TFT-LCD潔凈間溫濕度測試儀器假設檢驗和回歸分析機差解決方案

武漢京東方光電科技有限公司 孟 雨 劉子源 張 杰 林 敏 向紅偉 金 瑞 蘇昊文 匡 磊 張 壯

溫濕度是TFT-LCD生產過程中潔凈間的重要環(huán)境特性，溫濕度的異常波動可能會導致TFT-LCD生產所需原材吸濕腐蝕或產生ESD相關不良。因此，合理地使用溫濕度測試儀對潔凈間的溫濕度進行監(jiān)控是十分重要的管控措施。本文以在日常監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)A溫濕度測試儀與B溫濕度測試儀實測數(shù)據存在機差的為例，通過假設檢驗與回歸分析等統(tǒng)計學方法解決儀器機差問題，為其他TFT-LCD環(huán)境測試儀器機差問題提供了解決方法與分析思路。

溫濕度是TFT-LCD生產過程中重要的環(huán)境特性。特別是濕度，如果濕度超出規(guī)定范圍（Spec，55±5%RH），可能會使原材吸濕腐蝕或產生ESD相關不良，從而影響產品可靠性與良率。因此，濕度監(jiān)控是TFT-LCD生產環(huán)境中是十分重要且必不可少的關鍵步驟。

目前，常用的潔凈間溫濕度監(jiān)控方法主要包括2種：（1）在線式溫濕度傳感器探頭，固定在潔凈間不同區(qū)域，通過傳感探頭實時監(jiān)控潔凈間內溫濕度變化；此種方法可以實時獲取潔凈間內固定位置的溫濕度水平，但無法對特定區(qū)域進行探測；（2）手持式溫濕度測試儀，由傳感器和測試儀組成，人員可將其攜帶至指定位置進行測試，但由于經常人為操作，儀器易存在機差。

表1 手持式測試儀A測試數(shù)據

針對測試過程中出現(xiàn)手持式溫濕度測試儀的濕度測量機差問題，本文通過假設檢驗驗證儀器機差顯著性，分析機差顯著性結果，通過回歸分析建立測試儀器機差模型，并對回歸模型進行殘差驗證，從而解決實際應用過程中因測試儀器存在機差導致數(shù)據失真的問題。

1 原料與方法

研究對象：武漢京東方光電科技有限公司10.5代線TFT-LCD潔凈間不同溫濕度區(qū)域。

設備型號：K社手持式溫濕度測試儀，E社手持式溫濕度測試儀，以下分別簡稱為手持式測試儀A，手持式測試儀B。

分析方法：利用JMP軟件對收集數(shù)據進行假設檢驗，回歸分析，殘差分析。

2 機差分析

某潔凈間日常監(jiān)控過程中同時采用3種儀器進行監(jiān)控：在線式與手持式測試儀（廠家A、B，簡稱A測試儀、B測試儀）。A測試儀在測試某Spec（60±5%RH）區(qū)域時出現(xiàn)大面積超標，超標數(shù)據如表1所示。

測試數(shù)據表明3F濕度AVG（均值）遠低于Spec下限（55%RH），而在線式測試儀及手持式測試儀B測試結果顯示同點位濕度均在Spec范圍內。需盡快對儀器機差數(shù)據進行分析，設計實驗如下：

實驗人員：1人

實驗儀器：手持式測試儀A，手持式測試儀B實驗方法：

●區(qū)間選擇：60±5%RH

●測試點位：選取30個不同區(qū)域點位進行測試

●測試方法：同時操作手持式測試儀A，手持式測試儀B相距10cm測試30s并記錄數(shù)據

（1）利用JMP軟件對得到的數(shù)據進行假設檢驗分析，判斷測試儀A/B間機差是否顯著，根據7月份測試數(shù)據做出如下假設：

●原假設：手持式測試儀A-手持式測試儀B≤0；

●備擇假設：手持式測試儀A-手持式測試儀B＞0；

（2）進行等方差性檢驗：使用Welch方差分析檢驗均值是否相等，見表2所示。

表2 Welch方差分析

（3）根據等方差性檢驗結果進行近似雙樣本均值T檢驗。根據結果概率＞|t|時P值＜0.0001＜0.05，拒絕原假設，接受備擇假設即手持式測試儀A測試結果顯著高于手持式測試儀B。如圖1所示。

綜上，通過假設檢驗可以得出A/B儀器之間存在顯著機差，為了判斷測試數(shù)據的準確性，首先對儀器參數(shù)進行比對，儀器參數(shù)對比結果如表3所示。

圖1 手持式測試儀A/B機差假設檢驗

表3 手持式測試儀A/B儀器參數(shù)對比

儀器A精度＞儀器B精度，儀器A分辨率＜儀器B分辨率，在實際應用中真正影響測試準確性的主要是精度，因此若校驗通過則A儀器準確性更高。于是將手持式測試儀A/B送至第三方機構進行校驗，得到校驗結果如表4所示。

通過校準數(shù)據可以看出，手持式測試儀A偏倚及線性均存在問題，手持式測試儀B偏倚及線性均滿足要求。但由于手持式測試B精度較A差，在濕度接近Spec上下限時更容易產生測試誤差從而導致生產過程異常，因此期望通過設計實驗進行回歸分析消除線性問題，從而使測試儀A可以限制性使用。

3 回歸分析

在實際生產過程中，溫濕度的監(jiān)控存在區(qū)域差異，因此進行實驗設計需要包含所有的Spec區(qū)間，目前涉及的Spec范圍為50±5%RH，55±5%RH，60±5%RH，設計實驗如下：

實驗人員：1人

實驗儀器：手持式測試儀A，手持式測試儀B

實驗方法：

（1）區(qū)間選擇：50±5%RH，55±5%RH，60±5%RH；

圖2 50±5%RH濕度區(qū)間

表4 手持式測試儀A/B第三方校準結果

（2）測試點位：每個不同區(qū)間選取100個不同點位進行測試；

（3）測試方法：同時操作手持式測試儀A，手持式測試儀B相距10cm測試30s并記錄數(shù)據。

分別對不同區(qū)間的測試數(shù)據進行回歸分析，得到線性擬合如圖2～圖4所示。

通過方差分析對線性擬合顯著性進行判斷：根據方差分析結果（如表5所示）可以發(fā)現(xiàn)各區(qū)間方差分析概率＞F時，P值均小于0.001，代表回歸方程顯著，具有意義。

圖3 55±5%RH濕度區(qū)間

圖4 60±5%RH濕度區(qū)間

圖5 觀測順序-殘差、預測值-殘差圖

采用殘差分析方法對擬合效果進行驗證，驗證準則基于以下4點進行：①具有時間獨立性；②來自穩(wěn)定受控總體；③對輸入因子的所有水平有相等的總體方差；④誤差項ε服從正態(tài)概率分布。

各區(qū)間回歸方差對應殘差分析：

（1）50±5%RH、55±5%RH、60±5%RH區(qū)間觀測順序-殘差、預測值-殘差圖見圖5所示，由圖5可得出結論：①殘差值隨機波動，彼此間獨立；②殘差與預測值中無“喇叭形”或“漏斗型”，表明殘差具有等方差性。

（2）50±5%RH、55±5%RH、60±5%RH區(qū)間自變量-殘差圖見圖6所示。由圖6可得出結論：殘差的標準差為常數(shù)，無明顯的“喇叭口”或彎曲形狀。

（3）50±5%RH、55±5%RH、60±5%RH區(qū)間殘差正態(tài)分位數(shù)圖見圖7、8、9所示，由圖可以得出結論：殘差滿足正態(tài)分布。

根據以上殘差分析結果可以得出回歸模型合理，最終得到各Spec范圍內回歸方程如下：

①50±5%RH：B儀器（%RH）=20.163837+0.7127544×A儀器（%RH）；

②55±5%RH：B儀器（%RH）=17.526312+0.7757198×A儀器（%RH）；

表5 方差分析結果

圖6 自變量-殘差

圖7 50±5%RH殘差正態(tài)分位數(shù)

圖8 55±5%RH殘差正態(tài)分位數(shù)

圖9 60±5%RH殘差正態(tài)分位數(shù)

③60±5%RH：B儀器（%RH）=11.057031+0.9101475×A儀器（%RH）。

結論：溫濕度是TFT-LCD行業(yè)生產過程潔凈間重要的環(huán)境參數(shù)，是腐蝕或ESD等不良發(fā)生的關鍵因子，必須采用合理、合規(guī)的方法和儀器對其進行監(jiān)控。對于常用的手持式溫濕度測試儀，當產生儀器機差問題時，為了避免測試數(shù)據失真，合理地使用統(tǒng)計學及合理地進行實驗設計能夠有效解決這一問題，同時也為其他TFT-LCD行業(yè)溫濕度測試過程中的機差問題提供有效的解決方法及分析方向。