质量工具在晶圆产品研发阶段的应用

黄金成

上海华力微电子有限公司 上海 201203

1 项目的背景、目的和意义

上海华力微电子有限公司是国家“十一五”集成电路规划指明的“909工程升级改造”项目承担者。主要客户提出了“加强质量控制，建立EDM(Early Detection Mechanism/早期异常事件侦测机制)”的建议。根据KANO模型分析，这是客户期望型需求。公司领导对客户声音非常重视，要求成立项目小组在3个月内攻关，研究“如何应用质量工具提高晶圆研发阶段的质量控制水平”。该项目具有重要实践意义[1]。

2 项目的技术路线

EDM小组主要是通过项目管理方法，分析多种质量工具及其适用性，整合应用在晶圆产品研发阶段。内容偏重于主要质量工具的实际运用，在具体实施过程中遇到哪些问题和如何解决这些问题的方案。

3 项目的实施过程

3.1 组建团队、确定项目目标及范围

为了按期、高效和保质的完成项目，采用矩阵型组织结构成立了以质量部门牵头的EDM小组并使用了责任分配矩阵明确了职责。关于“在晶圆产品研发阶段，如何应用质量工具提高质量控制水平”，没有先例可以照搬照套。EDM小组制定了项目宪章主要包括以下四部分内容：

（1）问题陈述：相比量产制造，研发过程产品质量控制力度不够，使用质量工具较少，存在异常事件发生没有及时预警的风险。

（2）目标陈述：在3个月内，分析多种质量工具及其适用性，整合应用在晶圆产品研发阶段，从而提高质量控制水平，提高早期异常事件侦测能力。

（3）制约因素：由于研发人员聚焦于产品的技术指标比如良率上突破，普遍存在着质量意识不强、不熟悉质量控制工具的情况。同时，EDM项目实施时间较紧，仅为3个月。

（4）沟通：EDM小组每周开会讨论项目情况。

EDM小组使用SIPOC图来识别项目涉及的主要流程，明确了项目范围。在每周会议上，EDM小组进行了质量工具的差距分析，逐一列出量产制造和研发阶段在质量工具使用的差异，创新地用SIPOC结合了差距分析[1]。

3.2 编制计划、实施和控制

质量工具的使用必须考虑到研发阶段的特点，重点在EDM项目实施过程中所使用的主要质量工具或加强的质量控制方面。

（1）根据FMEA手册指导，通常量产制造过程使用的PFMEA，产品研发使用的DFMEA。但由于晶圆制造公司是提供代工服务给客户，没有产品设计，故而DFMEA不适用。EDM小组识别出150项潜在失效模式，然后根据FMEA手册第四版的指导思想，综合考虑严重度、发生度、探测度和风险顺序数，并对其中多项失效模式采取了有效措施。EDM小组对PFMEA管理流程也进行了优化。

（2）SPC是统计过程控制，指的是通过收集、计算、分析和改进数据的手段，了解制造过程的合理范围，并确定控制范围的正常和异常规律，达成一种事先的预测并实施改进措施。传统SPC已不直接适用于晶圆制造公司。随着计算机技术的发展，传统SPC已与EPC（Engineering Process Control/工程过程控制）进行了整合[2]。为此，EDM小组咨询了质量专家，并研究了相关SPC理论和容差理论，创新地提出了SPC预控线。在晶圆制造公司，容差一般来源于类似产品、经验教训、为了达成电性等指标而做的实验数据和客户指定。关键工序中一旦有数据落在容差外，为了避免更大损失须要报废产品。而控制图其实就是找出一个区间范围，使得绝大部分数据落入此区间，因而一旦有数据落在此区间之外则可以认为出现了异常。一般控制图的区间窄于容差。在数据落在容差内、控制图区间外时，工程师应及时分析以便探测到可能会跳出容差的波动，同时要考虑到对于过程的过度干预。在信息技术部同事的支持下，EDM小组成功将SPC预控线应用于实践，这大大提高了早期异常波动的侦测能力，降低了异常事件发生的风险[3]。

（3）iEMS（ intelligent Equipment Management System/智能机台管理系统）是根据历史数据和应用适当的统计技术对机台的关键参数比如压力、流量等进行管理。在全自动12英寸晶圆生产线中，iEMS所面临的最大挑战是关键参数多（一个机台有数十个），数据采集时间短（通常1秒甚至不到1秒采集一个数据）。最后，EDM小组分析了量产制造数万以上的iEMS数据，并结合了研发产品的良率数据，确定了788项改善对象。

（4）RMS(Recipe Management System/工艺菜单管理系统)是基于标杆管理理论而建立的工艺菜单管理系统，主要功能是确保生产过程使用正确的recipe和recipe使用时其参数值在管理的范围内。对于全自动的晶圆制造，一般制造工序多达数百道。一步工序的recipe使用错误可能会造成报废。基于关键工序展开讨论，EDM小组最终确定637项recipe需要纳入RMS。RMS功能是由上而下，层层展开，最后具体到recipe的关键参数及其范围。

（5）Q-time（许容时间）是指工序之间的保证产品质量而控制的时间。参考量产制造历史数据，EDM小组对研发阶段的Q-time进行了优化。

3.3 EDM项目总结

2个多月后，EDM小组向公司高层领导和客户进行了EDM项目总结报告。公司高层领导高度评价了该项目取得的成果--提高了晶圆研发阶段的质量控制水平，增强了公司的市场竞争力。客户也对该项目的成果给予充分的肯定。