譚代木

(南京華日液晶顯示技術(shù)有限公司，江蘇南京 210038)

1 曝光機(jī)原理、性能指標(biāo)及精度簡介

1.1 曝光機(jī)原理

目前大部分曝光設(shè)備采用是非接觸式曝光。原理是紫外光經(jīng)掩模板 (MASK)對涂有光刻膠(P/R)的ITO玻璃曝光(MASK板與玻璃基板間隙約為50 μm)，曝光后的玻璃經(jīng)顯影產(chǎn)生與MASK板相同的圖案。具體見圖1。

圖1 曝光原理

1.2 曝光機(jī)（MA-5501MC）性能指標(biāo)

我公司是2002年從日本進(jìn)口了一條LCD自動生產(chǎn)線，其中曝光機(jī)型號為MA-5501MC，以該設(shè)備為例其性能指標(biāo)為：最大可曝光ITO玻璃尺寸：長度（355.6 mm±0.2 mm）×寬度（406.4 mm±0.2 mm）×厚度（0.4～1.1 mm），曝光底板（也稱掩膜板）尺寸：長度（406.4 mm±0.5 mm）×寬度（457.2 mm±0.5 mm）×厚度（5.0 mm±0.3 mm）。

1.3 精度

在曝光底板平面度最大15 μm，ITO玻璃彎曲度最大0.2 mm，曝光底板厚度5 mm，曝光底板與ITO玻璃間隙50 μm時(shí)曝光顯影后圖案分辨率為 8 μm。

2 曝光機(jī)（MA-5501MC）的系統(tǒng)構(gòu)成（硬件）

（1）MA-5501MC自動曝光機(jī)系統(tǒng)（硬件）由主體及附屬設(shè)備組成。

（2）MA-5501MC自動曝光機(jī)主體由曝光室、掩模板盒、掩模板輸送臺、操作面板、曝光積算器、壓縮空氣控制面板、控制箱前面板、高效空氣過濾器、曝光光源、影像處理器等組成。其中，曝光室由基板傳送機(jī)構(gòu)、基板工作臺、基板驅(qū)動及對位機(jī)構(gòu)、掩模板傳送機(jī)構(gòu)、掩模板holder及定位機(jī)構(gòu)、間隙傳感器、對位及間隙監(jiān)視器等組成。

（3）MA-5501MC自動曝光機(jī)附屬設(shè)備則由主控制箱、曝光燈供電裝置、冷卻裝置、精密溫濕度控制凈化空氣調(diào)節(jié)器等組成。

3 曝光機(jī)的工作流程及自動對位與間隙整定

（1）曝光機(jī)系統(tǒng)可在非接觸條件下，自動完成掩模板與基板的對位、校正，并自動完成從基板輸入、間隙整定、對位、曝光和基板輸出全過程。工作流程為：上流→基板輸入→預(yù)對位→間隙整定→自動對位→曝光→基板輸出→下流。

（2）曝光機(jī)預(yù)對位。在自動對位前先進(jìn)行預(yù)對位。預(yù)對位是通過移動對位工作臺進(jìn)行的，對基板表面3點(diǎn)進(jìn)行非接觸檢測完成預(yù)對位，預(yù)對位精度為±20 μm。

（3）曝光機(jī)MASK板與基板間隙的整定。伺服電機(jī)先以高速按基板厚度預(yù)設(shè)值向上移動基板工作臺至間隙傳感器檢測點(diǎn)處；然后開始整定間隙值，間隙的整定是以每個(gè)對應(yīng)間隙傳感器檢測位置的頂桿（tilt）的上、下動作來完成。用于頂推tilt的伺服電機(jī)移動精度為5 μm/脈沖；間隙檢測系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器發(fā)光元件及CCD光接受元件組成，檢測由掩模板（MASK）及基板的反射光來實(shí)現(xiàn)間隙檢測功能。檢測整定范圍50～600 μm，檢測分辨率 1 μm，間隙整定范圍 50～300 μm，檢測點(diǎn)位為3點(diǎn)，間隙整定精度±5。這些間隙傳感器在流片方向以電機(jī)進(jìn)行移動而在縱向則以手動移動。

（4）自動對位機(jī)構(gòu)。自動對位是在預(yù)對位和間隙整定之后，在自動對位方式下進(jìn)行。

基板上的對位標(biāo)記“＋”被對準(zhǔn)掩模板上的對位標(biāo)記“□”，每塊基板兩側(cè)均具有對位標(biāo)記。對位工作臺X、Y、θ軸由伺服電機(jī)驅(qū)動，0.1 μm/脈沖，X、Y軸移動行程為 5±1 mm，θ軸為 1°±0.2°；自動對位精度為±1 μm。

（5）掩模板自動對位機(jī)構(gòu)。①驅(qū)動機(jī)構(gòu)：3個(gè)基準(zhǔn)銷（pin）由伺服電機(jī)驅(qū)動，0.5 μm/脈沖；②移動行程：每軸均為±2 mm；③影像處理器檢測到對位標(biāo)記并完成由3個(gè)基準(zhǔn)銷（pin）驅(qū)動的對位（X、Y1、Y2）；④精度：±5μm。

（6）對位顯微鏡系統(tǒng)：①檢測元件：二維CCD傳感器；②光學(xué)放大倍數(shù)×5；③TV監(jiān)視器×2；④TV監(jiān)視器放大倍數(shù)×140。

4 曝光光源及光路系統(tǒng)

（1）MA-550 1MC曝光機(jī)曝光光源為一只USH-2004MB 2 kW的超高壓汞燈提供，該汞燈具有獨(dú)立供電裝置HB-20201AA，其參數(shù)為：輸入：電壓(AC)200×（1±10%）V，相數(shù)：3準(zhǔn)；頻率：50 Hz、最大電流：12 A；輸出：電壓（DC）（帶燈時(shí)）32～45 V，曝光燈啟動時(shí)電流 70 A、待曝光燈穩(wěn)定時(shí)額定電流50 A。

（2）光路系統(tǒng)（如圖2）依照光的投射路徑，由汞燈→橢球面反射鏡→雙色反光鏡→快門機(jī)構(gòu)（shutter）→multi lens透鏡→球面鏡→曝光面組成A9的光路系統(tǒng)。光從汞燈出發(fā)后，經(jīng)不同鏡子，最終在曝光區(qū)域形成合乎要求的近似平行光。

（3）在多鏡頭（也稱復(fù)眼）前設(shè)置的快門是產(chǎn)生曝光的重要機(jī)構(gòu)，其能否按要求正確開閉，決定了基板能否正確曝光，在快門旁設(shè)置有關(guān)閉檢出傳感器(如圖3.中序號11為傳感器、序號15為放大器)。

（4）可對汞燈光軸進(jìn)行調(diào)整，在一定范圍內(nèi)改變射出光的強(qiáng)度。

（5）汞燈使用750 h即應(yīng)更換。

5 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由電源、PLC控制單元、操作面板(包括觸摸屏)、影像處理部分、各種檢測傳感器、曝光燈及點(diǎn)燈裝置、外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)如：伺服電機(jī)、電磁閥等組成。

（1）PLC控制單元采用三菱MELSEC-A系列可編程控制器。MA-5501MC曝光機(jī)中共使用了1個(gè)A2USH CPU-S1 CPU模塊、2個(gè)A1S61PN電源模塊、1個(gè) A1SJ61BT11 CC-link模塊、2個(gè)A1SX42-S1本地輸入模塊、1個(gè)A1SY42本地輸出模塊、7個(gè)A1SD75P3-S3伺服定位模塊、7個(gè)遠(yuǎn)程I/O輸入模塊AJ65SBTCF1-32D、3個(gè)遠(yuǎn)程I/O輸出模塊AJ65SBTCF1-32T。實(shí)際I/O點(diǎn)使用量600余個(gè)，PLC程序達(dá)26 859步。絕大部分I/O點(diǎn)用于對位及與之相關(guān)的部分，僅影像處理器一個(gè)部分就占用96個(gè)I/O點(diǎn)，也有不少I/O點(diǎn)用于狀態(tài)監(jiān)測、限位保護(hù)等。其中，A1SD75P3-S3伺服定位模塊主要用于對位工作臺對位、間隙整定、掩模板(MASK)基準(zhǔn)銷對位顯微鏡、間隙傳感器、邊緣傳感器等的控制。(A1SD75P3-S3用于 Stage X、Y、θ控制)。

（2） 關(guān)于觸摸屏 A951GOT-LBD。在 MA-5501MC曝光機(jī)中觸摸屏以標(biāo)簽菜單方式讓操作者選擇相應(yīng)的功能，主菜單下有自動運(yùn)轉(zhuǎn)、手動操作、RECIPE登錄、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)定5個(gè)子菜單，具有豐富的功能，如：在自動運(yùn)轉(zhuǎn)方式下可自動進(jìn)行啟動、停止并進(jìn)行MASK設(shè)定，亦可進(jìn)行RECIPE變更。同樣在自動運(yùn)轉(zhuǎn)方式下，進(jìn)入MONITOR界面后，可監(jiān)控位置控制中各傳感器、電機(jī)的狀態(tài)及各設(shè)備接口的狀態(tài)。在RECIPE方式下可進(jìn)行RECIPE的編輯、寫入、刪除，RECIPE的內(nèi)容包括：基板尺寸 (長×寬×厚)、曝光量、MASK PIN位置、MASK顯微鏡位置、MASK焦點(diǎn)位置、間隙傳感器位置、基板顯微鏡位置、顯微鏡照明等，而系統(tǒng)設(shè)定功能則允許建立曝光機(jī)運(yùn)行的各種條件，例如在間隙測定上可提供多種模式，如：連續(xù)測定、只測定一次、不測定等。手動方式下可手動操作任一選定單元。在歷史數(shù)據(jù)中，能存有100個(gè)錯誤歷史信息。

（3）操作面板提供7種功能示教:需要說明的是操作面板上“急?！奔啊巴Ｖ埂眱蓚€(gè)按鈕的使用及其使用后的不同結(jié)果。當(dāng)按下“急?！卑粹o后，系統(tǒng)各處除曝光燈電源外均切斷電源。而按下“停止”按鈕后，切斷所有線圈及電機(jī)電源，但有關(guān)真空吸附的電磁閥不掉電。

（4）影像處理單元(GA—5100)。影像處理單元在結(jié)構(gòu)上是相對獨(dú)立的部分。MA-5501MC曝光機(jī)控制系統(tǒng)上的預(yù)對位、間隙整定、自動聚焦、自動對位功能全部通過它實(shí)現(xiàn)。GA-5100是一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。具有MC-68020RC25 25MHZ CPU、MC-68882RC2525MHZCoprocessor、512K RAM、128K backup RAM(SRAM)、RS-232c 接口、256K Memory Card，可接2臺攝像機(jī)、2臺監(jiān)視器，還具有速度40 ns/1Pixel的Pre-Processing CPU，最多可接9個(gè)傳感器，它所產(chǎn)生的激光脈寬為 0～8191.875 μs。

（5）在MA-5501MC曝光機(jī)中，有一個(gè)兩通道的光量積算器(只使用一個(gè)通道)，由曝光室中光量傳感器送出的信號經(jīng)放大和壓頻轉(zhuǎn)換后，送入積算器，按一個(gè)確定的算法，計(jì)算并顯示出當(dāng)前光照量及累積光照量，當(dāng)累積曝光量達(dá)到設(shè)定的數(shù)值后，發(fā)出信號終止一次曝光過程。

6 設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)中應(yīng)注意的問題

（1）更換超高壓汞燈時(shí)，須用專用護(hù)罩蓋好燈下方的反光鏡，以防止物品墜下?lián)p壞反光鏡，更換完畢取出護(hù)罩。

（2）燈室下部反光鏡不得用酒精等有機(jī)溶劑擦拭，需清潔時(shí)用經(jīng)過過濾的清潔氮?dú)馇宕祾摺?/p>

（3）曝光室中需要清潔時(shí)，同樣應(yīng)使用清潔的壓縮氮?dú)獯祾摺?/p>

（4）經(jīng)常檢查燈室下部的快門機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行保養(yǎng)以保證快門動作可靠。

7 曝光過程分析及“不曝光流片”故障查找的初步方案

7.1 曝光過程分析

（1）曝光前確認(rèn)完了M1468（ON）→快門開M1470（ON）→自動曝光 M1677（ON）→曝光LP7823（ON）→光源快門開 M6257（ON）→快門開Y0A9（ON）；

(2)M1677（ON）→曝光開始 M6043（ON）→曝光開始 YOAC（ON）；

(3)曝光完了M5533（ON）→快門閉M1471（ON）→快門閉完了 M1472（ON）→曝光完了M1475（ON）→基板排出 M1480（ON）。

7.2 故障表現(xiàn)

（1）玻璃基板未曝光；

（2）未曝光基板正常排出并流向下道工序；

（3）發(fā)生未曝光故障時(shí)機(jī)器不報(bào)警且未曝光基板在曝光枚數(shù)中無記錄。

故障是偶發(fā)的，無規(guī)律性，由于未曝光基板依然正常排出，所以故障在顯影工序后才能被發(fā)現(xiàn)。

7.3 故障查找的初步方案

該故障的棘手之處在于沒能獲得故障發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，因而無法展開分析。若能“鎖定”故障發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，使能以此為依據(jù)入手分析。

設(shè)想一、在曝光室內(nèi)合適的位置裝設(shè)一個(gè)UV光檢測傳感器（亦可直接使用光量積算器的傳感器引出檢測UV光的信號），并對相關(guān)程序作一些改動。這樣做的目的在于，以該傳感檢測UV光的有無，當(dāng)發(fā)生不曝光故障時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警并使未曝光的基板不排出，使機(jī)器停在故障狀態(tài)，這樣就便于在原始故障狀態(tài)下查找故障原因。

可考慮在蜂鳴器前并入無UV光時(shí)接通的常開接點(diǎn)支路，而在M1480前串入無UV光時(shí)斷開的常閉接點(diǎn)。同時(shí)應(yīng)斟酌考慮程序其它部分是否要作必要改動。

設(shè)想二、在基板的出口處對基板數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，快門的動作次數(shù)PLC程序已經(jīng)有了計(jì)數(shù)，按照設(shè)備正常的動作，可以得出流出基板數(shù)量和快門的動作次數(shù)應(yīng)該是相等的，如果發(fā)生不相等時(shí)就讓設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)并報(bào)警，此時(shí)流出的基板就是沒有曝光。由此可以分析是快門沒有動作還是基板在工作臺上沒有被檢測開關(guān)檢測到。

8 結(jié) 論

曝光機(jī)MA-5501MC相對其它設(shè)備來說，技術(shù)含量較高，涉及到的各類專業(yè)知識較廣。數(shù)控技術(shù)、新型傳感器技術(shù)、可編程邏輯控制技術(shù)、HMI人機(jī)交互技術(shù)、影像采集處理技術(shù)、光學(xué)投影技術(shù)、遠(yuǎn)程信號采集處理技術(shù)等都有具體應(yīng)用。通過對曝光設(shè)備工作原理分析、控制信號處理流程的了解，熟知設(shè)備各元器件的物理位置，最終對設(shè)備的工作原理有較為全面的理解，這樣才能提高對進(jìn)口精密設(shè)備的自身調(diào)整維護(hù)、確保設(shè)備運(yùn)行正常。