實用SPC-批次控制圖的研究

北京京東方顯示技術(shù)有限公司 黨亮英 徐習(xí)亮 包遠(yuǎn)福 王 丹 邱錦堂 谷洪垚

液晶產(chǎn)品的質(zhì)量會受到關(guān)鍵質(zhì)量特性的影響，穩(wěn)定的過程質(zhì)量特性能提升產(chǎn)品品質(zhì)。監(jiān)控過程質(zhì)量特性是否穩(wěn)定，要以過程特性的生產(chǎn)特點、過程本身的能力，構(gòu)建合適的過程監(jiān)控體系，過程監(jiān)控以報警準(zhǔn)確為第一要義，既不能操之過急，采用過于嚴(yán)格的方式導(dǎo)致報警太多，影響正常生產(chǎn)；又不能過松，過程已發(fā)生偏移，卻未及時報警。本文針對TFT-LCD生產(chǎn)過程的特定應(yīng)用場景，提出適用的計算控制限的方法：批次控制圖法。以趨勢化的理念，數(shù)據(jù)驅(qū)動，內(nèi)循環(huán)更新，用歷史數(shù)據(jù)識別未來批次差異，預(yù)防批次性不良，提升過程穩(wěn)定性。

SPC是統(tǒng)計過程控制，統(tǒng)計（Statistical）：利用統(tǒng)計方法幫助我們分析和改進(jìn)過程；過程（Process）：SPC適用于有計劃的、且重復(fù)批量生產(chǎn)的過程；控制（Control）：觀察產(chǎn)生的變異和過程的變化，尋求根本原因，避免今后產(chǎn)生類似的現(xiàn)象。SPC的原理是應(yīng)用統(tǒng)計技術(shù)對過程中的各個階段進(jìn)行評估和監(jiān)控，從而達(dá)到改進(jìn)和保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。SPC的組成包括①控制圖：分析過程的穩(wěn)定性，對過程存在的異常因素進(jìn)行預(yù)警，從根本上預(yù)防和減少不合格品的產(chǎn)生；②過程能力分析：分析穩(wěn)定的過程能力滿足技術(shù)要求的程度，對過程質(zhì)量進(jìn)行評價?？刂茍D是對過程質(zhì)量特性值進(jìn)行測定、記錄、評估，從而觀察過程是否處于控制狀態(tài)的一種用統(tǒng)計方法設(shè)計的圖。它能夠直觀的看到產(chǎn)品質(zhì)量特性的變化。經(jīng)驗和理論分析表明（中心極限定理），當(dāng)生產(chǎn)過程僅存在偶波時，質(zhì)量特性形成某種典型分布（正態(tài)分布），正態(tài)分布中重要事實：不論μ、σ如何取值，落在【μ-3σ，μ+3σ】范圍的概率為99.73%；統(tǒng)計過程控制理論（SPC）奠基人休哈特正是利用此特性，提出了控制圖。并把只有偶然波動，沒有異常波動的狀態(tài)，稱為統(tǒng)計控制狀態(tài)。導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量變異的因素中，根據(jù)對產(chǎn)品質(zhì)量影響的大小和性質(zhì)，可劃分為兩大類：隨機(jī)因素和異常因素。常規(guī)控制圖是區(qū)分偶然因素與異常因素的圖。

1 TFT質(zhì)量特性的特點及應(yīng)用傳統(tǒng)控制圖的難點

TFT行業(yè)關(guān)鍵質(zhì)量特性有如下特點：TFT基板為2200mm×2500mm大玻璃，需在玻璃基板上進(jìn)行涂覆曝光顯影等工序，從而形成有用的圖形、圖案、電路等關(guān)鍵溝道，這些圖案對液晶屏的顯示至關(guān)重要。為了確保良好的產(chǎn)品品質(zhì)，我們需對關(guān)鍵工序的膜層涂覆厚度、寬度、電阻值、透過率等重要特性實施過程控制圖管控。以某關(guān)鍵膜層厚度的監(jiān)控為例：數(shù)據(jù)采集方式為：通過密集點測試，選擇有代表性的42個點為測量點位，以一定的周期比如80張基板抽一張的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以構(gòu)建Xbar-S控制圖，副圖S圖識別組內(nèi)差異，即一張Glass內(nèi)的均一性，主圖Xbar圖識別組間差異，Glass均值的波動。理論上這樣的方法沒有問題，但是當(dāng)實際應(yīng)用時，發(fā)現(xiàn)一個重大問題，控制限窄、報警率高，而過程能力也可達(dá)到Cpk≥1.33的理論標(biāo)準(zhǔn)?；谶@樣的狀況，過程較為穩(wěn)定，但算出來的控制限在實踐應(yīng)用中報警過多，給工廠生產(chǎn)造成諸多困擾。應(yīng)運而生的解決方法為人為設(shè)置控制限，比如以1/2或者1/3的規(guī)格限作為控制圖的控制限，屬于經(jīng)驗值。但是這違背了SPC控制圖中以數(shù)據(jù)計算控制限的基礎(chǔ)理論，這種管理方式為一種內(nèi)控管理。內(nèi)控管理是傳統(tǒng)控制圖在TFT質(zhì)量特性中的特殊應(yīng)用。

2 內(nèi)控管理的痛點及批次控制圖的提出

內(nèi)控管理的痛點主要有三點：第一點是現(xiàn)有SPC系統(tǒng)管控為同一型號同時展現(xiàn)，未合理拆分，未考慮設(shè)備別等影響，無法精準(zhǔn)體現(xiàn)變化趨勢。第二點是控制限為固定值，不以過程實際數(shù)據(jù)為依據(jù)，不利于合理有效管控。第三點是標(biāo)準(zhǔn)差管控圖未設(shè)置控制限。核心痛點為內(nèi)控管理控制限是經(jīng)驗值設(shè)定，無法根據(jù)過程表現(xiàn)做到精準(zhǔn)報警，對于有的過程特性可能過于嚴(yán)苛，對于有的特性又過于寬松?；谶@樣的背景，綜合TFT生產(chǎn)特點，依據(jù)市場及生產(chǎn)需要，1個型號生產(chǎn)一段時間就會切換其他型號，過段時間又會再切換回來，循環(huán)往復(fù)。TFT是自動化生產(chǎn)，每次切線需要按照型號對設(shè)備參數(shù)等一系列進(jìn)行調(diào)整，通過對大量質(zhì)量特性的數(shù)據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，每次切線后的同一批生產(chǎn)是相對穩(wěn)定的一個過程，對批次內(nèi)數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)控制圖制圖，僅有極個別點出界。但是當(dāng)把各個批放在一起繪制控制圖所形成的控制限則有很多的報警點，但是所收集的數(shù)據(jù)時間段，經(jīng)過反復(fù)探討過程無異常。那么回到應(yīng)用控制圖的初心：識別異常波動；TFT的生產(chǎn)特點也決定了要么整批異常，要么整批無問題，為了預(yù)防批次性異常，我們提出了批次控制圖的概念，旨在通過批次控制圖的方法計算出合理控制限，從而應(yīng)用于過程監(jiān)控。

3 批次控制圖的算法

批次控制圖的提出意在形成科學(xué)合理的控制限，旨在解決內(nèi)控限是經(jīng)驗值——未考慮特性數(shù)據(jù)的實際波動情況，不是按照數(shù)據(jù)算出來的；采用傳統(tǒng)控制圖則控制限過窄，報警過多。

批次控制圖的算法如下：以某型號的PSHT特性為例，收集過程無異常的6個月數(shù)據(jù)，首先了解六個月數(shù)據(jù)的過程能力Cpk=2.12＞1.67，數(shù)據(jù)整體近似正態(tài)，如圖1所示，主圖是每張基板32個測試點位的均值的變化趨勢，副圖是每張基板標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢。主圖中藍(lán)色線為產(chǎn)品規(guī)格限。

圖1 原始數(shù)據(jù)波動圖

其次對6個月數(shù)據(jù)劃分批次，劃分原則為：數(shù)據(jù)采集間隔≥12h為一個新的批次。按照傳統(tǒng)休哈特控制圖方法計算每批次內(nèi)數(shù)據(jù)的上、下控制限、均值，如圖2中每批次內(nèi)的紅色線為批次UCL和LCL，綠色線為批次均值。可看出較為明顯的批次差異，批次內(nèi)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。若對六個月數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)控制圖計算上下控制限如圖2所示藍(lán)色線，則整體報警數(shù)多達(dá)95個。比如1月第4批有超一半的數(shù)據(jù)會出界，這與實際相結(jié)合就有些不合理。

圖2 傳統(tǒng)控制圖

接下來選定控制限：以3個月為周期，CL選Target；LCL選各批次最小值；UCL選各批次最大值；如圖3所示。

圖3 選定控制限

至此，我們可以獲得此特性以歷史數(shù)據(jù)計算出來的控制限如表1所示，導(dǎo)入系統(tǒng)用于過程監(jiān)控。

4 批次控制圖的應(yīng)用場景

采用批次控制圖法計算控制限在應(yīng)用時需考慮以下方面：一、特性生產(chǎn)過程產(chǎn)品型號不連續(xù)，切換線頻繁，切換線后需進(jìn)行設(shè)備參數(shù)、材料等調(diào)整和確認(rèn)。二、以型號別應(yīng)用統(tǒng)計工具進(jìn)行差異源分析，包括線別、設(shè)備別、單元別、批次別等進(jìn)行分析，若能找到顯著的批次差異，比如分線體的批次差異，分設(shè)備的批次差異，或者型號別批次差異，依據(jù)抽樣方式可構(gòu)建批次I-MR，批次Xbar-S等類別的控制圖；三、評估歷史各批次生產(chǎn)有無特別異常，比如采用Cpk≥1.33的方式去評估，單批次過程能力不達(dá)到1.33的批次棄用；四、基于以上三點運用批次控制圖法計算出控制用控制限，用在過程監(jiān)控中。

5 批次控制圖的應(yīng)用及效果

5.1 案例1：批次控制圖精準(zhǔn)識別差異，預(yù)防批次性差異

3月批次某型號CT高發(fā)AD，分析為Channel Bridge，存在設(shè)備別，2S03（4.5%）＞2S02（0.9%），影響4月某方面良率下降0.6%；確認(rèn)2S03設(shè)備某特性值較2S02略高；應(yīng)用批次控制圖的方法針對上述型號和特性的3月以前歷史數(shù)據(jù)計算科學(xué)合理控制限，如圖4所示，所形成的控制限，可以有效防止3月批次性高發(fā)。

圖4 批次控制圖

5.2 案例2：針對某型號BM CD特性采用批次控制圖法形成控制限（如圖5所示）

圖5 改善前的批次控制圖

較原內(nèi)控限略有收嚴(yán)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1中的改善前數(shù)據(jù)。以此數(shù)據(jù)應(yīng)用于實際監(jiān)控。數(shù)據(jù)驅(qū)動構(gòu)建的控制限拉動了過程改進(jìn)。經(jīng)過幾個月對過程的改善。我們收集同線體各措施導(dǎo)入后3個月數(shù)據(jù)，再次構(gòu)建批次控制圖，如圖6所示，可以明顯看到批次內(nèi)數(shù)據(jù)較改善前更穩(wěn)定，批次間差異較改善前大幅縮小。通過表2所示的表格數(shù)據(jù)可以看到改善后控制限較改善前大幅降低。

圖6 改善后的批次控制圖

表2 改善前后控制限變化

綜上所述，批次控制圖在特定的應(yīng)用場景下，構(gòu)建的控制限更適合于生產(chǎn)過程監(jiān)控，以趨勢理念判定過程是否穩(wěn)定。以數(shù)據(jù)驅(qū)動，識別新批次與原生產(chǎn)條件差異性，以優(yōu)秀的歷史數(shù)據(jù)約束未來的生產(chǎn)過程，減少批次波動。穩(wěn)定的過程是批量重復(fù)生產(chǎn)過程執(zhí)著的追求。