質(zhì)量工具在晶圓產(chǎn)品研發(fā)階段的應(yīng)用

黃金成

上海華力微電子有限公司 上海 201203

1 項(xiàng)目的背景、目的和意義

上海華力微電子有限公司是國(guó)家“十一五”集成電路規(guī)劃指明的“909工程升級(jí)改造”項(xiàng)目承擔(dān)者。主要客戶提出了“加強(qiáng)質(zhì)量控制，建立EDM(Early Detection Mechanism/早期異常事件偵測(cè)機(jī)制)”的建議。根據(jù)KANO模型分析，這是客戶期望型需求。公司領(lǐng)導(dǎo)對(duì)客戶聲音非常重視，要求成立項(xiàng)目小組在3個(gè)月內(nèi)攻關(guān)，研究“如何應(yīng)用質(zhì)量工具提高晶圓研發(fā)階段的質(zhì)量控制水平”。該項(xiàng)目具有重要實(shí)踐意義[1]。

2 項(xiàng)目的技術(shù)路線

EDM小組主要是通過項(xiàng)目管理方法，分析多種質(zhì)量工具及其適用性，整合應(yīng)用在晶圓產(chǎn)品研發(fā)階段。內(nèi)容偏重于主要質(zhì)量工具的實(shí)際運(yùn)用，在具體實(shí)施過程中遇到哪些問題和如何解決這些問題的方案。

3 項(xiàng)目的實(shí)施過程

3.1 組建團(tuán)隊(duì)、確定項(xiàng)目目標(biāo)及范圍

為了按期、高效和保質(zhì)的完成項(xiàng)目，采用矩陣型組織結(jié)構(gòu)成立了以質(zhì)量部門牽頭的EDM小組并使用了責(zé)任分配矩陣明確了職責(zé)。關(guān)于“在晶圓產(chǎn)品研發(fā)階段，如何應(yīng)用質(zhì)量工具提高質(zhì)量控制水平”，沒有先例可以照搬照套。EDM小組制定了項(xiàng)目憲章主要包括以下四部分內(nèi)容：

（1）問題陳述：相比量產(chǎn)制造，研發(fā)過程產(chǎn)品質(zhì)量控制力度不夠，使用質(zhì)量工具較少，存在異常事件發(fā)生沒有及時(shí)預(yù)警的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）目標(biāo)陳述：在3個(gè)月內(nèi)，分析多種質(zhì)量工具及其適用性，整合應(yīng)用在晶圓產(chǎn)品研發(fā)階段，從而提高質(zhì)量控制水平，提高早期異常事件偵測(cè)能力。

（3）制約因素：由于研發(fā)人員聚焦于產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)比如良率上突破，普遍存在著質(zhì)量意識(shí)不強(qiáng)、不熟悉質(zhì)量控制工具的情況。同時(shí)，EDM項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間較緊，僅為3個(gè)月。

（4）溝通：EDM小組每周開會(huì)討論項(xiàng)目情況。

EDM小組使用SIPOC圖來(lái)識(shí)別項(xiàng)目涉及的主要流程，明確了項(xiàng)目范圍。在每周會(huì)議上，EDM小組進(jìn)行了質(zhì)量工具的差距分析，逐一列出量產(chǎn)制造和研發(fā)階段在質(zhì)量工具使用的差異，創(chuàng)新地用SIPOC結(jié)合了差距分析[1]。

3.2 編制計(jì)劃、實(shí)施和控制

質(zhì)量工具的使用必須考慮到研發(fā)階段的特點(diǎn)，重點(diǎn)在EDM項(xiàng)目實(shí)施過程中所使用的主要質(zhì)量工具或加強(qiáng)的質(zhì)量控制方面。

（1）根據(jù)FMEA手冊(cè)指導(dǎo)，通常量產(chǎn)制造過程使用的PFMEA，產(chǎn)品研發(fā)使用的DFMEA。但由于晶圓制造公司是提供代工服務(wù)給客戶，沒有產(chǎn)品設(shè)計(jì)，故而DFMEA不適用。EDM小組識(shí)別出150項(xiàng)潛在失效模式，然后根據(jù)FMEA手冊(cè)第四版的指導(dǎo)思想，綜合考慮嚴(yán)重度、發(fā)生度、探測(cè)度和風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)，并對(duì)其中多項(xiàng)失效模式采取了有效措施。EDM小組對(duì)PFMEA管理流程也進(jìn)行了優(yōu)化。

（2）SPC是統(tǒng)計(jì)過程控制，指的是通過收集、計(jì)算、分析和改進(jìn)數(shù)據(jù)的手段，了解制造過程的合理范圍，并確定控制范圍的正常和異常規(guī)律，達(dá)成一種事先的預(yù)測(cè)并實(shí)施改進(jìn)措施。傳統(tǒng)SPC已不直接適用于晶圓制造公司。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)SPC已與EPC（Engineering Process Control/工程過程控制）進(jìn)行了整合[2]。為此，EDM小組咨詢了質(zhì)量專家，并研究了相關(guān)SPC理論和容差理論，創(chuàng)新地提出了SPC預(yù)控線。在晶圓制造公司，容差一般來(lái)源于類似產(chǎn)品、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、為了達(dá)成電性等指標(biāo)而做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和客戶指定。關(guān)鍵工序中一旦有數(shù)據(jù)落在容差外，為了避免更大損失須要報(bào)廢產(chǎn)品。而控制圖其實(shí)就是找出一個(gè)區(qū)間范圍，使得絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)落入此區(qū)間，因而一旦有數(shù)據(jù)落在此區(qū)間之外則可以認(rèn)為出現(xiàn)了異常。一般控制圖的區(qū)間窄于容差。在數(shù)據(jù)落在容差內(nèi)、控制圖區(qū)間外時(shí)，工程師應(yīng)及時(shí)分析以便探測(cè)到可能會(huì)跳出容差的波動(dòng)，同時(shí)要考慮到對(duì)于過程的過度干預(yù)。在信息技術(shù)部同事的支持下，EDM小組成功將SPC預(yù)控線應(yīng)用于實(shí)踐，這大大提高了早期異常波動(dòng)的偵測(cè)能力，降低了異常事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

（3）iEMS（ intelligent Equipment Management System/智能機(jī)臺(tái)管理系統(tǒng)）是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)機(jī)臺(tái)的關(guān)鍵參數(shù)比如壓力、流量等進(jìn)行管理。在全自動(dòng)12英寸晶圓生產(chǎn)線中，iEMS所面臨的最大挑戰(zhàn)是關(guān)鍵參數(shù)多（一個(gè)機(jī)臺(tái)有數(shù)十個(gè)），數(shù)據(jù)采集時(shí)間短（通常1秒甚至不到1秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)）。最后，EDM小組分析了量產(chǎn)制造數(shù)萬(wàn)以上的iEMS數(shù)據(jù)，并結(jié)合了研發(fā)產(chǎn)品的良率數(shù)據(jù)，確定了788項(xiàng)改善對(duì)象。

（4）RMS(Recipe Management System/工藝菜單管理系統(tǒng))是基于標(biāo)桿管理理論而建立的工藝菜單管理系統(tǒng)，主要功能是確保生產(chǎn)過程使用正確的recipe和recipe使用時(shí)其參數(shù)值在管理的范圍內(nèi)。對(duì)于全自動(dòng)的晶圓制造，一般制造工序多達(dá)數(shù)百道。一步工序的recipe使用錯(cuò)誤可能會(huì)造成報(bào)廢。基于關(guān)鍵工序展開討論，EDM小組最終確定637項(xiàng)recipe需要納入RMS。RMS功能是由上而下，層層展開，最后具體到recipe的關(guān)鍵參數(shù)及其范圍。

（5）Q-time（許容時(shí)間）是指工序之間的保證產(chǎn)品質(zhì)量而控制的時(shí)間。參考量產(chǎn)制造歷史數(shù)據(jù)，EDM小組對(duì)研發(fā)階段的Q-time進(jìn)行了優(yōu)化。

3.3 EDM項(xiàng)目總結(jié)

2個(gè)多月后，EDM小組向公司高層領(lǐng)導(dǎo)和客戶進(jìn)行了EDM項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。公司高層領(lǐng)導(dǎo)高度評(píng)價(jià)了該項(xiàng)目取得的成果--提高了晶圓研發(fā)階段的質(zhì)量控制水平，增強(qiáng)了公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?？蛻粢矊?duì)該項(xiàng)目的成果給予充分的肯定。