然少了鉻系蝕刻及剝離兩道製程，但卻因為紅、綠、藍光阻形成牛角而必須研磨的問題，也因此造成氧化銦錫層的阻值較鍍鉻黑色陣列大。一般在黑色陣列製程的工程規格量測上會有以下幾個項目:1).線寬 X:即在不同顏色光阻間的黑色陣列寬度。因其在量測定義時為 X 軸方向，因此將不同顏色光阻間的黑色陣列寬度稱為 “線寬 X”。2).線寬 Y:即在相同顏色光阻上、下開口部間的黑色陣列寬度。因其在量測定義時為 Y 軸方向，因此將相同顏色光阻上、下開口部間的黑色陣列寬度稱為“線寬 Y”。3).開口部: 所謂開口部即是在黑色陣列的膜層上切出一個一個上下左右對齊缺口，稱之為開口部。開口部與線寬有直接的關係而且是負相關的關係，亦即，開口部大則線寬相對就小反之開口部小則線寬相對就大。在開口部會塗佈上紅、綠、藍顏色的光阻，以便讓背光透過，顯現出紅、綠、藍的顏色。此外還有對位精度及光罩位置精度等與曝光相關的工程規格。對於在玻璃基板上圖案的長、寬也必須加以規範，以防止玻璃基板與製程中因溫度均勻性問題而變形，在曝光後圖形超出規格。. 20.

(31) 圖 3.6 黑色陣列製程示意圖[11] 黑色陣列製程如圖 3.6 所示，其生產流程說明如下: 1. 紫外光洗淨及前洗淨：此作業是為了去除玻璃基板表面的污染粒子、油脂、自然氧化膜，確保玻璃基板之潔淨度，並改變基板表面的膜質，以增加基板表面附著性，以利黑色陣列製程之順利進行。 2.光阻塗佈（Coating）：此作業最主要目的便是將光阻均勻的塗布於玻璃基板上，以塗佈頭(die head)在整個玻璃基板上移動而塗佈光阻，然後利用高速旋轉的方式將玻璃基板上多餘的光阻除去並使光阻均勻分佈在玻璃基板上。光阻膜層的厚度可以用旋轉玻璃基板的速度來做控制，旋轉的速度快則膜厚較薄；反之旋轉的速度慢則膜厚較厚。 3.曝光（Exposure）：此作業主要運用水銀燈與光罩，將塗佈在玻璃基板上的感光性光阻予以曝光。 4.顯影（Developing）：此作業主要運用顯影液，將玻璃基板曝光部份清除，留下未曝光部份。 5.預烤硬化：此作業是將光阻加以烘烤，利用加熱的方式，使光阻中溶劑等小分子揮發，並使光阻的硬化反應更加完全。 6.蝕刻（Etching）：此作業主要是運用蝕刻液，除去玻璃基板上不要的鉻膜。 7.剝離（Stripping）：此作業主要是運用藥液，將玻璃基板上所殘留的光阻除去，僅留下玻璃基板上之金屬薄膜，而無光阻之存在。 8.黑色陣列缺陷檢查：此作業主要是希望提早發現製程之異常狀況，確保此製程後之產品品質，與減少製程發生異常狀況時成本與生產效率的損失。若使用樹脂做為黑色陣列製程的材料，則在製程的安排上是與紅、綠、藍的製程相同，也就是在光阻塗佈時使用負型光阻，由於光阻本身即為黑色陣列因此在顯影完後不會經過蝕刻及剝離等製程。在某些工廠的設計上黑色陣列製程是可以使用鉻和樹脂兩種材料來做黑色陣列，為了在一條線上生產兩種不同黑色陣列材質的彩色濾光片，設備的佈置及產品流程必須要做調整。前段從紫外光洗淨及前洗淨到曝光機都可以共用，但顯影機必須單獨使用，即鉻黑色陣列及樹脂黑色陣列分別使用不同的顯影機，此外因樹脂黑色陣列不經蝕刻及剝離製程，因此在顯影後必須直接跳到剝離製程後。. 21.