原创 平面显示器喷墨制程与分析系统

背景与动机
◆单位名称：工业技术研究院光电工业研究所

◆应用领域：半导体制程 / 平面显示器

◆使用产品：
Labview 6.1
Vision Builder 6.0
NI PCI-7344 Motion Card*2 (with UMI-7764)
NI PCI-1411 Image Card*2 (Area CCD*2)
NI PCI-1424 Image Card*1 (with DALSA CT-P1 1024, Line Scan CCD)
NI PCI-6036E A/D*1 (with SCB-68)

◆量测／测试所面临的问题：
2003年，FPD International 2003正式宣告，喷墨制程将取代传统曝光显影蚀刻制程，成为下世代 (6代基板以上, >1400*1600 mm)平面显示器主流制程技术。喷墨制程技术，目前正全力发展的领域，包含彩色滤光片、液晶填充、配向膜制作、高分子电激光显示器(PLED)、Chip on Film封装配线、Flexible PCB制作、有机记忆体元件、有机电晶体元件等，都已有实验室验证基础，逐渐取代传统黄光制程。特别是彩色滤光片与高分子电激光显示器，是目前各显示器面板厂商特别着墨发展的重点。

因属新兴的应用领域，目前遭遇到的困难瓶颈在于，并没有标准的设备系统，与完整的制程设计分析工具；加上喷墨控制技术，属于进入门槛高，不易取得的技术，因此，在系统的整合方面尚处于萌芽阶段。目前已知的投入开发厂商，如ULVAC的Litrex用于制作PLED、Applied Material的AKT系统，用于彩色滤光片的修补技术、DNP(大日本凸版)的彩色滤光片系统、也都仅止于Pilot Run系统的验证，可见其困难性。对于喷墨制程系统，其主要需求有：

1. 具有定位精度/重复精度需求为±1μm，轴控全行程矩阵点都须符合的高规格要求，此为喷墨技术要求的特点，因採矩阵型的列印，对轴系的控制要求特别严格，依班目前大行程的显示器设备系统，通常测量只侷限在最长行程±1μm的要求，并无法达到喷墨制程的需求。
2. 对各种不同产品的应用，如Color Filter、PLED，都属于薄膜制程，需要特殊的影像处两方法，才能鑑别薄膜厚度<1 μm的薄膜位置，做喷印位置的定位。
3. 需要On-Line做喷头的喷墨品质分析，特别是对于高挥发性溶液，On-Line喷墨品质可作为Head Cleaning制程开发的依据，这是目前喷墨制程能否量产的最大瓶颈。
4. 喷墨制程后的On-Line产品检验分析，与传统半导体制程不同的是，喷墨制程具有Local修补缺陷的能力，因此，必须在On-Line完成产品的分析，以提高良率。
5. 需要Real-Time控制喷墨作动，达到Drop on Demand与Pattern的需求，喷墨作动一般要求Real-Time的能力约为数μs的时间，即能与运动同步产生墨点喷涂在基版，形成薄膜。
6. 需要Real-Time监控环境，包含温度、溼度、压力、喷头背压、供墨液位、氧气浓度等，控制薄膜成型的品质与均匀性。
7. 需要具有Watch-Dog即时监视系统，监视控制所有的制程纪录，以开发新兴制程。
8. 需要具有Real-Time的影像扫描能力，作为显示器Bank变异的分析。
9. 需要具有Real-Time的基版平面检测系统，及时调整喷墨的高度变异，以增进喷墨品质。
10. 具有开放式的通信介面，与上下游制程的连结。

◆应用方案：
为解决上述问题，光电所于4年前投入此系统的开发，于设计阶段，因考量到此需求的高度复杂性与整合性，必须寻求一个开放式的系统作为Interface，并牵涉到固有喷墨技术C++ library的整合，故採用Lavbiew做为整合的介面工具。整个系统包含了以Labview作为User Interface、Event多工控制机制、9轴运动控制、VISA介面通信整合、FPGA喷墨控制、DSP单晶片Firmware控制、影像分析、双轴影像、环境数据撷取控制等。以克服上述在喷墨制程系统，全世界都在寻求的解答。所搭建的硬件，包含NI PCI-7344 Motion Card*2 (with UMI-7764)、NI PCI-1411 Image Card*2 (Area CCD*2)、NI PCI-1424 Image Card*1 (Line Scan CCD*1)、NI PCI-6036E A/D*1 (with SCB-68)等，所采用的开发软件为Laview 6.1 (包含Developer Suite Tool、IMAQ Builder)、Visual C++ (Firmware开发与Library开发)、Maxplus II (FPGA Coding)等。  文章摘要
◆系统简介
近年来任意点列印(drop-on-demand)之喷墨头出现是主要的列印技术，特别是针对工业应用。喷墨头一般使用压电式喷墨头(piezoelectric ink jet (PIJ) printhead)和热气泡式喷墨头(thermal bubble ink jet (TBIJ) printhead)这二大类。本文则是以NI(美商NATIONAL INSTRUMENTS) LabVIEW 6.1作为发展系统，结合了喷墨头驱动、精密定位控制、影像处理、信号撷取与处理…等技术，发展出目前以LabVIEW开发的第一套工业用喷墨列印平臺，可应用于次世代显示器高分子有机发光二极管(PLED)、液晶显示器之关键零组件彩色滤光片(color filter)、有机薄膜电晶体(OTFT)、微机电(MEMS)元件制作、生物晶片(Biochip)、印刷电路板(PCB)等新领域。本单位并成功的利用此系统喷印出PLED、color filter、OTFT、PCB等产品。本系统基础架构如下如所示，其重要关键有以运动控制卡PCI介面做9轴运动控制、双PCI介面的模拟影像撷取、一个Real Time Scan的Linear CCD系统做墨点Single Shot观测与基版平行度扫描、Analog & Digital的PCI介面环境控制，以及RS-232介面的喷墨控制。
　

图一 系统控制示意图
　

◆平台硬件
本平臺硬件分成两大部分，一为本体系统，一为外罩系统。本体的部分提供本平臺一列印的光机平臺系统。外罩系统为提供本机台的保护防尘与环境系统。本体系统可分成下列几个模组，参考下图。以驱动介面来看，包含9个运动控制轴，其中8轴以轴控卡控制，控制精度达到±1μm，一轴以I/O做为切换动作；计有三组CCD系统，一组Analog Area CCD作为Alignment / Panel Inspection功能，一组Analog Area CCD作为喷墨头品质观测，以及一组Line Scan CCD做为基板喷墨运动时， Pixel位置的即时扫描；一组雷射位移计，由A/D卡撷取数据，量测基版平面度，以及由A/D卡监控的环境周边，如下MAX设定可见。
　

图二 系统MAX设定页
　

硬件包含：
1. 花岗岩承载base与龙门框架及防震气囊模组
2. panel平臺模组
3. 喷头移动与panel CCD模组
4. 复合式service station与墨滴观测模组。
5. storage模组
6. 铝挤型外罩模组
　

图三 系统外观
　

◆软件架构
软件架构由三个主程式构成，组成一个即时多工的作业系统。分别为A. 档案管理系统。B. Watch Dog系统。C. 主程式制程。三个程式以多工Semaphore做为切换，架构如下。File Manager的功能在于侦测纪录主控电脑的状态，并记录与分配系统资源与主程式内各个Event驱动的模组，如运动控制、喷墨控制、影像处理等。Watch Dog同步侦测主程式目前制程操作的状态,主要包含使用者作动的动作、设定的喷制程参数条件、环境状况等。主程式则主要区分区以Event驱动的各模组，包含Jog运动、Strobe 喷墨同步观测、Print Head Service、基版平面扫描定位、元件缺陷检测与识别、环境监控、使用者介面等。分述如下。
　

图四 软件流程
　

A. File Manager
File Management主要提供下列三个功能:
1. Hard Disk Check(橙色方框)：侦测目前主控电脑系统状态，由于为制程设备，故此设计在于长年操作状态，因纪录设备资料庞大，必须有一预警功能，在系统资料即将达到瓶颈时，先行警示使用者。
2. “Watch Dog For Button Screen” and “Watch Dog For For Real Time” 档案切割与存档(红色方框)：由于Watch Dog 软件会记录使用者使用软年时的动作并随时记录重要参数于Watch Dog 软件内的Button Screen 与Real Time Watching Screen。此功能目的即为将Button Screen的内容记录于档案中。记录的过程中并检查目前的档案大小，避免档案过大不易开启等问题。此程式在Programming中，最大的挑战在于必须达到Hard Real-Time的要求，也就是说，纪录过程中，资料的切换储存，并不允许中断Watch Dog。故本程式採用Semaphore作为多工机制的切换，以达到Real-Time的要求。
3. 提供开档与存档之路径(绿色方框)：将所有存档路径均固定设定于Path of HD Check Edit路径之下，便利使用者设定所有必要的目录结构。
　

图五 File Manager
　

B. Watch Dog
下图为部份Watch Dog纪录资讯，包含使用者的操作动作，与当时所有的制程条件，都将记录于资料档，供日后制程分析用途。
　

图六 Watch Dog功能
　 Watching dog 侦测程式,包含触发侦测项目与及时侦测项目

主程式,包含要侦测的项目

表一 Watch dog使用之SubVI
　

C. Main Program
C1. 使用者介面：
包含切页式的使用者介面，如下图，每ㄧ模组都是一个Event驱动的程式。各个模组的Event Detail如下表。
　

图七 主程式Event架构
　 Jog Mode User Interface：Jog模式的运动控制。其中3轴控制Table运动、3轴控制Head姿态、3轴控制喷头清洁与Strobe取像。 Vision：影像强化功能与影像处理，使拍摄薄膜影像时，可以提高对比。 Firing：喷墨波形调变，以及同步触发拍照时，LED同步信号控制。同步控制调变范围自1μs-200μs。 Process：设定平面显示器Pixel资讯与Pattern规格。使用者可以根据显示器的Panel规格，採用On-Line User Interface输入、Excel Data 输入、JPEG、BMP、TIFF等图档格式输入。 Strobe：喷墨触发同时，撷取喷墨墨点飞行影像与分析 Dot analysis：分析喷印后的喷墨品质与产品良率 Head cleaning：喷墨头清洁功能，使用者可以设定各种Service功能、并组合复式功能符合制程需要。 Environmental：监控环境条件，以及制程背压控制。

表二 各个模组之使用者介面
　

C.2 Drop on Demand Printing
Printing制程可分为Drop On Demand Printing及Panel library Printing。Drop On Demand Printing功能为提供使用者任意选取欲喷印墨水之喷墨孔，以利检查喷孔是否有阻塞或观察其喷墨结果。Panel library Printing的功能是为喷印平面显示器Panel规格时，自动计算所有制程需要的喷墨位置与致动喷孔。如下图，Green Dot表示对某特定基版规格，唿叫Panel library自动计算致动的结果。而在制程上，为求得最高的良率，当使用者发现部分喷墨品质有瑕疵时(以下章节介绍的C5. Dot Analysis或C4. Strobe喷墨品质系统分析)，可以即时线上处理，唿叫本Drop on Demand功能，自动将有问题的喷孔Disable。如下图。
　

图八 唿叫Panel library自动计算致动
　

图九 唿叫Panel library自动计算致动，使用者可以线上Disable喷墨品质不佳的喷孔
　

C.3 环境控制系统
包括背压控制以及环境控制两部分。以下为主要之子VI介绍：
环境控制程式：监控制程环境的温度、湿度、压力、水氧值、供墨切换电磁阀作动、喷墨储存时，自动供应补充墨水等。
　

Courage_1_limit.vi
上下限子VI
测得的温度与使用者设定之上下限作比较,若比上限高则over limit警示灯亮,若比下限低则under limit警示灯亮

Environment-1renew-.vi
环控VI
使用者设定环境参数的警示灯上下限,输出各项感测资讯

表三 环境控制系统之SubVI
　

背压系统程式
此背压系统具备2组可控制之真空源vacuum(“lung” and “meniscus”)及1组可控制之压力源pressure (“purge”)，以提供喷墨头动作时适当之气压环境。此系统最主要的元件是一双头式无刷直流隔膜式帮浦Dual Head Diaphragm air pump。4

其中的一个帮浦产生所需之lung vacuum，以提供喷墨头degassing lung所需之强大真空，另外一个帮浦则具备两个功能，经藉由引导输出之气压方向，导入一个真空产生器venturi extractor，以产生所需之meniscus微小负压，或产生吹灌喷孔所需之Purge压力。

Lung Vacuum
由于喷墨头的机构中有一层可透气之薄膜与墨水作大面积的接触，此真空压力的机制即在拉引出墨水中尚未溶解之残留的微小气泡，进而使喷墨头的高频响应优良。真空压力值是可由使用者设定，此真空压力是靠一个闭迴路之压力转换回授系统所控制，当真空值小于使用者设定值时，即导引帮浦抽气以回復到设定之真空值，并且此真空是随时存在即使是喷墨中或是喷头闲置时。

Purge Pressure
清除之压力乃是利用可控制之空气压力，迫使量化的喷液从喷嘴处喷出，这个目的是在清洗喷嘴，或是逐出杂物，例如空气气泡或碎小物质，以保持喷嘴的畅通，使用者只需点选所需之压力值，即可由系统控制得到精准之压力值，并且purge的时间长短也可由电脑面板设定，系统并提供两组喷墨头的切换。

Meniscus Vacuum
meniscus vacuum主要在避免喷液因大气压力的关系溢湿了喷孔，进一步的说meniscus vacuum可产生恰当的喷孔液面，形状宛如一凹透镜般，以得到完美的喷墨墨滴。系统提供了精准且稳定的meniscus vacuum 来源给两组喷墨头同时使用，而meniscus vacuum 是靠着一个真空产生器配合压力帮浦来产生。
　

图十 环控与背压系统使用者介面
　 参数 描述Lung V 于图左下角，显示现在Lung感测器量到的电压值Meniscus V 于图左下角，显示现在Meniscus感测器量到的电压值millisecond to wait meniscus抽气时之时间控制

表四 几个显示与设定参数
　

图十一中有四个曲线图分别显示大气温度、溼度、压力与氧气的状况。图中之各参数描述如下。使用者在Boundary setup区域中设定上下限值，当侦测值超过设定的上下限值时便会使Alarm zone之警示灯亮。
　

图十一 环境状态之显示介面
　

C4. Strobe 喷墨品质观测系统
Strobe观测系统用于检验所有喷孔是否工作正常，其系统架构如下图所示。
　

图十二 Strobe软件流程
　

首先整个Strobe观测分成即时影像与非即时影像两大主轴。即时影像部份分为单一喷孔与全喷孔两种观测模式，其中单一喷孔模式用于即时调整strobe的时间延迟、驱动波型等等的参数调整，而全喷孔观测用于确认所有喷孔的状态，并会将结果显示于图表上。而非即时影像部分，是将之前储存的影像读取出来分析，而不需要重新取一次影像。同样也分为单一喷孔观察与全喷孔分析两种模式，如下图。主要分析的有墨点体积、Break-Off飞行长度、飞行速度的变异分析，使用者可以在使用者介面Real-Time观测喷墨品质，分析喷孔Nozzle – to - Nozzle的变异。此点对于高规格的要求如平面显示器的制作，非常重要，因为变易会造成良率的降低。喷孔状态显示区会显示上一次全喷孔观测之后的结果，分别为液滴飞行距离与长度、体积、总卫星液滴数目三种，可在功能选择中做即时分析，如下图十三(由上至下)：
　

图十三(A) Strobe模组之使用者介面
　

图十三(B) 喷头全孔扫描分析：墨点的体积变化
　

图十三(C) 喷头全孔扫描分析：墨点的Break-Off长度变化
　

图十三(D) 喷头全孔扫描分析：墨点的速度变化
　

图十三(E) 间隔10μs的喷墨即时连续影像
　

图十三(F) 喷头全孔扫描之连续影像
　

C.5 Dot Analysis与显示器制程良率分析
为检测喷印制程中液滴喷液状态,故发展此程式, 此功能使使用者可以在线上分析平面显示器制作的品质。使用于检测喷液品质, 使用的影像处理技巧如接图程式,液滴分析程式, 图像比对…等, 最后可以得到完整的接图液滴影像, 未喷液区域, 液滴直径,面积, 在影像平面的液滴座标位置, 与墨点个数。液滴分析程式的流程:
Step1. 主程式选定Panel 规格与解析度, 进行液滴喷射。
Step2. 根据不同的基版背景，调整影像强化、滤波处理、Binary、Color Abstration运算等。
Step3. 驱动平台到达定位后, 撷取每个液滴影像且储存档案。
Step4. 正式进行液滴分析前, 引入物理因子，校正CCD图素实际尺寸，如下图校正后结果。
　

　 倍率 1X 2X 3X 4X 5X 6X 7X

10.388 5.165 3.484 2.622 2.113 1.758 1.530

图十四 CCD图素实际尺寸校正
　

Step5. 设定存档路径与接图影像个数,包含x,y轴的影像个数,并设定合适的影像处理参数后。
Step6. 即可利用由主程式依所选的panel 形式, 所推得的理想液滴位置建立每一个液滴理想的落点区域。
Step7. 再利用所有已撷取的液滴影像, 和理想值该液滴应落于显示器基版的位置，将影像进行无接缝衔接, 形成一张扫描整个平面基版完整的接图影像。
Step8. 接下来再进行影像处理,得到每个液滴的直径,面积, 液滴个数, 与影像平面的液滴座标位置，包含各种Particle Analysis、Morphology Control、Opening与Closing、Edge Detection技巧。
Step9. 将实际的液滴位置和理想的液滴落点区域进行比对,若液滴落于区域外, 或有未喷的现象, 则以红色区域表示。
　

图十五 墨点在平面显示器专用玻璃基版上的部份喷印结果
　

图十六 在平面显示器专用玻璃基板喷印墨水，即时影像辩识分析结果
　 液滴整体分析结果 数值Theoretical Dot number 850Practical Dot Number 850Dot Yield Rate % 100.00Diameter Mean (um) 68.45Diameter Standard Deviation (um) 6.4Area Mean (pixel) 139.15Area standard deviation (pixel) 27.81Directionality Error Mean (um) 8.73Directionality Error Standard deviation (um) 4.00

表五 在平面显示器专用玻璃基板喷印墨水，良率分析结果
　

图十七 在平面显示器专用玻璃基板喷印墨水，影像辩识与液滴分析3D图

即时分析出每个液滴喷射区域内液滴资讯(以3D表示)包含(a)液滴的直径, (b)液滴的方向性误差, (c )液滴的面积。(d) 是否喷墨。

 结论
由于已经有使用NI的软硬件开发系统的经验，因此在本计划开始规划时，即以NI的运动控制卡、影像撷取卡、模拟转数字信号撷取卡搭配LabVIEW、Vision Builder软件作为系统的主架构，在系统硬件相容性方面，不必再多花时间测试。本系统的架构庞大，又要整合入许多的技术，此时LabVIEW的SubVI功能可使得各个模组可由各自的负责人分别开发、测试，最后再整合至主系统，以并行的方式节省大量时间。影像分析系统在Vision Builder的支援之下，可在方便的影像处理介面上完成图像的分析，再由LabVIEW中的各种函式计算、分析数据。本系统所需要的多工、即时监控等功能，也都可以由LabVIEW提供解决的方案，而与其他硬件的沟通方面，也可以透过Serial Port、I/O控制方式来达成。本系统一如预期，在短暂的时间内即完成了设定中的所有功能，在debug上也由图形的程式介面，轻易地找出问题之所在。本案将制程系统与分析系统相结合，可即时了解整个喷墨系统的喷印品质与状态，相较于以往只能就完成的成品再以其他设备做检验，在研究的便利性方面，有着大幅的提升。

Litrex corporation为工业喷印系统应用于平面显示器领域之领导厂商，于2001年展示80L机台，2002年推出140 P机台，工研院光电所于2003年，虽然晚了Litrex两年，但採用NI LabVIEW作为发展软件，配合NI相关硬件，使得光电所喷印系统稳定性及相容性高，并且将整个开发时程缩短、成本降低；使光电所平面显示器喷印技术已追上国外大厂litrex。
　

图十八 光电所喷印系发展时程与Litrex比较
　

◆产品与系统Performance
　

图十九 喷墨法制作之彩色滤光片(光电所) 　　　　　　　　　　　图二十 喷墨法制作之PLED (光电所)
规格：279μm*279μm, 15” XGA Standard 　　　　　　　　　　　　规格：240*73μm, QCIF Standard　　
　

图二十一 喷墨法制作之软性电路基板(光电所)
Flexible Printed Circuit Board, FR-4, Line Width ~100μm
　

◆运动轴控制精度(8轴 by two PCI-7344 Motion Card, Close Loop Control)：
误差0 Count, 光学呎精度0.5 μm
　

图二十二 运动轴控制精度
　

◆雷射位移计(KEYENCE LK-031 + PCI-6036E A/D卡)量测玻璃基版平面度：
　

图二十三 雷射位移计量测玻璃基版平面度
　 Functionality Pilot RunPlatform Structure Head Motion // Table-X
X-Y-θTable + Moving Head + Fixed CCDConsole Control Multi-TaskAxis Accuracy ± 1 μmAxis Resolution 0.5μmRotating Resolution <0.0004°Max. Velocity 16 in /sSubstrate Type Rigid & Sheet FlexibleSubstrate Size > 250*250 mm Substrate Surface Flatness Laser Detection YesHead Cleaning Service YesPlatform Temperature Control YesOptical Alignment Manual (1-12X, ± 1 μm)Ink Level Detection YesInk Pressure Control ±0.2 m barHead Observation YesPrint Head Support OES-I & II, Spectra, Microfab, HpMulti-Head Support SingleDrop Volume Range 10-85 pL depending on print headDrop on Demand YesWaveform Control YesImage Patterning Matrix Data, Excel Data, JPEG, BMP, TIFFEnvironmental Control YesVentilation HEPAOn Line Patching YesOn Line Analysis YesPrinting Method Printing on the fly / Step PrintingSystem Self-Detection YesSystem Watch Dog YesImage Enhancement CCD Enhancement / UV Light / Software Image Processing
(Auto-Thresholding、Brightness、Contrast、Gamma、Color Extract)Communication RS232 / GPIB / TCP/IPPrototype Foundation 2004/Q2Application PLED / Color Filter / Microlenses / PCB

表六 系统规格