液晶顯示面板金屬層的SPC管理

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

伴隨著4K、8K、低藍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)市場主流。隨著高端產(chǎn)品的不斷增多和企業(yè)本身對TFT-LCD產(chǎn)品品質(zhì)的不斷追求，產(chǎn)品特性的SPC趨勢管理勢在必行。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際應(yīng)用的SPC管理方法。

1 TFT-LCD金屬層簡介

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像素都是由集成在底層的薄膜晶體管來驅(qū)動，從而帶動液晶偏轉(zhuǎn)可以呈現(xiàn)高速度高亮度高對比度的“真彩”畫面。TFT-LCD的主要特點是為每個像素配置一個半導(dǎo)體開關(guān)器件，因此TFT-LCD的金屬膜層對產(chǎn)品性能非常重要。金屬膜層有些可以充當(dāng)電極、信號傳輸線，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”。而作為電極和信號傳輸?shù)慕饘賹尤绻霈F(xiàn)異常則會導(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，氣體原子在電場作用下電離成氣體離子，氣體離子受電場作用運動轟擊靶材，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。磁控濺射是以磁場來改變電子的運動方向，并束縛和延長電子的運動軌跡，從而提高了電子對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，直接測量膜厚的方法是將需要測量的位置做成切片在顯微鏡下測量，這種破壞性測量方法顯然不能成為生產(chǎn)過程中的常規(guī)檢驗手段。因此，工廠使用四探針法對金屬層的方塊電阻RS進行測量，如圖3、圖4所示。探針1、4之間通電流，探針2、3間測電壓，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，工廠測量金屬層時，若RS值偏大，代表膜厚偏薄；若RS值偏小，則代表膜厚偏厚。

圖3 RS測試原理

圖4 RS測試設(shè)備

磁控濺射是在未分割開的較大Glass基板上進行金屬成膜，又由于RS測試時探針會損壞局部膜層，因此RS測試點會避開顯示區(qū)而選取Panel間的Dummy區(qū)進行測量。以某款產(chǎn)品為例，這款產(chǎn)品某金屬層RS選取了25個測量點位，如圖5所示。按照傳統(tǒng)SPC理論需要對每個測試點分別做控制圖進行監(jiān)控，這樣的話此款產(chǎn)品所有膜層加起來將會有上百個控制圖，對實際監(jiān)控造成負擔(dān)和不便。另外，同一Glass的25個測量點并非完全獨立，因為Glass基板經(jīng)過的工藝和設(shè)備相同，所以25個點具有同升同降的特點，因此對每一個測量點做單獨控制圖分別監(jiān)控是不必要的。

圖5 RS測試點位

為了制定合適RS的SPC管理方案，我們需要對RS數(shù)據(jù)規(guī)律進行研究。首先我們需要在正常生產(chǎn)條件下生產(chǎn)的Dummy Glass上做密集點測試，如圖6所示，使測量位置均勻散布在Glass上，共設(shè)置了110個測量點。對測試結(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密集點測試點位

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偏低是由于磁場強度較大導(dǎo)致。因此我們對RS偏低相應(yīng)位置的磁鐵進行了調(diào)整，增加磁鐵到靶材的距離來減弱局部磁場強度。調(diào)整后再次進行密集點測試，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管理方法及實際應(yīng)用

根據(jù)以上密集點測試結(jié)果可以得出RS數(shù)據(jù)集中性與設(shè)備的磁場強度有很大關(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，此位置磁場強度較強因此膜厚偏大、RS偏小；而中間位置磁鐵數(shù)量較少且為豎向平行分布，此位置磁場強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報警，而整體控制圖未觸發(fā)OOC報警。因此分區(qū)控制圖不僅可以快速定位異常發(fā)生的區(qū)域并且對過程變異及波動更加敏感。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)OOC報警后，我們使用六宮格方法進行問題調(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)一步步確認根本原因發(fā)現(xiàn)為首片時邊緣位置電場設(shè)置過大。針對根本原因制定改善及預(yù)防對策——收嚴(yán)邊緣位置電場的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

我們通過密集點測試→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，因為如果可以消除數(shù)據(jù)集中性、使數(shù)據(jù)做到完全均一（或滿足要求的相對均一），將不需要進行分區(qū)管理；而針對設(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，則需要進行合理分區(qū)及分區(qū)管理。

過于死板的硬套SPC理論會使SPC成為工廠的負擔(dān)；過于經(jīng)驗化的SPC管理則無法及時預(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、帶給我們改善和改進的機會。改善前RS數(shù)據(jù)分為多個群組且不符合標(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老師為我們指點迷津、幫助我們步入正軌。我們會更加堅定地開展SPC管理，守正創(chuàng)新，將全面SPC趨勢管理進行到底！