張超義　梁偉　閆超　劉靖宇　牛鋒　劉崗

關(guān)鍵詞：卓越績效模式，光罩，靜電損傷，測(cè)量分析改進(jìn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.01.030

0 引言

卓越績效模式（Performance Excellence Model，PEM）是美國于80年代創(chuàng)建的企業(yè)經(jīng)營管理成熟度模型，也是美國國家質(zhì)量獎(jiǎng)的評(píng)審依據(jù)，中國于20 0 4年發(fā)布《卓越績效評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19580-2004）與《卓越績效評(píng)價(jià)準(zhǔn)則實(shí)施指南》（GB/Z 19579-2004），并于2012年對(duì)其進(jìn)行修訂[1]。目前客戶對(duì)質(zhì)量的要求越來越高，企業(yè)需要思考如何提高自身的質(zhì)量管理水平，形成獨(dú)特的質(zhì)量管理模式，形成穩(wěn)定的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建卓越績效模式無疑是一個(gè)具有遠(yuǎn)見的選擇。卓越績效模式作為可有效提升產(chǎn)品質(zhì)量的方法，可以幫助企業(yè)解決上述問題。企業(yè)導(dǎo)入卓越績效模式，首先需要了解組織的當(dāng)前狀況，測(cè)量分析改進(jìn)方法為引入點(diǎn)是一個(gè)較好的選擇，且測(cè)量分析改進(jìn)處于卓越績效模式兩個(gè)三角的聯(lián)動(dòng)環(huán)節(jié)，基于測(cè)量分析改進(jìn)的方法對(duì)企業(yè)改善可以促進(jìn)企業(yè)關(guān)注綜合質(zhì)量，以系統(tǒng)的觀點(diǎn)來管理整個(gè)企業(yè)及其關(guān)鍵過程[2]。

組織的測(cè)量、分析和改進(jìn)包含組織的績效測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)以及組織的改進(jìn)與創(chuàng)新。組織應(yīng)基于“方法、展開、學(xué)習(xí)、整合”四要素循環(huán)實(shí)施測(cè)量、分析和改進(jìn)，依據(jù)績效測(cè)量結(jié)果、評(píng)價(jià)結(jié)果確定需要優(yōu)先改進(jìn)關(guān)鍵過程，識(shí)別創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，并根據(jù)優(yōu)先順序?qū)嵤└倪M(jìn)和創(chuàng)新，不斷提高企業(yè)經(jīng)營質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量，提高顧客滿意度、忠誠度。

改進(jìn)與創(chuàng)新基于績效的評(píng)價(jià)結(jié)果和改進(jìn)的優(yōu)先順序，績效的評(píng)價(jià)基于績效測(cè)量的結(jié)果，通過測(cè)量光罩靜電損傷產(chǎn)生原因、過程，識(shí)別和評(píng)價(jià)靜電損傷影響因素和績效，確定改進(jìn)光罩靜電損傷的優(yōu)先順序，并基于評(píng)價(jià)結(jié)果和改進(jìn)順序?qū)嵤┕庹朱o電損傷改善。通過在設(shè)計(jì)開發(fā)過程和生產(chǎn)過程的改進(jìn)，確定改進(jìn)的績效測(cè)量指標(biāo)，降低靜電損傷風(fēng)險(xiǎn)，提高光罩良率。

光罩是以石英玻璃作為襯底，在含有金屬鉻薄膜的玻璃基板（Bl a n k）上形成復(fù)雜幾何圖形（pattern）的圖形轉(zhuǎn)移母版即俗稱的“mask”[3]，用于對(duì)顯示面板進(jìn)行投影定位，通過曝光機(jī)對(duì)所投影的電路進(jìn)行光蝕刻。如圖1所示光罩電路剖面示意圖。

光罩在使用、儲(chǔ)存、生產(chǎn)制造、長距離運(yùn)輸、包裝等各個(gè)過程都可能產(chǎn)生靜電，當(dāng)靜電電荷積聚量變導(dǎo)致靜電擊穿，則光罩發(fā)生靜電損傷。光罩中電路金屬鉻薄膜存在不規(guī)律的裂縫，鉻薄膜發(fā)生靜電擊穿將直接導(dǎo)致光罩電路鉻薄膜損傷，引起使用光罩曝光制作的顯示面板電路短路、斷路、顯示不良等諸多問題。如圖2（a）所示光罩靜電損傷實(shí)例圖，掩膜版兩個(gè)電路鉻膜發(fā)生靜電損傷，導(dǎo)致鉻膜受損?？蛻羰褂醚谀ぐ嫫毓鈺r(shí)無法復(fù)制出期望的圖形，造成圖形缺失或增加，如圖2（b）所示靜電損傷光罩曝光顯示面板電路異常圖。

國外由于半導(dǎo)體和顯示面板發(fā)展較早和成熟，其所配套的光罩處于全球領(lǐng)先地位，全球光罩市場被日本DNP、美國Photronics、日本TOPAN占據(jù)80%以上[4]，而國內(nèi)光罩的生產(chǎn)還處于起始階段，且較早時(shí)代顯示面板像素較低，電路間距大，不易發(fā)生靜電損傷，所以目前單獨(dú)對(duì)于光罩靜電損傷的研究很少，僅有少數(shù)對(duì)于半導(dǎo)體和顯示面板行業(yè)靜電損傷的相關(guān)研究。

國外對(duì)于光罩靜電損傷的研究相對(duì)而言較多一點(diǎn)，但也缺乏系統(tǒng)的研究，且其理論依據(jù)多是基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，沒有引入科學(xué)的理論和過程方法對(duì)光罩靜電發(fā)生原因進(jìn)行分析改善。國內(nèi)研究多集中于控制無塵室環(huán)境，優(yōu)化使用光罩方法等方面，對(duì)于提高光罩本身抗靜電能力的研究很少。

本文基于卓越績效模式測(cè)量、分析和改進(jìn)的方法，將帕申定律、湯森放電理論和“5M1E”等過程改進(jìn)理論用于光罩設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)制造過程中，測(cè)量評(píng)價(jià)光罩靜電損傷的原因及其改進(jìn)機(jī)會(huì)，確定改進(jìn)創(chuàng)新的優(yōu)先順序，從光罩設(shè)計(jì)開發(fā)方法改進(jìn)、生產(chǎn)制造過程優(yōu)化等實(shí)施改進(jìn)和創(chuàng)新，確定改進(jìn)的績效測(cè)量指標(biāo)，降低光罩靜電損傷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，提高光罩良率，進(jìn)而提高光罩產(chǎn)品全生命周期績效水平。

1 靜電及靜電放電

光罩生產(chǎn)和使用所處的無塵室環(huán)境中，由于大量使用特氟龍、PVC等絕緣材料，這些絕緣材料摩擦產(chǎn)生靜電會(huì)在無塵室形成微靜電場，光罩處于無塵室微靜電場中會(huì)引起光罩電路發(fā)生極化[5]。由于摩擦、無塵室靜電場中光罩極化作用或其他帶電體電荷傳導(dǎo)，使得光罩電路帶有靜電。因光罩電路帶有電荷多少和正負(fù)屬性不同，使得不同電路之間形成電壓差，當(dāng)不同電路鉻膜之間間隙所能承受的最大電壓小于兩個(gè)電路鉻膜上電荷的電壓差時(shí)，光罩兩個(gè)電路之間的電荷發(fā)生遷移，從而導(dǎo)致光罩電路被電荷擊穿，如圖3所示。

光罩電路靜電擊穿損傷分為突發(fā)失效和潛在失效兩種靜電損傷類型。突發(fā)失效是指光罩受到靜電擊穿損傷后，突然完全或部分喪失其規(guī)定的功能。潛在失效指靜電放電能量較低，或放電回路有限流電阻，僅造成輕微損傷，光罩可能仍然合格或略有變化[6]。潛在失效的危害雖然沒有突發(fā)失效的危害大，但潛在失效同樣對(duì)光罩產(chǎn)生不利影響：（1）使用可靠性下降，縮短預(yù)期壽命；（2）光罩電路逐漸惡化、抗過電應(yīng)力能力下降[6]。如圖4（a）、圖4（b）分別是光罩潛在失效和突發(fā)失效狀況圖。

2 光罩靜電損傷理論背景

2.2 微米和亞微米領(lǐng)域帕申定律變化情況

以上針對(duì)平行平板氣隙模型的氣隙d 都在毫米量級(jí)，傳統(tǒng)的板對(duì)板電極的直流氣體擊穿一般由Paschen定律描述和預(yù)測(cè)，它給出了擊穿電壓U與氣體壓力p 和間隙距離d的乘積p·d 之間的關(guān)系。對(duì)于微米和亞微米量級(jí)的平行平板氣隙放電研究表明，當(dāng)氣隙d 在3 μm到50 μm之間時(shí)，擊穿電壓U 有兩個(gè)階段；當(dāng)d 大于10 μm時(shí)，U 隨d 增加而增加，表現(xiàn)出與Paschen定律相似的行為；當(dāng)d 小于10 μm時(shí)，U -d 曲線上存在一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)擊穿電壓值遠(yuǎn)低于帕申P(guān)aschen定律的預(yù)期[8-9]。

3 光罩電路等效電路模型分析

3.1 光罩電路平面靜電擊穿等效模型分析

兩個(gè)電路鉻膜積聚靜電電荷導(dǎo)致靜電損傷的情形，可抽象等效為帕申（Paschen）定律和湯森（Townsend）放電理論的平行平板氣隙擊穿電壓模型來解釋，兩側(cè)電路鉻膜可看作平行平板金屬電極、中間間隔看作平板氣隙（空氣），如圖5光罩等效平行平板氣隙模型。氣隙擊穿電壓Ub =f（pd ， d /r），p為氣壓，d為電路之間垂直距離，r為電極（電路平行相對(duì)位置寬度L）半徑，d /r稱為縱橫比。

根據(jù)帕申定律和湯森放電理論，基于光罩表面空氣氣壓等于大氣壓這一現(xiàn)實(shí)情況。如果d /r ≤1，則擊穿電壓U 是pd 的函數(shù)即d 的函數(shù)，d 越大則擊穿電壓越大。如果d /r >1，則擊穿電壓U是pd即d和d /r 的函數(shù)；d 一定時(shí)，d /r 越小即r 越大，則擊穿電壓越大；d /r 一定時(shí)，d 越大則擊穿電壓越大。且根據(jù)亞微米平行平板氣隙擊穿電壓的研究表面，當(dāng)氣隙d <10 μm時(shí)，其擊穿電壓U 遠(yuǎn)小于Paschen定律預(yù)期，所以當(dāng)電路間隔d 小于10 μm時(shí)，兩個(gè)電路之間的擊穿電壓會(huì)急劇降低[7-9]。

3.2 光罩電路剖視面靜電擊穿模型分析

如下圖6是光罩電路的剖視角度等效平板氣隙模型，此時(shí)電路的鉻膜厚度T可等效為平行平板氣隙模型的電極半徑r，d為電路之間垂直距離，其擊穿電壓為U b =f（pd ，d /r）[7]?；诖穗娐菲室晥D的模型，光罩電路鉻厚度（2r）一般在110納米左右，而電路間距d 一般在幾微米到幾百微米不等，故d /r 遠(yuǎn)大于1，所以從剖視角度分析光罩氣隙擊穿情況適用于d /r >1的情況，d 一定時(shí)，d /r 越小即r 越大，則擊穿電壓越大；d /r 一定時(shí)，d 越大則擊穿電壓越大，即可以通過增加鉻膜厚度或增加電路間隔距離增大擊穿電壓。

4 設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)過程靜電損傷績效測(cè)量分析

4.1 靜電損傷設(shè)計(jì)開發(fā)的績效測(cè)量分析

光罩電路鉻膜之間發(fā)生靜電擊穿，是由于兩電路鉻膜之間積累的電荷電壓超過其之間擊穿電壓U，電荷會(huì)移動(dòng)導(dǎo)致光罩靜電損傷。對(duì)于通過光罩電路設(shè)計(jì)過程降低靜電損傷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，需要優(yōu)化光罩設(shè)計(jì)方案，降低電路之間靜電電壓，使其小于擊穿電壓。在不同電路之間設(shè)計(jì)細(xì)線型鉻膜對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行短路（細(xì)線無法被曝光機(jī)識(shí)別，不會(huì)出現(xiàn)在面板圖案上），可以消除兩個(gè)電路之間的電壓差。如圖7設(shè)計(jì)細(xì)線使兩個(gè)電路短路，消除其之間的電壓差。

故根據(jù)以上分析研究，光罩的設(shè)計(jì)開發(fā)過程發(fā)生靜電損傷主要有以下三個(gè)績效測(cè)量指標(biāo)：

（1）光罩兩個(gè)電路相互間隙距離d 影響靜電損傷發(fā)生率，d越大則靜電損傷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)越小。

（2）光罩兩個(gè)電路相對(duì)位置寬度L 影響靜電損傷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，L 越大則靜電損傷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)越小。

（3）光罩兩個(gè)電路通過極細(xì)的線連接，可以消除之間電壓差，從而消除靜電損傷風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 靜電損傷生產(chǎn)過程績效測(cè)量分析

生產(chǎn)過程使用“5M1E”的方法分析靜電損傷的原因并確認(rèn)績效測(cè)量指標(biāo)。具體是指人（Man /Manpower）、機(jī)器（Machine）、材料（Material）、方法（M e t h o d）、測(cè)量（M e a s u r e m e n t）、環(huán)境（Environment）六項(xiàng)指標(biāo)[10]。分析操作者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量意識(shí)、操作技術(shù)熟練度、身體狀況，確認(rèn)機(jī)器設(shè)備的精度、工藝改善優(yōu)化情況和維護(hù)保養(yǎng)狀況，分析材料的成分、抗靜電能力、物理和化學(xué)性能等因素，分析產(chǎn)品加工工藝、操作方法等因素，測(cè)量時(shí)所應(yīng)用的方法是否標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)確，分析工作地的溫度、濕度、靜電、氣流等因素。

如圖8，生產(chǎn)過程靜電損傷“5M1E”分析。對(duì)于環(huán)境方面，光罩生產(chǎn)企業(yè)fab環(huán)境中靜電不高，環(huán)境溫濕度、氣流都有實(shí)時(shí)監(jiān)控很少波動(dòng)，且生產(chǎn)企業(yè)會(huì)采用設(shè)備接地、離子棒等對(duì)策消除環(huán)境中靜電，故環(huán)境在生產(chǎn)過程中不是靜電損傷的關(guān)鍵績效指標(biāo)。對(duì)于人、機(jī)、法方面，光罩企業(yè)的機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)方法比較成熟，而且設(shè)備較少、生產(chǎn)工藝不多，自動(dòng)化程度高，操作人員較少，所以人員、設(shè)備和生產(chǎn)方法也不是生產(chǎn)過程中靜電損傷的關(guān)鍵績效指標(biāo)。對(duì)于測(cè)量方面，光罩在生產(chǎn)過程中會(huì)經(jīng)歷多次檢查設(shè)備檢查和人員目視檢查，且光罩需要檢查機(jī)最終檢查和人員目視檢查均無異常才可出貨給面板企業(yè)，故光罩檢查不是生產(chǎn)過程中靜電損傷的關(guān)鍵績效指標(biāo)。

對(duì)于光罩生產(chǎn)材料，當(dāng)前光罩生產(chǎn)企業(yè)主要使用的光罩原料為OD3.2的blank，其鉻膜厚度在110納米。如果使用鉻膜厚度更厚的OD5.0 blank，其鉻膜厚度在135納米左右，鉻膜厚度增加。根據(jù)本文3.2分析，生產(chǎn)光罩的鉻膜厚度對(duì)于光罩電路間的擊穿電壓有影響，鉻膜越厚則電路間擊穿電壓越大，靜電損傷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)越低。綜上5M1E的分析，光罩生產(chǎn)材料blank鉻膜厚度是生產(chǎn)過程中靜電損傷的需要優(yōu)先改進(jìn)的指標(biāo)。

5 靜電損傷改進(jìn)對(duì)策研究

由以上光罩設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)過程的靜電損傷績效指標(biāo)分析，提高光罩抵抗靜電擊穿的能力，降低以及消除電路之間電壓差均可以降低靜電損傷發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。從提高光罩抗靜電擊穿能力的角度分析，可以增加電路之間間隔距離、增加鉻膜厚度以及增加兩個(gè)電路相對(duì)位置寬度L，從而提高擊穿電壓。從降低電路之間的電壓差，可以通過在不同電路之間設(shè)計(jì)細(xì)線型鉻膜對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行短路消除兩個(gè)電路之間的電壓差。

根據(jù)以上績效測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)，對(duì)于光罩靜電損傷改進(jìn)優(yōu)先從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：

（1）光罩的設(shè)計(jì)開發(fā)

①增加兩個(gè)電路的間距距離d，增大電路間擊穿電壓。如圖9（a）光罩電路間距較小設(shè)計(jì)和改善后圖9（b）光罩電路間距較大設(shè)計(jì)。

②設(shè)計(jì)電路之間相對(duì)應(yīng)位置寬度L 盡量大，使電路之間處于均勻電場中，降低靜電擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

③光罩電路間距距離較小的情況，設(shè)計(jì)細(xì)線使兩個(gè)電路短路，消除其之間的電壓差。

（2）光罩的生產(chǎn)

根據(jù)光罩設(shè)計(jì)電路情況，分析選擇電路設(shè)計(jì)靜電損傷風(fēng)險(xiǎn)較大的光罩層別，使用OD 5.0的blank（鉻膜厚度更厚）降低靜電損傷風(fēng)險(xiǎn)。如表1某光罩生產(chǎn)企業(yè)制定的使用OD 5.0 blank的光罩層別列表（部分節(jié)選）。

6 結(jié)語

本文基于卓越績效模式測(cè)量分析改進(jìn)的方法，結(jié)合帕申定律、湯森放電理論和5M1E等過程改進(jìn)理論，測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)光罩的設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)制造中靜電損傷發(fā)生的原因，對(duì)改善光罩靜電損傷機(jī)理進(jìn)行研究，確定改進(jìn)靜電損傷對(duì)策的優(yōu)先順序。

（1）本文引入卓越績效模式測(cè)量、分析和改進(jìn)方法，有助于通過對(duì)光罩靜電損傷關(guān)鍵績效指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)，以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)質(zhì)量機(jī)會(huì)和改進(jìn)順序。

（2）帕申定律和湯森放電理論在亞微米和微米領(lǐng)域，平行平板氣隙模型擊穿電壓也有類似的規(guī)律，在間距d 小于10 μm時(shí)，其擊穿電壓U 遠(yuǎn)小于帕申定律預(yù)期。

（3）根據(jù)光罩的設(shè)計(jì)開發(fā)和光罩的生產(chǎn)中靜電損傷績效測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)，確定光罩設(shè)計(jì)開發(fā)方法改進(jìn)以及生產(chǎn)光罩原材料OD 5.0 blank改進(jìn)應(yīng)用兩方面措施，可以有效降低光罩發(fā)生靜電損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

作者簡介

張超義，碩士，主要研究方向?yàn)轫?xiàng)目管理和卓越績效模式及應(yīng)用。

牛鋒，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橘|(zhì)量、品牌和標(biāo)準(zhǔn)化。

劉崗，通信作者，博士（后），副研究員，主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)管理及相關(guān)技術(shù)開發(fā)。

（責(zé)任編輯：張佩玉）