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研究生:皮碩傑
研究生(外文):PI, SHUO-CHIEH
論文名稱:彩色濾光片之黑色矩陣其線寬穩定性之改善
論文名稱(外文):Improvement on Critical Dimension Stability of Black Matrix of Color Filters
指導教授:高宗達
指導教授(外文):KAO, TZUNG-TA
口試委員:張金龍高宗達葉蕙溱楊誌欽郭文正
口試日期:2019-07-29
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄科技大學
系所名稱:電機工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:142
中文關鍵詞:彩色濾光片樹脂黑色矩陣線寬彩色濾光片製程
外文關鍵詞:Color filterResin Black MatrixPixel CD (Critical Dimension)CF Process
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彩色濾光片是使液晶顯示器呈現亮麗、逼真、鮮明的畫面,而提高其附加價值之關鍵元件,基本結構係由玻璃基板、黑色矩陣、RGB彩色層、保護層後再加上一層間隙控制材料光阻以用來取代面板組裝的灑佈珠狀材製程。而其黑色矩陣光阻應用於液晶顯示器之彩色濾光片,藉其高光遮蔽性區隔 RGB 三原色並提高對比,為彩色濾光片的關鍵原料。

早期使用重金屬鉻作為黑色矩陣的材料,但在製程技術要求、低成本與低污染的考量之下,現今以黑色矩陣樹脂,做為主流材料,其有高光遮蔽性高感度、高附著、高耐熱性、高耐光性、高耐化性、高儲存安定性等特性。

彩色濾光片的技術發展方向取決於消費者面板應用需求,因應其產 品不斷追求更輕、更薄、高畫質顯示,因此,彩色濾光片逐步向高亮度、高對比度、高色彩飽和度、高解析度方向發展,而在同尺寸面板 比較下,高畫質面板的彩色濾光片其像素也越做越小越密集, 其製程上也越來越精密。

因彩色濾光片新產品導入,而需進行原有黑色矩陣線寬之規格(7um±2.5)需內縮(±1.5),而必須進行對彩色濾光片黑色矩陣製程能力的提升,提升生產品質,降低生產成本,本研究採用六個標準差方法,由篩選變異因子得知,曝光量,軟烤製程溫度和顯影液對產品的顯影時間對黑色矩陣線寬有顯著影響,而顯影機的顯影液容器(顯影機有兩個顯影液容器)因容器的不同的溫度差異性、產品生產數量的增加(因顯影液在不斷生產的情況下會有濃度不足的問題,顯影機有補液設定)和軟烤製程時間對黑色矩陣線寬的穩定性也有顯著影響,光罩變形量對整片基板部分區域有顯著的影響,經由設備上的調整及設計不同的參數組合實驗,進行數據收集,改善了黑色矩陣線寬的穩定性。達到了提高製程能力,提升產品品質和降低生產成本的目標。
The color filter is a key component that makes the display bright and vivid, thus enhances the added value of the liquid crystal display. Its basic structure is composed of a glass substrate deposited with Black Matrix, an RGB color layer, Over Coat and PS layer (Photo Spacer), which replaces the Cell spacer of the Cell process. The black matrix resist, applied to the color filter of the liquid crystal display, is a key raw material of the color filter due to its high-light shielding property that separates the RGB three primary colors and improves the contrast.

In contrast to the early use of Chromium Cr as a material for BM, the BM resin is the mainstream material today due to the characteristics of high gloss shielding Sensitivity, adhesion, heat resistance, light resistance, chemical resistance and storage stability, and also the considerations of low cost and low pollution of the process.

The technical development direction of color filters is driven by the demands from consumers for their continuous pursuit of lighter, thinner and higher image quality. Thus, color filters are gradually moving toward high brightness, contrast, and color saturation, and resulted smaller and denser Pixel on the color filter of the high-quality panel.

To meet the tightening specification of original black matrix CD (Critical Dimension), the color filter black matrix process capability must be enhanced to improve production quality and reduce production Cost. The Six Sigma Methodology is used in this study. The variation factors are the exposure, HP temperature and development time, all of which are expected to have a significant effect on the black matrix CD (Critical Dimension), while the different temperature of developer tanks, the number of pieces run in production and the HP contact time also have a significant effect on the stability of the black matrix CD (Critical Dimension), and Mask bending has an impact on some areas of the substrate. Through analyze the collected data from the experiments, using different parameter combinations, the black matrix CD (Critical Dimension) stability has been improved.
目錄

中文摘要 I
Abstract III
致謝 V
目錄 VI
表目錄 X
圖目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 5
1.3 研究方法 8
第二章 文獻回顧 10
2.1 彩色濾光片簡介 10
2.1.1 彩色濾光片的組成 10
2.1.2 光阻簡介 12
2.1.3 彩色濾光片製造環境介紹 16
2.1.4 彩色濾光片製造流程簡介 19
2.2 彩色濾光片製程設備簡介 20
2.2.1 大氣電漿清洗機(Atmospheric Pressure Plasma)簡介 20
2.2.2 純水高壓沖洗機(DI Cleaner) 22
2.2.3 去水烘烤機(Dehydrate Bake) 23
2.2.4 塗佈機(Coater) 24
2.2.5 真空乾燥機(Vacuum Dry) 26
2.2.6 預烤機(Pre-Bake) 28
2.2.7 投影式曝光機(Aligner) 30
2.2.8 顯影機(Developer) 34
2.2.9 紫外線光阻固化機(Back side UV) 36
2.2.10 硬烤機(Oven) 37
2.3 彩色濾光片檢測設備簡介 39
2.3.1濕膜缺陷光學檢測機 39
2.3.2微觀缺陷光學檢測機 41
2.3.3巨觀缺陷人工檢查機 43
2.3.4測長機 46
2.3.5色度量測機 48
第三章 研究流程 49
3.1 定義 49
3.2 衡量 51
3.3 分析 54
3.4 改善 56
3.5 控制 58
第四章 實證研究 59
4.1界定階段 59
4.1.1流程展開 61
4.2衡量階段 62
4.2.1辨識變異來源 62
4.3分析階段 65
4.3.1迴歸分析X1(塗佈膜厚)對y1的影響 63
4.3.2迴歸分析X2(VCD差異)對y1的影響 70
4.3.3迴歸分析X3(HP Slot差異)對y1的影響 71
4.3.4迴歸分析X4(HP溫度)對y1的影響 72
4.3.5迴歸分析X5(曝光機 LAMP LIFE TIME)對y1的影響 73
4.3.6迴歸分析X6(曝光量)對y1的影響 74
4.3.7迴歸分析X7(顯影時間)對y1的影響 75
4.3.8迴歸分析X8(顯影機不同TANK)對y1的影響 76
4.3.9迴歸分析X9(顯影片數)對y1的影響 77
4.3.10迴歸分析X10(TANK IDLE TIME)對y1的影響(TANK1&2) 78
4.3.11迴歸分析X11(塗佈膜厚均勻性)對y2的影響 80
4.3.12迴歸分析X12(VCD差異)對y2的影響 81
4.3.13迴歸分析X13(光罩 BENDING量)對y2的影響 82
4.3.14迴歸分析X14(曝光機LAMP LIFE TIME)對y2的影響 86
4.3.15迴歸分析X15(曝光量)對y2的影響 87
4.3.16迴歸分析X16(顯影時間)對y2的影響 88
4.3.17迴歸分析X17(顯影液刀流量)對y2的影響 89
4.3.18迴歸分析X18(顯影水刀)對y2的影響 90
4.3.19迴歸分析X19(HP CONTACT TIME)對y2的影響 91
4.3.20迴歸分析迴歸分析X20(HP SLOT)對y2的影響 92
4.3.21分析結果 93
4.4改善階段 94
4.4.1顯著因子各參數組合關係之改善 94
4.4.2 X8(顯影TANK)對y1的影響之改善 104
4.4.3 X9(顯影片數)對y1的影響之改善 105
4.4.4 X13(光罩 BENDING量)對y2的影響之改善 107
4.4.5 X19(HP CONTACT TIME)對y2的影響之改善 110
4.4.6改善階段總結 111
4.5控制階段 114
第五章 結論 115
5.1結論 115
5.2研究心得 116
附錄(專有名詞解釋) 117


表目錄
表1-1黑色矩陣線寬規格說明表 6
表2-1無塵室等級區分表 16
表2-2測長機可檢測之項目表 46
表3-1分析階段數據收集計畫表 54
表3-2 DOE實驗結果數據收集計畫表 58
表4-1研究目標說明表 59
表4-2 影響要因統整表 64
表4-3 X1(塗佈膜厚)對y1的影響總表 70
表4-4 影響因子篩選結果總表 94
表4-5 DOE實驗設計條件參數表 96
表4-6 DOE實驗結果量測數據 97
表4-7 改善實驗最佳調整總表 111


圖目錄
圖1-1彩色濾光片透光示意圖 1
圖1-2 LCD面板成本結構圖 2
圖1-3彩色濾光片成本結構圖 3
圖1-4黑色矩陣作用切面說明圖 4
圖1-5黑色矩陣及RGB排列平面圖 4
圖1-6黑色矩陣樣本&量測位置圖 6
圖1-7黑色矩陣其線寬過大樣本圖 7
圖1-8色彩模糊樣本圖 7
圖1-9彩色濾光片漏光樣本圖 7
圖1-10研究方法流程圖 8
圖2-1面板透光示意圖 10
圖2-2彩色濾光片組成切面示意圖 11
圖2-3彩色濾光片樣本平面圖 12
圖2-4彩色光阻成分組成示意圖 14
圖2-5光阻化學反應示意圖 15
圖2-6無塵室運作示意圖 17
圖2-7無塵室運作機構解說圖 18
圖2-8彩色濾光片製造流程圖 19
圖2-9電漿去汙示意圖 21
圖2-10 AP本體圖 21
圖2-11清洗示意圖 22
圖2-12高壓純水噴灑圖 23
圖2-13風刀去水滴示意圖 23
圖2-14去水烘烤機本體圖 24
圖2-15塗佈示意圖 25
圖2-16塗佈機本體圖片 25
圖2-17光阻利用率說明圖 26
圖2-18 真空乾燥機設備本體圖 27
圖2-19 真空乾燥機抽氣說明圖 28
圖2-20預烤機烘烤構造說明圖 29
圖2-21附屬設備圖 29
圖2-22冷卻板示意圖 30
圖2-23曝光本體圖 31
圖2-24曝光方式示意圖 31
圖2-25 Lens系統說明圖 32
圖2-26 曝光製程說明圖 32
圖2-27 曝光機內部構造圖 33
圖2-28 曝光機構造平面圖 33
圖2-29顯影機工作說明圖 34
圖2-30顯影液運作說明圖 35
圖2-31水洗段運作說明圖 35
圖2-32紫外線光阻固化機工作示意圖 36
圖2-33硬烤機烘烤機構組成說明圖 37
圖2-34硬烤機冷卻區域本體圖 38
圖2-35硬烤機烘烤原理示意圖 38
圖2-36濕膜缺陷光學檢測機工作原理說明圖 40
圖2-37濕膜缺陷光學檢測機異常檢出圖 40
圖2-38 微觀缺陷光學檢測機機構組成說明圖 41
圖2-39微觀缺陷光學檢測機工作原理說明圖 42
圖2-40微觀缺陷光學檢測機本體圖 43
圖2-41巨觀缺陷人工檢查機檢測用各式燈具圖 44
圖2-42巨觀缺陷人工檢查機檢測方式說明圖 45
圖2-43長寸法工作說明圖 46
圖2-44短寸法工作說明圖 47
圖2-45色度量測機原理示意圖 48
圖3-1 問題選定樹狀圖 50
圖3-2 問題選定思維導圖 50
圖3-3 不同操作員操作CDME02量測結果 52
圖3-4 不同操作員操作CDME05量測結果 52
圖3-5 測長機CDME02&05個別量測同物件量測結果 53
圖4-1 CD量測點位分布圖 61
圖4-2 製程流程圖 62
圖4-3 黑色矩陣CD平均值偏離目標分析魚骨圖 63
圖4-4 黑色矩陣CD RANGE過大分析魚骨圖 63
圖4-5 CD&OD量測點位對照圖 65
圖4-6 OD POINT 1 & CD POINT 4 regression analysis 66
圖4-7 OD POINT 1與CD POINT 4散佈趨勢圖 66
圖4-8 OD POINT 4 & CD POINT 20 regression analysis 67
圖4-9 OD POINT 4與CD POINT 20散佈趨勢圖 67
圖4-10 OD POINT 9 & CD POINT 1 regression analysis 68
圖4-11 OD POINT 9與CD POINT 1散佈趨勢圖 68
圖4-12 OD POINT 12 & CD POINT 18 regression analysis 69
圖4-13 OD POINT 12與CD POINT 18散佈趨勢圖 69
圖4-14 X2(VCD差異)對y1的影響箱型圖 70
圖4-15 X2(VCD差異)對y1的影響Two-sample T-test 71
圖4-16 X3(HP Slot差異)對y1的影響箱型圖 71
圖4-17 X3(HP Slot差異)對y1的影響ONE-WAY ANOVA 72
圖4-18 X4(HP溫度)對y1的影響散佈趨勢圖 72
圖4-19 X4(HP溫度)對y1的影響regression analysis 73
圖4-20 X5(曝光機 LAMP LIFE TIME)對y1的影響散佈趨勢圖 73
圖4-21 X5(LAMP LIFE TIME)對y1的影響regression analysis 74
圖4-22 X6(曝光量)對y1的影響散佈趨勢圖 74
圖4-23 X6(曝光量)對y1的影響regression analysis 75
圖4-24迴歸分析X7(顯影時間)對y1的影響散佈趨勢圖 75
圖4-25 X7(顯影時間)對y1的影響regression analysis 76
圖4-26 X8(顯影機不同TANK)對y1的影響箱型圖 76
圖4-27 X8(顯影機不同TANK)對y1的影響regression analysis 77
圖4-28 X9(顯影片數)對y1的影響散佈趨勢圖 77
圖4-29 X9(顯影片數)對y1的影響regression analysis 78
圖4-30 X10(TANK_1 IDLE TIME)對y1的影響散佈趨勢圖 78
圖4-31 X10(TANK_1 IDLE TIME)對y1影響regression analysis 79
圖4-32 X10(TANK_2 IDLE TIME)對y1的影響散佈趨勢圖 79
圖4-33 X10(TANK_2 IDLE TIME)對y1影響regression analysis 80
圖4-34 X11(塗佈膜厚均勻性)對y2的影響散佈趨勢圖 80
圖4-35 X11(塗佈膜厚均勻性)對y2的影響regression analysis 81
圖4-36 X12(VCD差異)對y2的影響箱型圖 81
圖4-37 X12(VCD差異)對y2的影響two-Sample T-Test 82
圖4-38 量測CD點位示意圖 82
圖4-39 3 SHOT曝光其CD變化3D趨勢圖 83
圖4-40 3 SHOT曝光其CD變化2D趨勢圖 84
圖4-41 曝光Gap因光罩BENDING量而不同示意圖 85
圖4-42 Shot 3 曝光Gap調整示意圖 85
圖4-43 曝光測試調整前後趨勢說明圖 86
圖4-44 X14(曝光機LAMP LIFE TIME)對y2的影響散佈趨勢圖 86
圖4-45 X14(曝光機 LAMP LIFE TIME)對y2影響regression analysis 87
圖4-46 X15(曝光量)對y2的影響散佈趨勢圖 87
圖4-47 X15(曝光量)對y2的影響regression analysis 88
圖4-48 X16(顯影時間)對y2的影響箱型圖 88
圖4-49 X16(顯影時間)對y2影響ONE-WAY ANOVA 89
圖4-50 X17(顯影液刀流量)對y2的影響散佈趨勢圖 89
圖4-51 X17(顯影液刀流量)對y2的影響regression analysis 90
圖4-52 X18(顯影水刀)對y2的影響散佈趨勢圖 90
圖4-53 X18(顯影水刀)對y2的影響regression analysis 91
圖4-54 X19(HP CONTACT TIME)對y2的影響箱型圖 91
圖4-55 X19(HP CONTACT TIME)對y2影響Two-Sample T-Test 92
圖4-56 X20(HP SLOT)對y2的影響箱型圖 92
圖4-57 X20(HP SLOT)對y2的影響ONE-WAY ANOVA 93
圖4-58顯著因子對y1 Factorial Fit 98
圖4-59顯著因子對y1分析散佈圖 99
圖4-60顯著因子對y1柏拉圖 99
圖4-61顯著因子對y2 Factorial Fit 100
圖4-62顯著因子對y2分析散佈圖 101
圖4-63顯著因子對y2柏拉圖 101
圖4-64顯著因子之製程參數對y1的影響效應分析圖 102
圖4-65 CD斷線圖 102
圖4-66顯著因子之製程參數對y2的影響效應分析圖 103
圖4-67 DOE實驗顯著因子最佳條件 103
圖4-68 顯影溫度補償改善後Two-Sample T-Test 104
圖4-69 顯影溫度補償改善箱型圖 105
圖4-70 顯影機濃度改善補液設定說明圖(1) 105
圖4-71 顯影機濃度改善補液設定說明圖(2) 106
圖4-72 顯影機濃度改善後對比說明圖 106
圖4-73顯影片數對y1影響改善後regression analysis 107
圖4-74 顯影機濃度改善後散佈趨勢圖 107
圖4-75光罩BENDIN量對y2影響位置說明圖 108
圖4-76 光罩BENDIN量對y2影響位置折線圖 108
圖4-77 HP溫度補償調整位置說明圖 109
圖4-78 溫度補償調整後CD改善說明圖 110
圖4-79 HP CONTACT TIME對y2影響改善箱型圖 110
圖4-80實驗改善前後比較圖 112
圖4-81改善後CD AVG管制圖 113
圖4-82 改善後CD Range管制圖 113
圖4-83改善前後製程能力比較直條圖 113
參考文獻

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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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