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控是十分重要的管控措施。本文以在日常監控過程中發現A溫濕度測試儀與B溫濕度測試儀實測數據存在機差的為例，通過假設檢驗與回歸分析等統計學方法解決儀器機差問題，為其他TFT-LCD環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境特性。特別是濕度，如果濕度超出規定范圍（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，濕度監控是TFT-LCD生產環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域，通過傳感探頭實時監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測試數據

針對測試過程中出現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

某潔凈間日常監控過程中同時采用3種儀器進行監控：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）區域時出現大面積超標，超標數據如表1所示。

測試數據表明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：

●區間選擇：60±5%RH

●測試點位：選取30個不同區域點位進行測試

●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并記錄數據

（1）利用JMP軟件對得到的數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，為了判斷測試數據的準確性，首先對儀器參數進行比對，儀器參數對比結果如表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，溫濕度的監控存在區域差異，因此進行實驗設計需要包含所有的Spec區間，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）區間選擇：50±5%RH，55±5%RH，60±5%RH；

圖2 50±5%RH濕度區間

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并記錄數據。

分別對不同區間的測試數據進行回歸分析，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）可以發現各區間方差分析概率＞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濕度區間

圖4 60±5%RH濕度區間

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服從正態概率分布。

各區間回歸方差對應殘差分析：

（1）50±5%RH、55±5%RH、60±5%RH區間觀測順序-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，無明顯的“喇叭口”或彎曲形狀。

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

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殘差正態分位數

圖8 55±5%RH殘差正態分位數

圖9 60±5%RH殘差正態分位數

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

結論：溫濕度是TFT-LCD行業生產過程潔凈間重要的環境參數，是腐蝕或ESD等不良發生的關鍵因子，必須采用合理、合規的方法和儀器對其進行監控。對于常用的手持式溫濕度測試儀，當產生儀器機差問題時，為了避免測試數據失真，合理地使用統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。