北京京東方顯示技術(shù)有限公司 王 丹 徐習(xí)亮 董 斌 包遠(yuǎn)福 鮑子勝 黨亮英 王 超 蔡 婷

伴隨著4K、8K、低藍(lán)光等高端液晶顯示產(chǎn)品的問世，液晶顯示面板以其技術(shù)創(chuàng)新帶來的優(yōu)秀性能仍舊占領(lǐng)市場(chǎng)主流。隨著高端產(chǎn)品的不斷增多和企業(yè)本身對(duì)TFT-LCD產(chǎn)品品質(zhì)的不斷追求，產(chǎn)品特性的SPC趨勢(shì)管理勢(shì)在必行。本文講述了關(guān)于TFT-LCD產(chǎn)品的金屬層特性——膜厚特性RS的一種SPC管理方法，文章通過數(shù)據(jù)研究及分析為RS特性量身定做出一套方便實(shí)際應(yīng)用的SPC管理方法。

1 TFT-LCD金屬層簡(jiǎn)介

TFT（Thin Film Transistor）是薄膜晶體管的縮寫。TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器）是液晶顯示器的一種，這種液晶顯示器上的每一個(gè)像素都是由集成在底層的薄膜晶體管來驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)液晶偏轉(zhuǎn)可以呈現(xiàn)高速度高亮度高對(duì)比度的“真彩”畫面。TFT-LCD的主要特點(diǎn)是為每個(gè)像素配置一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件，因此TFT-LCD的金屬膜層對(duì)產(chǎn)品性能非常重要。金屬膜層有些可以充當(dāng)電極、信號(hào)傳輸線，有些可以起到屏蔽電磁波、隔絕外部靜電的作用。例如某些產(chǎn)品缺少隔絕靜電的金屬層，產(chǎn)品會(huì)受靜電影響而影響顯示，如圖1所示的“手寫屏”。而作為電極和信號(hào)傳輸?shù)慕饘賹尤绻霈F(xiàn)異常則會(huì)導(dǎo)致LCD產(chǎn)品呈現(xiàn)出污漬不良或Mura不良等。

圖1 缺少靜電防護(hù)金屬層

TFT是在玻璃等基板上通過濺射、化學(xué)沉積工藝形成制造電路必需的各種膜，其金屬層采用磁控濺射工藝成膜。成膜過程中，氣體原子在電場(chǎng)作用下電離成氣體離子，氣體離子受電場(chǎng)作用運(yùn)動(dòng)轟擊靶材，引起靶原子遷移產(chǎn)生濺射，最終沉積至玻璃基板上形成金屬薄膜。磁控濺射是以磁場(chǎng)來改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，并束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高了電子對(duì)工作氣體的電離幾率和有效地利用了電子的能量。金屬層成膜原理如圖2所示。

圖2 金屬層成膜原理

2 RS的特性研究及改善

金屬層的膜厚是其關(guān)鍵特性，直接測(cè)量膜厚的方法是將需要測(cè)量的位置做成切片在顯微鏡下測(cè)量，這種破壞性測(cè)量方法顯然不能成為生產(chǎn)過程中的常規(guī)檢驗(yàn)手段。因此，工廠使用四探針法對(duì)金屬層的方塊電阻RS進(jìn)行測(cè)量，如圖3、圖4所示。探針1、4之間通電流，探針2、3間測(cè)電壓，根據(jù)公式R=U/I可以得到R；根據(jù)公式(假設(shè)膜厚為X)，則可以計(jì)算出膜厚X。由以上公式可得，方塊電阻R與電阻率成正比，與膜厚X成反比。因此，工廠測(cè)量金屬層時(shí)，若RS值偏大，代表膜厚偏??；若RS值偏小，則代表膜厚偏厚。

圖3 RS測(cè)試原理

圖4 RS測(cè)試設(shè)備

磁控濺射是在未分割開的較大Glass基板上進(jìn)行金屬成膜，又由于RS測(cè)試時(shí)探針會(huì)損壞局部膜層，因此RS測(cè)試點(diǎn)會(huì)避開顯示區(qū)而選取Panel間的Dummy區(qū)進(jìn)行測(cè)量。以某款產(chǎn)品為例，這款產(chǎn)品某金屬層RS選取了25個(gè)測(cè)量點(diǎn)位，如圖5所示。按照傳統(tǒng)SPC理論需要對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別做控制圖進(jìn)行監(jiān)控，這樣的話此款產(chǎn)品所有膜層加起來將會(huì)有上百個(gè)控制圖，對(duì)實(shí)際監(jiān)控造成負(fù)擔(dān)和不便。另外，同一Glass的25個(gè)測(cè)量點(diǎn)并非完全獨(dú)立，因?yàn)镚lass基板經(jīng)過的工藝和設(shè)備相同，所以25個(gè)點(diǎn)具有同升同降的特點(diǎn)，因此對(duì)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)做單獨(dú)控制圖分別監(jiān)控是不必要的。

圖5 RS測(cè)試點(diǎn)位

為了制定合適RS的SPC管理方案，我們需要對(duì)RS數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行研究。首先我們需要在正常生產(chǎn)條件下生產(chǎn)的Dummy Glass上做密集點(diǎn)測(cè)試，如圖6所示，使測(cè)量位置均勻散布在Glass上，共設(shè)置了110個(gè)測(cè)量點(diǎn)。對(duì)測(cè)試結(jié)果做等值線圖分析，我們發(fā)現(xiàn)Glass最下邊的RS值偏低，即膜厚偏厚；換做使用箱線圖分析，同樣發(fā)現(xiàn)最后兩行RS偏低。

圖6 RS密集點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)位

經(jīng)調(diào)查，RS偏低位置恰好匹配生產(chǎn)設(shè)備上的某一磁鐵位置，此處RS偏低是由于磁場(chǎng)強(qiáng)度較大導(dǎo)致。因此我們對(duì)RS偏低相應(yīng)位置的磁鐵進(jìn)行了調(diào)整，增加磁鐵到靶材的距離來減弱局部磁場(chǎng)強(qiáng)度。調(diào)整后再次進(jìn)行密集點(diǎn)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)之前RS偏低的現(xiàn)象已經(jīng)得到改善，RS面內(nèi)3σ由改善前0.0145變?yōu)楦纳坪?.0110，3σ減小約24%，RS均一性得到顯著提升，如圖7所示。

圖7 RS數(shù)據(jù)研究改善

3 RS的SPC管理方法及實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)以上密集點(diǎn)測(cè)試結(jié)果可以得出RS數(shù)據(jù)集中性與設(shè)備的磁場(chǎng)強(qiáng)度有很大關(guān)系。由于生產(chǎn)設(shè)備上下兩端的磁鐵數(shù)量多且呈梯形分布，此位置磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)因此膜厚偏大、RS偏?。欢虚g位置磁鐵數(shù)量較少且為豎向平行分布，此位置磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱因此膜厚偏小、RS偏大，如圖8所示。通過單因子方差分析得出RS邊緣與中心位置數(shù)據(jù)確實(shí)存在明顯差異，如圖9所示，然而設(shè)備自身結(jié)構(gòu)帶來的差異短期內(nèi)無法消除，因此我們將Glass內(nèi)的RS數(shù)據(jù)分成兩個(gè)區(qū)域：上下邊緣panel為Area1，中間兩排Panel為Area2，如圖10所示，并分別使用Xbar-S控制圖進(jìn)行過程監(jiān)控。

圖8 磁鐵分布示意圖

圖9 RS數(shù)據(jù)規(guī)律及單因子方差分析

圖10 RS分區(qū)方法

通過一段時(shí)間的生產(chǎn)過程監(jiān)控，我們發(fā)現(xiàn)使用分區(qū)方法的控制圖可以捕捉到整體控制圖無法發(fā)現(xiàn)的問題，如圖11所示，Area1控制圖觸發(fā)了OOC報(bào)警，而整體控制圖未觸發(fā)OOC報(bào)警。因此分區(qū)控制圖不僅可以快速定位異常發(fā)生的區(qū)域并且對(duì)過程變異及波動(dòng)更加敏感。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)OOC報(bào)警后，我們使用六宮格方法進(jìn)行問題調(diào)查及改善，如圖12所示。通過箱線圖分析發(fā)現(xiàn)異常品的均值偏小且組內(nèi)數(shù)據(jù)較分散；找到異常的直接原因：通過數(shù)據(jù)等值線圖發(fā)現(xiàn)Area1的邊角位置RS偏大；繼續(xù)一步步確認(rèn)根本原因發(fā)現(xiàn)為首片時(shí)邊緣位置電場(chǎng)設(shè)置過大。針對(duì)根本原因制定改善及預(yù)防對(duì)策——收嚴(yán)邊緣位置電場(chǎng)的spec，通過優(yōu)化管控工藝參數(shù)提高了產(chǎn)品特性RS的穩(wěn)定性。

圖11 RS 分區(qū)控制圖vs整體控制圖

圖12 RS改善六宮格

4 RS SPC管理改善心得

我們通過密集點(diǎn)測(cè)試→數(shù)據(jù)分布規(guī)律分析→數(shù)據(jù)集中性改善→數(shù)據(jù)分布與設(shè)備關(guān)聯(lián)性分析→數(shù)據(jù)分區(qū)管控共五個(gè)主要環(huán)節(jié)完成了RS的SPC Control Plan制定。在根據(jù)產(chǎn)品特性的數(shù)據(jù)特征制定相應(yīng)SPC管理方法的整個(gè)流程中，數(shù)據(jù)集中性改善環(huán)節(jié)是必須考慮的步驟，因?yàn)槿绻梢韵龜?shù)據(jù)集中性、使數(shù)據(jù)做到完全均一（或滿足要求的相對(duì)均一），將不需要進(jìn)行分區(qū)管理；而針對(duì)設(shè)備/工藝等固有原因無法消除數(shù)據(jù)區(qū)域差異的情況，則需要進(jìn)行合理分區(qū)及分區(qū)管理。

過于死板的硬套SPC理論會(huì)使SPC成為工廠的負(fù)擔(dān)；過于經(jīng)驗(yàn)化的SPC管理則無法及時(shí)預(yù)警過程變異導(dǎo)致大批量不合格品。只有合理的SPC管理方法才可以有效幫助我們發(fā)現(xiàn)過程波動(dòng)、帶給我們改善和改進(jìn)的機(jī)會(huì)。改善前RS數(shù)據(jù)分為多個(gè)群組且不符合標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，我們通過合理分組的SPC抽樣原則、經(jīng)歷了4次六宮格改善，RS異常報(bào)警明顯減少；特殊變異越來越少，數(shù)據(jù)越來越接近正態(tài)分布，如圖13所示，RS數(shù)據(jù)3σ由改善前0.0095變?yōu)楦纳坪?.0076，數(shù)據(jù)收斂約20%。

圖13 RS整體數(shù)據(jù)分布

數(shù)字信息化的今天，大數(shù)據(jù)、人工智能、5G不斷興起，要想實(shí)現(xiàn)彎道超車，必須突破轉(zhuǎn)型。SPC管理變革不是值不值得做，而是必須做，正當(dāng)其時(shí)去做。優(yōu)秀的品質(zhì)管理者應(yīng)敢于研究、勇于突破，感謝優(yōu)秀的Dell老師為我們指點(diǎn)迷津、幫助我們步入正軌。我們會(huì)更加堅(jiān)定地開展SPC管理，守正創(chuàng)新，將全面SPC趨勢(shì)管理進(jìn)行到底！