質(zhì)量成本控制
——減少硅外延電阻率測試頻次的實驗研究

李 楊，薛 兵，唐發(fā)俊

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

質(zhì)量成本屬于經(jīng)濟學(xué)分支——質(zhì)量經(jīng)濟學(xué)范疇，它包括確保和保證滿意的質(zhì)量時所發(fā)生的費用，以及未達到滿意的質(zhì)量時所造成的損失[1]。質(zhì)量成本一般包括：為確保與要求一致而作的所有工作叫做一致成本，以及由于不符合要求而引起的全部工作叫做不一致成本，這些工作引起的成本主要包括預(yù)防成本、鑒定成本、內(nèi)部損失成本和外部損失成本[2-3]。其中預(yù)防成本和鑒定成本屬于一致成本，內(nèi)部損失成本和外部損失成本又統(tǒng)稱為故障成本，屬于不一致成本。

鑒定成本是按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品質(zhì)量進行測試、評定和檢驗所發(fā)生的各項費用，是在結(jié)果產(chǎn)生之后，為了評估結(jié)果是否滿足要求進行測試活動而產(chǎn)生的成本，包括部門行政費、材料工序成品檢驗費、檢測設(shè)備維修費和折舊等用于評估產(chǎn)品是否滿足規(guī)定要求所需各項費用。

為了進一步降低質(zhì)量成本，提高單位效率，針對PE-LPE3061D設(shè)備生產(chǎn)硅外延片電阻率測試采用正片的問題，統(tǒng)計了 2019年 8臺該設(shè)備全年電阻率測試片使用情況，匯總分析了近一年主流產(chǎn)品的電阻率測試及調(diào)控數(shù)據(jù)，提出了相應(yīng)的改進方法、管控措施和風(fēng)險評估。

1 實 驗

1.1 實驗材料及方法

沉積硅外延設(shè)備為意大利洛佩詩(LPE)公司生產(chǎn)的 PE-LPE3061D平板式硅外延爐，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該硅外延爐采用高頻感應(yīng)加熱方式，具有維護簡單，生產(chǎn)效率高的特點，是目前各硅外延制造企業(yè)主流的 6～8in(in＝25.4mm，下同)硅外延片的生產(chǎn)設(shè)備。此設(shè)備為單圈平板爐，每爐殼生產(chǎn) 6in產(chǎn)品8片。

圖1 LPE3061D平板式硅外延爐結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of PE3061D plate-type epitiaxial reactor

1.2 硅外延工藝

本文采用常壓硅外延工藝，反應(yīng)室壓力維持在0.1MPa。采用高純度三氯氫硅(SiHCl3)作為硅源，腔內(nèi)反應(yīng)化學(xué)式如下：

反應(yīng)氣體 H2經(jīng)過純化器的純化，純度可以達到6N以上，生長溫度保持在 1150℃。在該過程中，通入摻雜氣體磷烷(PH3)進行電阻率控制。批量生產(chǎn)過程進行合格拋光片滿布裝片，按照測試頻次要求進行電阻率破壞性測試。

2 結(jié)果與分析

如表1所示，抽取8臺LPE3061D設(shè)備進行生產(chǎn)統(tǒng)計，全年裝片數(shù) 385842片，共計使用電阻率測試片13066片，測試片占比2.97%。以上測試片均為正片，假設(shè)全部按照 5in產(chǎn)品計算，折合產(chǎn)值約為150萬元。

針對上述質(zhì)量成本，本文分析的主要為 5、10、20μm厚度規(guī)格硅外延產(chǎn)品，占LPE3061D總產(chǎn)量的80%以上，且涵蓋了主要硅外延工藝。以上產(chǎn)品均為3爐 1測電阻率，在這種測試頻率下總結(jié)出的規(guī)律，可作為縮減電阻率抽測改進的依據(jù)。以這 3種厚度規(guī)格產(chǎn)品進行分析，改變摻雜劑用量為控制電阻率的方法。

表1 2019年LPE3061D設(shè)備電阻率測試片使用情況(片)Tab.1 Usage of LPE3061D equipment resistivity test wafer in 2019(wafer)

2.1 5μm厚度規(guī)格產(chǎn)品

5μm厚度規(guī)格產(chǎn)品在8臺LPE3061D設(shè)備上均進行過生產(chǎn)，圖2統(tǒng)計的是2019年44個生產(chǎn)批次中各批次生產(chǎn)過程中摻雜的最大變化量，其中單批次摻雜劑用量變化＜0.5sccm的占 68%，摻雜劑用量變化＜1sccm 的批次合計占比 89%。按照摻雜調(diào)節(jié)1sccm對應(yīng)電阻率變化 0.01Ω·cm的現(xiàn)行調(diào)節(jié)規(guī)范，那么 90%左右的批次其電阻率調(diào)節(jié)變化范圍不超過0.01Ω·cm，而該產(chǎn)品電阻率檢驗容限范圍是0.04Ω·cm。可見，該產(chǎn)品在長期生產(chǎn)過程中，電阻率調(diào)控所引起的電阻率變化遠小于產(chǎn)品容限。這是縮減電阻率抽樣頻率的基礎(chǔ)。

另外，各批次產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，主要的摻雜調(diào)節(jié)都發(fā)生在前3爐；如果判斷電阻率達到穩(wěn)定是按照“摻雜劑連續(xù) 8爐不變”為標(biāo)準(zhǔn)，那么該產(chǎn)品電阻率在前 3爐就達到穩(wěn)定的批次占 100%。也就是說，摻雜的調(diào)節(jié)重點是前 3爐，后續(xù)爐次的調(diào)節(jié)次數(shù)較少，且幅度不大。如上表中 44批次生產(chǎn)，其中 9批在整批過程中未進行任何調(diào)節(jié)，11批的過程調(diào)節(jié)少于2次，其余批的調(diào)節(jié)次數(shù)主要分布前 8爐次。由此可見，在眾多煮水測試的爐次中，進行調(diào)節(jié)的爐次較少，所以降低抽樣頻率可行。

2.2 10μm厚度規(guī)格產(chǎn)品

如圖 3所示，10μm 厚度規(guī)格產(chǎn)品與 5μm 厚度規(guī)格產(chǎn)品雷同，35批生產(chǎn)中摻雜劑用量變化＜2sccm的批次占 97%，對應(yīng)的電阻率變化為 0.055Ω·cm，該產(chǎn)品電阻率檢驗容限范圍是 0.1Ω·cm，電阻率調(diào)節(jié)幅度小于管控范圍；另外，摻雜劑用量變化超過2sccm的只有1次占3%，其值為2.63sccm，這次調(diào)節(jié)是由于測試設(shè)備不穩(wěn)造成的調(diào)節(jié)幅度過大，而非外延爐摻雜效率不穩(wěn)。

圖2 5μm厚度規(guī)格產(chǎn)品摻雜劑用量變化統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical chart of dopant amount in products with a thickness of 5μm

圖3 10μm厚度規(guī)格摻雜劑用量變化統(tǒng)計圖Fig.3 Statistical chart of dopant amount in products with a thickness of 10μm

2.3 20μm厚度規(guī)格產(chǎn)品

從表2可以看出，該產(chǎn)品由于電阻率控制范圍為9.45～9.95Ω·cm，在前 3爐實驗之后，基本不用再進行摻雜調(diào)節(jié)。

表2 20μm厚度規(guī)格產(chǎn)品摻雜劑用量變化統(tǒng)計Tab.2 Statistical table of dopant amount in products with a thickness of 20μm

3 結(jié) 論

通過上述產(chǎn)品電阻率調(diào)控過程的分析，得出以下結(jié)論：

①產(chǎn)品在正常生產(chǎn)過程中，整批次的摻雜劑用量調(diào)節(jié)幅度相對較小，由其引起的電阻率變化不會大幅度超出控制線。

②摻雜劑用量在前3爐調(diào)節(jié)較多，批次內(nèi)后續(xù)爐次較為穩(wěn)定。

③上述前3個產(chǎn)品以往數(shù)據(jù)表明，批次內(nèi)電阻率變化小于內(nèi)控線。

根據(jù)以上結(jié)論，將現(xiàn)行的電阻率測試規(guī)范進行如下改進：由每 24片測試 1片更改為每 48片測試1片。自 2020年 1月實施改進，截止目前，生產(chǎn)平穩(wěn)，未出現(xiàn)質(zhì)量問題。按產(chǎn)能計算，每年可節(jié)省硅拋光片4000片左右，降低鑒定成本約40萬元，并且提高了硅外延出片率。