彩膜微觀缺陷修補(bǔ)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)和效率提升

蔣 遷，王 旭，王蘭健，何晨彤，武占英，董宏達(dá)，李海飛

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

隨著工業(yè)4.0、中國制造2025戰(zhàn)略提出，制造業(yè)正逐步朝著自動(dòng)化、智能化發(fā)展[1]。TFT-LCD產(chǎn)業(yè)制程本身是高度自動(dòng)化的[2～6]，其人力投入主要分為兩部分：維護(hù)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的工程師和對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)、修復(fù)的作業(yè)員，而后者的人數(shù)是前者的數(shù)倍之多。實(shí)際上，作業(yè)員進(jìn)行的檢測(cè)、修復(fù)等作業(yè)內(nèi)容相對(duì)簡單、單一，如果該部分作業(yè)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化，能節(jié)省大量的人力成本，提高作業(yè)效率。

本文對(duì)8.5代線彩膜(Color Filter，CF)工廠的微觀缺陷修補(bǔ)工位進(jìn)行研究，檢討無人化可行性，并研究設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)營邏輯，最終將自動(dòng)修補(bǔ)邏輯寫入設(shè)備軟件，實(shí)現(xiàn)了修補(bǔ)工序自動(dòng)化。

2 CF工藝流程和微觀缺陷修補(bǔ)方式

2.1 CF工藝流程

TFT-LCD制程可以分為陣列(Array)、彩膜(CF)、對(duì)盒(Cell)、模組(Module)4部分，其中CF段良率最高，一般產(chǎn)品均在99.5%以上。高良率與CF的微觀缺陷修補(bǔ)工藝密不可分[7]，如圖1所示，在CF黑矩陣(Black Matrix，BM)、色阻(RGB)、柱狀物(Photo Spacer，PS)工序完成后，均可對(duì)相應(yīng)膜層的微觀缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，提升良率。

圖1 CF工藝流程Fig.1 Process flow of color filter

2.2 CF微觀缺陷種類和修補(bǔ)方式

根據(jù)不同的劃分原則，可以對(duì)CF微觀缺陷進(jìn)行多種劃分。從產(chǎn)生工序區(qū)分，可以分為BM缺陷、RGB缺陷、OC缺陷、PS缺陷；從缺陷形態(tài)區(qū)分，可以分為異物類、纖維類、PR殘留類、劃傷類、掉膜類等等；從缺陷檢測(cè)原理區(qū)分，可以分為黑缺陷和白缺陷。由于微觀缺陷的修補(bǔ)是基于缺陷的檢出進(jìn)行的，本文僅以黑缺陷和白缺陷分類對(duì)缺陷進(jìn)行區(qū)分。

CF采用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)機(jī)(Automatic Optical Inspection，AOI)對(duì)微觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)AOI自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，機(jī)器通過一排CCD自動(dòng)掃描基板，采集圖像，經(jīng)過圖像處理，進(jìn)行單周期Pitch比較，從而檢查出基板上的缺陷。缺陷檢出采用5點(diǎn)比對(duì)法，如圖2中5個(gè)點(diǎn)，假設(shè)其灰階為A1、A2、A3、A4、A5，其中A2、A3、A4、A5為參考點(diǎn)，A1為比較點(diǎn)。取上述5個(gè)點(diǎn)中間值(假設(shè)這5點(diǎn)的灰階大小關(guān)系為A2

當(dāng) |A1-A5| > 設(shè)定閾值， A1點(diǎn)為缺陷點(diǎn)；

當(dāng) |A1-A5| < 設(shè)定閾值， A1點(diǎn)為正常點(diǎn)。

當(dāng)A1>A5時(shí)，為黑缺陷；反之為白缺陷。通常黑缺陷為金屬異物、PR殘留、纖維等，白缺陷為膜層缺失。

圖2 AOI檢測(cè)原理Fig.2 Inspect principle of AOI

CF修補(bǔ)方式有3種：研磨(Tape)、激光(Laser)和填色(Ink)。實(shí)際生產(chǎn)中，研磨用于磨掉膜上的黑缺陷，激光用于去除BM膜層PR殘留和RGB白缺陷填色前規(guī)整圖形準(zhǔn)備，填色是在激光去除缺陷后，在相應(yīng)位置處填補(bǔ)上RGB色阻，3種修補(bǔ)方式效果如圖3～圖5所示。

圖3 研磨修補(bǔ)Fig.3 Tape repair

圖4 激光修補(bǔ)Fig.4 Laser repair

圖5 激光和填色修補(bǔ)Fig.5 Laser and ink repair

3 CF微觀缺陷修補(bǔ)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)

CF微觀缺陷人工修補(bǔ)流程如圖6所示，基板經(jīng)過AOI檢測(cè)后，AOI將所檢測(cè)的缺陷信息，包括：(1)不良面積；(2)不良坐標(biāo)(X、Y)；(3)不良種類(黑缺Reflect Black，RB；白缺Transmit White，TW)；(4)不良數(shù)量；(5)不良尺寸(ΔX、ΔY、最大長度)；(6)灰階差值(Bright2)等6部分上傳到服務(wù)器上。當(dāng)基板流經(jīng)修補(bǔ)設(shè)備時(shí)，修補(bǔ)設(shè)備從服務(wù)器提取缺陷信息并逐一提示作業(yè)員，作業(yè)員根據(jù)提示，逐一手動(dòng)操作鏡頭移動(dòng)至缺陷點(diǎn)坐標(biāo)處，肉眼確認(rèn)是否存在真缺陷以及真缺陷類型，并手動(dòng)點(diǎn)擊缺陷中心位置，讓修補(bǔ)設(shè)備移動(dòng)至該位置，針對(duì)不同類型的缺陷進(jìn)行相應(yīng)的研磨、激光或填色作業(yè)，值得一提的是，填色作業(yè)也是需要人眼識(shí)別顏色后選擇紅、綠、藍(lán)或者黑色墨盒進(jìn)行填色。

圖6 微觀缺陷人工修補(bǔ)流程Fig.6 Process flow of micro-defect repair by human

要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化修補(bǔ)，即用設(shè)備替代人工進(jìn)行缺陷類型判定、缺陷精確位置查找、修補(bǔ)方式選擇等工作。AOI只提供了缺陷類型、面積、尺寸和坐標(biāo)，還有極低的誤檢性(把假缺陷檢測(cè)成真缺陷)，如何讓修補(bǔ)設(shè)備像人眼一樣“認(rèn)出”缺陷并選擇正確的方式進(jìn)行作業(yè)呢？尤其填色作業(yè)的時(shí)候，設(shè)備如何像人眼一樣“認(rèn)出”顏色呢？

本文中提出最小循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)圖像比對(duì)法解決這一問題。CF圖形是循環(huán)重復(fù)排列的，選擇最小不重復(fù)的一組正常區(qū)域作為標(biāo)準(zhǔn)圖像，將被檢測(cè)區(qū)域同樣劃分為N個(gè)小區(qū)域，逐一與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比對(duì)，則可以發(fā)現(xiàn)缺陷并確認(rèn)缺陷類型，最后選擇修補(bǔ)作業(yè)。以下結(jié)合各具體修補(bǔ)工序進(jìn)行闡述。

3.1 BM后微觀缺陷自動(dòng)修補(bǔ)實(shí)現(xiàn)

BM工藝之后，僅對(duì)黑缺陷進(jìn)行自動(dòng)激光修補(bǔ)，基板進(jìn)入修補(bǔ)設(shè)備后，修補(bǔ)鏡頭和修補(bǔ)單元可根據(jù)AOI提供的坐標(biāo)移動(dòng)至缺陷點(diǎn)附近，接下來是如何識(shí)別缺陷的準(zhǔn)確位置和使用激光作業(yè)。

將像素的最小子循環(huán)圖像設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)圖像，并在框內(nèi)設(shè)置幾個(gè)激光區(qū)域。鏡頭移動(dòng)至缺陷點(diǎn)坐標(biāo)后，使用2倍鏡頭自動(dòng)對(duì)焦，然后逐一區(qū)域進(jìn)行與最小循環(huán)單元比對(duì)，比對(duì)結(jié)果一致默認(rèn)為無缺陷，進(jìn)行下一區(qū)域比對(duì)，當(dāng)比對(duì)結(jié)果不一致時(shí)，則找到了缺陷。當(dāng)視野內(nèi)未找到缺陷時(shí)，設(shè)備會(huì)報(bào)警，提示人員進(jìn)行確認(rèn)，是否為AOI誤檢。找到缺陷后，設(shè)備切換20倍鏡頭再次對(duì)焦和比對(duì)，確認(rèn)缺陷的精確位置，然后執(zhí)行激光動(dòng)作。

圖7 BM工藝后自動(dòng)修補(bǔ)設(shè)置Fig.7 Setting of auto repair after BM process

如圖7所示，對(duì)于該產(chǎn)品，設(shè)置2個(gè)子像素為最小循環(huán)單元，并在最小循環(huán)單元內(nèi)設(shè)置2個(gè)激光框。圖7中的圓形黑缺陷，設(shè)備經(jīng)過2倍鏡圖像比對(duì)后找到缺陷，切換20倍鏡頭再次比對(duì)，識(shí)別缺陷準(zhǔn)確位置在最小循環(huán)單元的左側(cè)，并位于激光框1中，接下來執(zhí)行預(yù)設(shè)好的Laser1框的激光動(dòng)作(包括使用的激光能量和激光框面積)。執(zhí)行完1次之后再次進(jìn)行圖像比對(duì)，比對(duì)結(jié)果一致認(rèn)為修補(bǔ)完成，切換2倍鏡移動(dòng)至下一缺陷點(diǎn)，如果比對(duì)結(jié)果不一致，認(rèn)為激光修復(fù)一次不能將缺陷完全去除，再次進(jìn)行激光動(dòng)作，兩次之后仍然有缺陷，認(rèn)為出現(xiàn)異常，設(shè)備報(bào)警提示人員確認(rèn)(一般情況下，兩次激光能完成修補(bǔ))。

BM工藝后自動(dòng)修補(bǔ)流程如圖8所示。

圖8 BM自動(dòng)修補(bǔ)流程圖Fig.8 Auto repair process flow of BM repair

3.2 RGB后微觀缺陷自動(dòng)修補(bǔ)實(shí)現(xiàn)

RGB工藝之后，需要修補(bǔ)的缺陷分為黑缺陷(RB)和白缺陷(TW)兩種，修補(bǔ)設(shè)備根據(jù)從AOI提取的缺陷信息RB或TW，選擇不同的作業(yè)。

同BM工藝后的修補(bǔ)一樣，RGB工藝后的修補(bǔ)也需要設(shè)置最小循環(huán)單元，以便設(shè)備進(jìn)行缺陷比對(duì)查找。此外，RGB像素的填色作業(yè)涉及不同顏色的墨盒選擇，也是通過圖像比對(duì)實(shí)現(xiàn)的。

圖9 RGB工藝后自動(dòng)修補(bǔ)設(shè)置Fig.9 Setting of auto repair after RGB process

如圖9所示，對(duì)于該產(chǎn)品，設(shè)置2組RGB像素為最小循環(huán)單元，并在最小循環(huán)單元內(nèi)設(shè)置6個(gè)激光框。在一個(gè)最小循環(huán)內(nèi)，設(shè)置R、G、B像素開口區(qū)填色作業(yè)時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的紅、綠、藍(lán)色的墨盒，其余區(qū)域選擇黑色墨盒。圖9中位于R像素內(nèi)部的黑缺陷，設(shè)備經(jīng)過2倍鏡圖像比對(duì)后找到缺陷，首先進(jìn)行測(cè)高，如果高度在規(guī)格內(nèi)(各產(chǎn)品規(guī)格不同)，判定OK，進(jìn)行下一個(gè)缺陷點(diǎn)修補(bǔ)；如果高度超出規(guī)格，則進(jìn)行研磨作業(yè)，研磨后再次測(cè)高，如果一次研磨后高度在規(guī)格內(nèi)，判定OK，進(jìn)行下一個(gè)缺陷點(diǎn)修補(bǔ)；如果一次研磨后高度超出規(guī)格，則再次進(jìn)行研磨作業(yè)，研磨后再次測(cè)高，如果二次研磨后高度在規(guī)格內(nèi)，判定OK，進(jìn)行下一個(gè)缺陷點(diǎn)修補(bǔ)；如果二次研磨后高度仍然超出規(guī)格，則切換20倍鏡進(jìn)行激光+填色作業(yè)。切換20倍鏡頭后通過比對(duì)識(shí)別缺陷準(zhǔn)確位置在激光框2中，應(yīng)該填充紅色墨盒。接下來執(zhí)行預(yù)設(shè)好的激光和填色動(dòng)作。切換2倍鏡再次比對(duì)，比對(duì)結(jié)果一致，認(rèn)為修補(bǔ)完成，移動(dòng)至下一缺陷點(diǎn)，否則設(shè)備報(bào)警，提示人員確認(rèn)。RGB工藝后自動(dòng)修補(bǔ)流程如圖10所示。

圖10 RGB自動(dòng)修補(bǔ)流程圖Fig.10 Auto repair process flow of RGB repair

3.3 PS后微觀缺陷自動(dòng)修補(bǔ)實(shí)現(xiàn)

BM工藝和RGB工藝產(chǎn)生的微觀缺陷已經(jīng)在前工藝完成了修補(bǔ)，至PS工藝后，可進(jìn)行修補(bǔ)的缺陷為OC膜上的黑缺陷，其修補(bǔ)邏輯和方法與RGB工藝產(chǎn)生的黑缺陷類此，在此不再贅述。

將上述修補(bǔ)邏輯分別寫入修補(bǔ)設(shè)備軟件，可實(shí)現(xiàn)各工序的自動(dòng)修補(bǔ)。以PS 修補(bǔ)良率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)化修補(bǔ)成功率為99.8%，與人工修補(bǔ)成功率99.9%相當(dāng)，滿足生產(chǎn)需求(>99.5%)。8.5代線CF工廠修補(bǔ)設(shè)備共10組，自動(dòng)修補(bǔ)導(dǎo)入前后機(jī)組和人員配置如表1所示，自動(dòng)導(dǎo)入完成后，修補(bǔ)人員從20人降低為7人，主要進(jìn)行設(shè)備報(bào)警處理和異常情況對(duì)應(yīng)，節(jié)省人力13人。

表1 修補(bǔ)機(jī)組和人員配置Tab.1 Arrangement of repair equipment and personnel

4 CF微觀缺陷自動(dòng)化修補(bǔ)效率的提升

圖11 各工序修補(bǔ)時(shí)間/卡夾Fig.11 Repair time per cassette of each repair process

雖然所有的基板都存在大小不一的缺陷，但并不是所有的缺陷都需要修補(bǔ)。圖11統(tǒng)計(jì)了隨機(jī)10個(gè)卡夾(一個(gè)卡夾40 sh基板)自動(dòng)修補(bǔ)所需要的時(shí)間，BM、RGB、PS 平均修補(bǔ)一個(gè)卡夾需要時(shí)間分別為29，42，53 min,其中存在著部分時(shí)間浪費(fèi)。例如有些缺陷由于其面積非常小，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證不會(huì)對(duì)顯示造成任何影響，是可以不修補(bǔ)的，也就是所謂的缺陷容忍度。而還有一些缺陷則是過大，無法進(jìn)行修補(bǔ)，可以直接進(jìn)行NG(Not Good)判定，也是無須進(jìn)行修補(bǔ)的。這些無須經(jīng)過修補(bǔ)的基板也進(jìn)入修補(bǔ)設(shè)備勢(shì)必造成產(chǎn)能浪費(fèi)，通過給AOI設(shè)備添加基板判定功能，可以解決這個(gè)問題。

AOI每檢測(cè)完一張基板后，得到基板所有的缺陷信息。對(duì)這些信息進(jìn)行篩選判定，沒有任何一個(gè)缺陷達(dá)到修補(bǔ)基準(zhǔn)的，AOI給該基板判定Code“Good”；缺陷過多過大無法修補(bǔ)的，AOI給該基板判定Code“Rework”；而需要進(jìn)行修補(bǔ)的給予其他Code，并對(duì)不同Code的基板單獨(dú)收集，進(jìn)入到不同的下游，具體運(yùn)營如圖12～14所示。

圖12 BM 修補(bǔ)自動(dòng)分片示意圖Fig.12 Auto sorting of BM repair

圖12為BM 修補(bǔ)自動(dòng)分片流程圖，BM 修補(bǔ)只進(jìn)行激光修補(bǔ)，基板經(jīng)過AOI后，AOI給基板G(無須修補(bǔ))、R(無法修補(bǔ))、Q(進(jìn)行Laser修補(bǔ))3種判級(jí)，進(jìn)入修補(bǔ)設(shè)備前，無缺陷基板收集在一起進(jìn)行下一工藝，R基板收集在一起進(jìn)行返工作業(yè)，Q基板進(jìn)入設(shè)備進(jìn)行激光修補(bǔ)。

圖13為RGB 修補(bǔ)自動(dòng)分片流程圖，RGB 修補(bǔ)進(jìn)行研磨和填色修補(bǔ)，基板經(jīng)過AOI后，AOI給基板G(無須修補(bǔ))、R(無法修補(bǔ))、Q(進(jìn)行研磨修補(bǔ))和C(進(jìn)行填色修補(bǔ))4種判級(jí)。

圖14為PS 修補(bǔ)自動(dòng)分片流程圖，同BM類似，分為G、R、Q 3種，Q進(jìn)行研磨作業(yè)。

圖14 PS 修補(bǔ)自動(dòng)分片示意圖Fig.14 Auto sorting of RGB repair

圖15 優(yōu)化前后各工序修補(bǔ)時(shí)間/卡夾Fig.15 Repair time per cassette of each repair process before and after optimization

經(jīng)過AOI自動(dòng)判級(jí)后，BM 修補(bǔ)、RGB 修補(bǔ)和PS 修補(bǔ)分別有70%、35%和14%的玻璃直通，這部分玻璃不經(jīng)過修補(bǔ)設(shè)備，節(jié)省了修補(bǔ)時(shí)間，圖15為優(yōu)化前后各工序修補(bǔ)時(shí)間，優(yōu)化后BM、RGB、PS 平均修補(bǔ)一個(gè)卡夾需要時(shí)間分別為22，37，50 min,分別減少了7，5，3 min，減少量分別為24%、12%和6%。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)制造業(yè)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，提出了CF修補(bǔ)工序自動(dòng)化，介紹了微觀修補(bǔ)方式，檢討了自動(dòng)修補(bǔ)邏輯和可行性，并在8.5代線CF工廠中實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自動(dòng)修補(bǔ)，將修補(bǔ)工序作業(yè)員由20人降低為7人，節(jié)省人力13人，節(jié)省量65%。此外，通過賦予檢測(cè)設(shè)備給基板判級(jí)功能，使不需要修補(bǔ)的基板不進(jìn)入修補(bǔ)設(shè)備，進(jìn)一步優(yōu)化基板流向和設(shè)備負(fù)荷，優(yōu)化后，BM、RGB、PS 修補(bǔ)分別有70%、35%和14%的玻璃直通，平均修補(bǔ)一個(gè)卡夾的時(shí)間分別減少了24%、12%和6%。經(jīng)與其他世代線CF工廠對(duì)標(biāo)，本文所闡述的邏輯可平行推廣至其他生產(chǎn)線，節(jié)省人力成本，提高自動(dòng)化程度。