SPC在半導(dǎo)體晶圓制造廠的應(yīng)用（上）

梁德豐，錢省三，梁靜（上海理工大學(xué)工業(yè)工程研究所/微電子發(fā)展中心，上海 200093）

摘要：由于半導(dǎo)體制造工藝過程的復(fù)雜性，一般很難建立其制造模型，不能對工藝過程狀態(tài)有效地監(jiān)控，所以迫切需要先進(jìn)的半導(dǎo)體過程控制技術(shù)來嚴(yán)格監(jiān)控工藝過程狀態(tài)，而SPC就是其中最重要的一種技術(shù)。本文針對SPC做了簡要概述，著重論述了根據(jù)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)其在半導(dǎo)體晶圓廠的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；SPC；過程控制；控制圖

中圖分類號(hào)：TN301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1003-353X(2004)03-0058-03

近年來，半導(dǎo)體制造技術(shù)經(jīng)歷了快速的改變,技術(shù)的提升也相對地增加了工藝過程的復(fù)雜性,而大多數(shù)半導(dǎo)體制造過程包含許多非線性且復(fù)雜的化學(xué)與物理反應(yīng)，難以建立其制造模型,加上檢測技術(shù)的缺乏,造成無法及時(shí)得知工藝過程狀態(tài)而難以對其進(jìn)行有效監(jiān)控。因此,當(dāng)半導(dǎo)體制造進(jìn)入8英寸、12英寸晶圓生產(chǎn)的主流,面臨更小線寬、工藝日趨復(fù)雜的挑戰(zhàn)時(shí),嚴(yán)格的工藝過程監(jiān)控已成為基本且重要的要求。國內(nèi)外各相關(guān)研究單位與半導(dǎo)體廠都在努力尋求如何減少制造成本、降低廢片、改善總體設(shè)備效能(Overall Equipment Effectiveness,OEE)、提高產(chǎn)品良率及產(chǎn)品效能的方法。先進(jìn)的半導(dǎo)體過程控制技術(shù)（Advanced Process Control，APC）研究的目的就是有效的監(jiān)控工藝過程與機(jī)臺(tái)，以提高良率和總體設(shè)備效能。而統(tǒng)計(jì)過程控制(Statistical Process Control，SPC)是目前國內(nèi)外發(fā)展APC最常用的一種技術(shù)，本文將主要論述SPC在半導(dǎo)體晶圓制造廠的應(yīng)用。

2 SPC技術(shù)概述

早期的半導(dǎo)體制造企業(yè)為保證產(chǎn)品質(zhì)量，基本上以工藝檢測和產(chǎn)品檢驗(yàn)為主要手段進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控，很明顯這是一種事后檢測的方法，隨著各類使用半導(dǎo)體元器件的電子產(chǎn)品的質(zhì)量需求的提高，對半導(dǎo)體元器件產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的提高成了該行業(yè)質(zhì)量管理人員需要研究的重要課題，從80年代中期開始，以摩托羅拉為首的美國一些大型微電子企業(yè)的研究人員發(fā)現(xiàn)，如果使工藝過程始終處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，將會(huì)更有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，SPC技術(shù)正是適合了這樣一種需求。

SPC即統(tǒng)計(jì)過程控制是基于統(tǒng)計(jì)理論的技術(shù)和方法，通過對生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和描圖，實(shí)現(xiàn)對工藝過程穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)異常、及時(shí)改進(jìn)、減少波動(dòng)、保證工藝過程穩(wěn)定、產(chǎn)品總體質(zhì)量穩(wěn)定可靠之目的。

對異常波動(dòng)的及時(shí)預(yù)警是SPC的最大特點(diǎn)，預(yù)警原理為：應(yīng)用SPC對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析能夠區(qū)分生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量的正常波動(dòng)和異常波動(dòng)，從而對生產(chǎn)過程的異常趨勢及時(shí)提出預(yù)警。即：SPC能夠在異常因素剛一露出苗頭，尚未造成不合格產(chǎn)品之前就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，指導(dǎo)管理人員采取措施消除異常，從而極大的減少了不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生，保證了生產(chǎn)的順暢進(jìn)行，最終提高生產(chǎn)效率。

采用SPC技術(shù)可以：

（1）保證工藝過程的統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。當(dāng)檢測出工藝中異常原因引起波動(dòng)時(shí)，立即發(fā)出警報(bào)，以便及時(shí)查找原因，采取相關(guān)糾正措施，使工藝一直處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)；

（2）定量評(píng)定生產(chǎn)線、單道工序或單個(gè)工藝參數(shù)是否處于受控狀態(tài)，因此特別適用于生產(chǎn)線的認(rèn)證；

（3）減少對常規(guī)檢驗(yàn)的依賴性，定時(shí)的觀察以及系統(tǒng)的測量方法替代了大量的檢測和驗(yàn)證工作；

（4）成為表征產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的重要依據(jù)之一。在半導(dǎo)體行業(yè)界，有很多客戶要求半導(dǎo)體制造企業(yè)在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)還要提供一份SPC數(shù)據(jù)，以證明產(chǎn)品是在受控工藝條件下生產(chǎn)的，而不是僅靠篩選檢測得到的，表明產(chǎn)品具有較高的內(nèi)在質(zhì)量和可靠性。

3 半導(dǎo)體晶圓制造廠的SPC實(shí)際應(yīng)用

3.1 半導(dǎo)體生產(chǎn)的特點(diǎn)

半導(dǎo)體制造是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，從氧化擴(kuò)散，光刻，刻蝕，洗滌，淀積等大約有不少于三四百個(gè)工序；特別是現(xiàn)在各類專用集成電路的需求猛增，大多數(shù)半導(dǎo)體企業(yè)又從面向庫存的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)向了面向訂單的生產(chǎn)方式，使晶圓車間的生產(chǎn)模式也由以前大批量的單一品種的生產(chǎn)轉(zhuǎn)為批量的多品種的生產(chǎn)模式，極大的增加了生產(chǎn)過程的復(fù)雜性。由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性帶來了大量的質(zhì)量數(shù)據(jù)以及對這些數(shù)據(jù)及時(shí)分析的需要，僅依靠手工控制的方法是根本無法體現(xiàn)SPC技術(shù)的及時(shí)預(yù)警性。因此在實(shí)際的半導(dǎo)體晶圓制造廠中是利用計(jì)算機(jī)輔助SPC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的。

3.2 計(jì)算機(jī)輔助SPC系統(tǒng)

SPC系統(tǒng)主要通過對生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線、離線的采集，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)質(zhì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的處理和統(tǒng)計(jì)分析，使質(zhì)量人員能在生產(chǎn)過程中及時(shí)掌握產(chǎn)品質(zhì)量的動(dòng)態(tài)，及時(shí)反饋控制，最終達(dá)到企業(yè)保證生產(chǎn)質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。

整個(gè)計(jì)算機(jī)輔助SPC系統(tǒng)包括SPC數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)兩個(gè)部分：

3.2.1 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

以客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(C/S結(jié)構(gòu))為基本模型，包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集/監(jiān)控站點(diǎn)，SPC監(jiān)控分析站點(diǎn),SPC監(jiān)控查詢站點(diǎn)，SPC異常報(bào)警裝置，基于B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程質(zhì)量查詢站點(diǎn)（選配）,SPC控制圖異?；仞佈b置等幾大組成部分。圖1是國內(nèi)某半導(dǎo)體公司SPC數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)模型：

從模型可以看出，數(shù)據(jù)采集是以設(shè)備自動(dòng)采集為主和人工鍵盤輸入為輔兩種可并發(fā)的數(shù)據(jù)采集方式，極大的加強(qiáng)了采集數(shù)據(jù)的及時(shí)性。這些采集到的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在SPC數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中并由SPC監(jiān)控和分析點(diǎn)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)把結(jié)果反饋到 SPC回饋調(diào)整裝置或報(bào)警裝置來監(jiān)控生產(chǎn)工藝過程。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)模型

SPC分析系統(tǒng)（如圖2）可提供十幾種控制或監(jiān)視圖表，計(jì)量型圖表有均值－級(jí)差圖（X－R圖），均值－標(biāo)準(zhǔn)差圖（X－S圖），單值－移動(dòng)極差圖（X－MR圖），運(yùn)行圖，指數(shù)加權(quán)移動(dòng)均值圖（EWMA圖）等等，計(jì)數(shù)型圖表包括不合格品率圖（P圖），不合格品數(shù)圖（Pn圖），單位缺陷圖（u圖）等，還有排列圖，直方圖等，同時(shí)可提供大量統(tǒng)計(jì)參數(shù)值：總體均值，總體標(biāo)準(zhǔn)差，樣本均值，樣本標(biāo)準(zhǔn)差，Cp，Cpk， Cpl，Cpu，直方圖偏斜指數(shù)（Skewness），陡度指數(shù)（Kurtosis）等。數(shù)據(jù)查詢、總體監(jiān)控、現(xiàn)場監(jiān)控、異常報(bào)告都可通過控制圖表和各統(tǒng)計(jì)參數(shù)來表達(dá)，通過這些可以幫助用戶從不同的視角去監(jiān)控過程狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

3.3 SPC技術(shù)流程

SPC技術(shù)主要是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析手段，解決與質(zhì)量管理相關(guān)的技術(shù)問題，基本技術(shù)流程如圖3。

在SPC技術(shù)流程應(yīng)注意：

（1）關(guān)鍵工藝過程節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定，即確定氧化，淀積，刻蝕，擴(kuò)散，離子注入，光刻等。

（2）工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集，即采集材料參數(shù)，

（1）一般情況下，需要積累多于25組數(shù)據(jù)才能進(jìn)行SPC分析，每組數(shù)據(jù)最好不少于5個(gè)，在日常生產(chǎn)中，應(yīng)保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的連續(xù)性，并對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行SPC分析，控制圖反映的過程可能有好的的異常，也可能有壞的異常，而這些異常都說明工藝過程發(fā)生了變化，均應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量分析，采取措施，直到確認(rèn)工藝過程又處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。

（2）輸人計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)必須及時(shí)真實(shí)可靠，不得進(jìn)行人為篩選；

（3）在數(shù)據(jù)波動(dòng)比較大時(shí)，注意分析原材料、設(shè)備和環(huán)境等因素，避免盲目改變工藝條件，以免出現(xiàn)浪費(fèi)。