静电消除器於膜厚量测设备之应用与改善

1、靜電消除器於膜厚量測設備之應用與改善 Keywords: 靜電消除器(Ionizer) 低溫多晶矽平面顯示器(LTPS TFT-LCD) 靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)  工業技術研究院電子工業研究所郭侃誠、蕭名男、江志強、王志延、莊蕙端2002-10-28  目錄一、 一、 摘要二、 二、 簡介三、 三、 實驗儀器與設備四、 四、 實驗方法與驗證五、 五、 結果與改善六、 六、 結論七、 七、 參考文獻   一. 摘要靜電的累積與放電對電子元件品質特性或產品良率有嚴重影響，而

2、工研院電子所目前研發低溫多晶矽平面顯示器(LTPS TFT-LCD)技術，靜電更可能對玻璃基板產生莫大的影響。一般用於半導體或光電產業的生產製造設備，都會裝置靜電消除器(ionizer)，但其效果卻甚少確認。於本文中，我們以電子所之膜厚量測設備靜電消除器為例，統計檢定(statistical test)、p-value與信賴區間(confidence level)方法為助，探討靜電消除器操作頻率及工作距離之變化對靜電去除效果之影響，研究CDA流量、離子風出口位置對其結果之影響，並據此改善現況。 二. 簡介光電及半導體產業中，良率是每個量產廠所關切的問題，但除了產品本身及製程之設計外，

3、還有另外兩個重要之關鍵，即是靜電效應與微粒(particle)效應，此兩者常是造成良率下降之兇手。一般在製程或量測設備上，多會安裝靜電消除器，但對於其裝設位置、去除效果、型式是否適當等，多未加以評估。若只是沒有靜電去除之效果，還不會造成太大之影響，但若變成了靜電及微粒1之來源，將會是個大問題。於本文中，我們將以電子所膜厚量測儀為例，探討靜電去除裝置在何種狀況下，可提供最佳之靜電去除效果。 三. 實驗儀器與設備本文所述實驗中所使用之靜電量測儀器如圖1所示，分別為(a) PCS-730靜電充電器，用於對靜電場儀加以充電，可充電至+1kV或是-1kV。 (b) PFM-711A靜電場儀，用

4、於量測靜電場大小。(c) PDT-740B靜電衰減計時器，用於量測靜電消散時間(Static Decay Time)。(d)連接圖。 (a)(b)(c)(d)圖1靜電量測儀器 此外，膜厚量測儀原有之靜電消除器配置如圖2所示。共裝設兩具脈衝交流式靜電消除器（Pulsed AC ionizer），一具在cassette端，另一具在stage端，cassette端之ionizer隨時保持開啟；stage端之ionizer是當玻璃傳進stage時才開啟，ionizer 之型號為SJ-B020A。圖2原來之ionizer位置 四. 實驗方法與驗證靜電消除器效能之優劣不只影響

5、到產品品質，也不利實驗研發能力的提升，但如何確保靜電消除器之功能正常且有效，的確是重要的關鍵。過去Arnold Steinman2對不同型式之靜電消除裝置3有著深刻的研究，但不外乎在規定的測試板上量測其由+/-1000V衰減到+/-100V之時間(static decay time)或者其穩定後的靜電壓大小4。當然這些檢測對靜電消除器的功能確認為簡單而有效的。在此我們應用統計方法實際量測玻璃基板(substarte)上經過膜厚量測前後之靜電壓大小比對，並藉由資料轉換的方式使其符合常態分配(normal distribution)，以避免獲致誤差過大的結果，公式如下： (1)：玻璃基板上帶電量去

6、除程度(%)i =1為電消除器未開啟之狀況i =2為靜電消除器開啟之狀況：在玻璃基板上不同點量測前之帶電量 ：在玻璃基板上不同點量測後之帶電量 因此根據式(1)可知當>0時，代表靜電消除器有其效果存在，且值越大代表其效果越好；反之，若其為負值表示基板上帶電量有增加的趨勢，而因為靜電帶有正負，因此取絕對值表示其帶電量之大小。接著根據不同的實驗條件以95%信賴區間檢定其顯著性，步驟如下：  (2)式(2)應用基板上五個點當作樣本，將資料轉換使其呈常態分配，並假設其樣本變異相等進行統計檢定，定義如下：虛無假設：對立假設 (3)假設同基板上變異為相同的條件之下，以p-value檢定有開

7、啟與無開啟（靜電消除器）之狀態下，玻璃基板帶電量減少程度之差異，如果其值大於0.05即代表靜電消除器對於基板上的電荷消除效果不佳，屬於，沒有足夠的證據令吾人接受靜電消除器有好的靜電去除效果；若其值小於0.05，表示靜電消除器產生了很好之靜電去除效果，屬於。因此我們可藉由這兩個步驟進行靜電消除器裝設位置與工作距離改善後之效果確認。依照上述模式比對電子所內量測機台上之靜電消除器效能，其結果如下表1所示。表1EquipmentT-valuep-valueA：Alpha-Step-0.240.593B：CD Measurement3.020.003C：Nanometrics1.940.031由上表可發

8、現當設備A有p-value>0.05的現象，代表其去靜電效果不顯著，其原因可能包含架設位置不當與離子風角度需改變。以下利用上述之檢定方法，針對設備A之靜電消除器進行裝設位置與離子風角度的調整以改善去靜電的效能。 五. 結果與改善 5.1 Stage端之ionizer裝設改善研究針對stage端之ionizer執行操作頻率與工作距離變化對靜電消除效果影響之量測，原有之設定如下：操作頻率：100 Hz、CDA流量：15 lpm、距離：60cm。設定可變因子為操作頻率與工作距離，頻率部份選定100Hz與33Hz，距離部份選定60cm與30cm。量測方法為將靜電場儀充電至+1

9、kV，量測其在ionizer作用下，衰減至100V所需之時間，即靜電消散時間，結果如表2所示。表2不同操作頻率與工作距離對stage端去靜電之影響條件頻率(Hz)距離(cm)靜電消散時間(sec)1100602100302.533360433302.9(註：其中表靜電消散時間大於量測儀可量測範圍)由此量測結果可看出，改變操作頻率對靜電去除效果並不明顯(條件1、3)，改變距離對效果則有極明顯之效果(條件2、4)。因玻璃基板是由robot水平傳送至stage上，為有效去除基板上方之靜電，ionizer還是維持原有之水平架設，在不額外增加安裝材料之考量下，我們將此stage端之ionizer往下裝設

10、在如圖3之位置。圖3改裝後之stage端ionizer位置改裝後之量測資料如表3所示。表3 Stage端ionizer位置變更後之量測結果條件頻率(Hz)距離(cm)靜電消散時間 (sec)1100150.32100150.3由表3結果顯示靜電消散時間皆在0.3秒以內，而robot傳送玻璃基板所需之時間遠大於此，已足夠將基板上之靜電消除。此外，必須考慮到工作距離減少後，CDA之流量大小是否會造成玻璃基板位置飄移。在此，我們將CDA流量自15 lpm慢慢調大至最大值30 lpm後發現，靜電消散時間並未明顯減少，玻璃基板亦不會有飄動現象，但將流量由15 lpm調小後發現靜電消散時間有增加趨勢，因此

11、仍設定CDA流量為15 lpm不變。 5.2 Cassette端之ionizer裝設改善研究膜厚量測儀原來之ionizer裝設方式設計，是藉由robot自cassette取出玻璃基板之同時消除基板上所累積之靜電，但觀察發現此部份與stage端之作用重複，且效果不佳，如表4所示。表4 Cassette端ionizer去靜電效果條件頻率(Hz)距離 (cm)靜電消散時間 (sec)110060210080此外，由於玻璃基板置於cassette內之時間相當長，由第一片基板至最後一片基板操作完畢共需約20分鐘。在此時間內，因環境回風或是人員之走動，皆有可能造成靜電累積於玻璃基板上。因此應調整

12、此ionizer位置，使其位置是對著cassette吹，去除cassette及其內玻璃基板之靜電。於是針對不同之位置進行實驗與量測。首先以圖4中位置對cassette座四個角落及中心點(即圖4中之A、B、C、D、E五點)進行量測，此時ionizer是垂直裝設且離子風是西偏南45度吹向cassette座之中心，但並未實際放置cassette，量測結果如表5所示。圖4 Cassette端ionizer四個位置圖表5 位置對cassette端之量測結果100Hz, 20 lpm CDA33Hz, 20 lpm CDA量測位置靜電消散時間(sec)量測位置靜電消散時間(sec)AA38.8B1.9BC

13、CD0.7D0.9EE由表5之結果，明顯得知單一ionizer 僅對量測點D有較佳之效果，但對整個cassette之靜電去除效果並不佳，因此再以圖4中之、三位置重覆實驗(其中、是垂直，是水平歪斜擺放，且在cassette座上放置空cassette)，量測結果如表6所示。表6 Cassette端ionizer不同擺放位置對之量測結果位置位置量測位置靜電消散時間(sec)量測位置靜電消散時間(sec)A24.9A7.3BBCCDDEE16 位置位置，但未放置空cassette量測位置靜電消散時間(sec)量測位置靜電消散時間(sec)A3.2A6.3B1.6B3.9CCD4.9D11.6

14、E4.7E13由此實驗，可得知位置之靜電消除效果最佳，但因cassette之結構擋住了離子風，故對量測點C並無效果，可說是僅有單邊之效果，於是在另一側加裝一具ionizer，並針對不同位置進行效果確認，發現以圖4中之位置，在另一側之相對位置”C”前方再擺放一具，所得之靜電消除效果最佳，靜電消散時間分別為4s (+1KV)及6s (-1KV)。因此在cassette端之ionizer便將之改裝在cassette之前方，且針尖指向cassette中心，如圖5所示。圖5改裝後之cassette端ionizer位置完成改裝後，再次進行cassette端靜電消除效果確認，實驗狀態設定為兩個條件、量測ca

15、ssette中上端、中間、下端三片玻璃基板各點之靜電壓大小。兩個條件分別為ionizer on與off，量測時機為玻璃基板進stage量測膜厚前之表面靜電壓與量完膜厚進入cassette後之表面靜電壓，量測結果如表7示。表7 Cassette端ionizer效果確認玻璃基板在Cassette中之位置量測點Ionizer onIonizer off膜厚量測前之靜電壓(V)進入cassette後之靜電壓膜厚量測前之靜電壓(V)進入cassette後之靜電壓上端A306741B66292468C43173849D4612874E3031140中間A1841225208B2521457448C8616

16、19276D2333524388E1771145189下端A2024316243B3361980408C1012020422D282443405E232530292由表7之結果可知改裝後之ionizer確有良好去除靜電之效果。未改裝前依ionizer on及off所蒐集到之數據，計算得p-value為0.593，改裝後以表7數據計算得p-value為0，顯示靜電去除效果十分良好。 5.3 Ionizer 針尖白色沈積物之效應當ionizer 使用一段時間後，其針尖會產生白色之沈積物，若不加以清潔，不僅靜電消除效果下降，可能還會是一種微粒污染來源。於此針對針尖有白色沈積物與清除後之靜電

17、消除效果作一實驗比較，結果如表8所示，顯示針尖白色沈積物對靜電消除效果的確有影響。表8 Ionizer針尖沈積物對靜電去除效果之影響針尖沈積物未清除針尖沈積物已清除量測位置靜電消散時間量測位置靜電消散時間Stage端2.1 secStage端0.3 secCassette端3.4 secCassette端0.7 sec清除針尖沈積物之方法，是以無纖棉花棒沾酒精輕輕擦拭，但擦拭前須將去靜電裝置之電源關閉，此外擦拭之頻率亦視實際使用狀況而定。 5.4 CDA之規格一般之靜電消除器基於成本考量，除少部分因特殊製程考量會使用PN2，多使用CDA。因此CDA之純淨度亦會影響針尖沈積物形成之快慢

18、，ISO 8573-1：1991(E)5提供了半導體製程用CDA規格，詳見表9。表9 ISO 8573-1：1999(E) CDA規格等級油含量粉塵含量水含量mg/m3Micronmg/m3PDPg/m310.010.10.1-700.00320.111-400.123155-200.8845158+365254010+77.86-+109.47-Not specified 六. 結論在平面顯示器利用玻璃類之非導體做為基板，靜電累積之問題較半導體更為嚴重，而非導體表面之靜電荷必須仰賴 ionizer產生離子加以中和，如何在製程中不影響生產速度（throughput）發揮ionizer之最大效能，快速的消除基板上的靜電荷是重要議題。放電可能影響製程上的品質特性與產品的良率，既然ionizer的效能扮演著整個製程上重要的關鍵角色，而有效和快速確認其性能與靜電消除的效果就必須被重視。本文提供了達到靜電消除器最佳效果之有效率的硬體架設方式與相關影響效果之考量點，並藉由統計分析的方法確保靜