一種根據(jù)晶圓移動量精確預(yù)測光刻膠日用量的方法

胡秀梅

（上海華力微電子有限公司，上海 200000）

一、概述

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展和工藝復(fù)雜性的日漸提高，準確預(yù)估物料的難度變得更大。而在半導(dǎo)體所有的化學品中，光刻膠是價格最貴的材料之一，但有效期卻最短（80%以上的光刻膠進廠后有效期僅有90天）。為了避免不必要的浪費，精確地預(yù)測光刻膠的日用量對半導(dǎo)體工廠的正常運行非常重要。

光刻膠的儲存有效期一般為六個月的有效期，并要求低溫冷藏。通常，在滿載的Fab里面需要用到的光刻膠會有30多種。一般地，光刻膠從出廠到運輸，經(jīng)過進境報關(guān)和進口報關(guān)等一段時間后，剩余有效期僅為4～5個月，這對于安全庫存量的設(shè)置提出了非常高的要求。當安全庫存配置較高時，一旦客戶的需求有下降，就可能造成過剩的風險。反之，如果突然接到客戶的緊急訂單，最先缺料的可能就是光刻膠了。所以，如果有一種方法可以準確地預(yù)估每日所需要的光刻膠的使用量，不僅可以對光刻膠的安全庫存高低進行管理，同時，還可以清楚地預(yù)測到當有新訂單增加時，光刻膠的庫存會在某天出現(xiàn)供應(yīng)短缺問題。

二、傳統(tǒng)的光刻膠用量計算方法

一般地，光刻膠需求量＝單位晶圓所需要的光刻膠使用量×晶圓數(shù)量＋機臺保養(yǎng)（Process Maintain，簡稱PM）所需的量。這種計算方法對于Fab的在制品的量非常穩(wěn)定時或者滿載時是非常有意義的。但是，由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)存在著周期性波動，產(chǎn)品需求的在不同時間段差別較大，造成了在制品（WIP） 的數(shù)量非常不均衡，這種算法大大增加了精確預(yù)測光刻膠使用量的復(fù)雜度。一般地，為了對這種算法進行修正需參考過去3到6個月的實際用量，但是由于復(fù)雜多變的生產(chǎn)狀況，修正的結(jié)果并不是非常準確。除此之外，傳統(tǒng)的計算方法對光刻膠的具體進料時間受算法限制，無法準確估算到需要進料的日期，這對于有效期非常短的光刻膠來說是一種非常大的浪費。

三、精確的光刻膠用量計算方法

在12吋晶圓代工廠中，一般產(chǎn)品制程中大約要經(jīng)過六百步（Step）到八百步。針對不同步驟，不同機臺，不同產(chǎn)品需要有不同的Recipe。在Fab中，Recipe是指機臺針對不同的產(chǎn)品和不同的步驟所定義的運行所需要的控制流程。精確預(yù)測光刻膠用量的基本方法是根據(jù)Recipe所設(shè)置的光刻膠的單位用量乘以該機臺預(yù)計的晶圓移動數(shù)（move），并加上機臺正常保養(yǎng)所需要的量。要做到這點，必須準確了解以下：（一）準確掌握當前的工廠（Fab）的在制品（WIP）在不同站點的數(shù)量；（二）對于未來一段時間內(nèi)光刻機臺的晶圓的移動量（Move）的準確預(yù)估；（三）機臺正常保養(yǎng)的頻率和數(shù)量；（四）其它非常規(guī)光刻膠使用量的預(yù)測。

1 在制品（WIP，Work In Process）的數(shù)量和狀態(tài)

1.1 在制品WIP狀態(tài)和數(shù)量的獲得：

精確地統(tǒng)計WIP的數(shù)量和狀態(tài)是保證計算準確的前提。 現(xiàn)代化的半導(dǎo)體晶圓代工廠由于其自動化程度高，生產(chǎn)線都會配置一種MES（Manufactory Execute System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）系統(tǒng)。

由于光刻膠的計算僅和光刻層相關(guān)，故經(jīng)過系統(tǒng)直接導(dǎo)出的WIP的狀態(tài)需要進行過濾和處理，把所有的WIP 統(tǒng)計成和光刻層相關(guān)的數(shù)量。這樣在進行基本的光刻膠用量設(shè)置時也僅需要以光刻層為基點。

1.2 本月預(yù)計下線計劃：

有了當天的WIP狀態(tài)和各產(chǎn)品的DPML后，還需要進一步了解本月是否還有需要下線的硅片，針對這部分下線計劃同樣需要進行按日維護. 一旦有新的Wafer下線，這部分很快就會成為新下線的在制品.

2 晶圓的移動量（Move）的準確預(yù)估

2.1 各產(chǎn)品DPML的設(shè)置：

有了當天的WIP 狀況以后，需要對未來一定時間（可根據(jù)實際情況設(shè)置，比如30天）的晶圓移動量（Move）進行預(yù)測。 這時，就需要引入一個叫DPML（Days Per Mask Layer，每光刻層所需要的天數(shù)）的參數(shù)。 一般地，DPML是根據(jù)Fab的制造能力，每個項目，甚至每個Layer都會有一些不同。在進行后續(xù)的WIP狀況預(yù)測時，必先對該參數(shù)進行設(shè)置。一般地，進行該參數(shù)設(shè)置時會考慮到機臺實際運行的瓶頸進行接近實際的設(shè)置。該參數(shù)設(shè)置得越小，對物料的需求要求進料時間越短，相應(yīng)地預(yù)留的空間也就越大;反之，就會出現(xiàn)物料緊張的風險.

2.2 根據(jù)DPML 對未來一定時期內(nèi)Move數(shù)的預(yù)估：

a）.根據(jù)表1先針對項目對DPML進行相應(yīng)的設(shè)置：

b）.在表2中，第N天為MES中當前實際WIP 狀態(tài)值。根據(jù)第N天的值對未來若干天之后的WIP狀態(tài)進行預(yù)測：

對于產(chǎn)品A的第ALn層Layer來說，第N＋1天的Move數(shù)＝AL（n－1）的move數(shù)×1/AL（n-1）的DPML；

有了以上 1 和 2 的結(jié)論之后，結(jié)合每層Layer光刻膠的使用情況（如表3），就可以快速地計算出某天光刻膠需要的量：

例如: 在第N+1天：

光刻膠P1 預(yù)計消耗量=第N+1天AL1的MOVE量*U1+第N+1天AL2的 move量*U1.

3 機臺正常保養(yǎng)的頻率和數(shù)量

3.1 光刻機噴頭的固定噴涂：

在光刻機臺沒有滿載時，為防止光刻機噴嘴干涸，需周期性地將光刻膠噴涂以保持噴頭暢通；這種周期性噴涂的頻率對低使用量光刻膠的影響很大，在機臺不滿載或者新品研發(fā)階段，這種使用量比正常的生產(chǎn)使用量可能還多；這部分需要根據(jù)工藝工程師對參數(shù)的設(shè)置，進行每月固定用量的設(shè)置；

3.2 光刻機固定時間Filter的更換：

一般地，光刻機中的Filter都有固定的壽命，一旦壽命到即需要更換。 在更換Filter時，一般對某種光刻膠會用量較大，這部分需要設(shè)備工程師對后續(xù)要更換Filter所需要消耗的光刻機進行預(yù)估，并把這部分的量加入到日預(yù)測的數(shù)據(jù)中。

4 非常規(guī)的光刻膠的使用量預(yù)測

除了以上介紹的光刻膠的常規(guī)使用情況， 實際操作中Fab還常常會遇到以下幾種情況可能需要增加光刻膠的使用量，且這些情況一般比較難于預(yù)測，如:

a光刻機末端過濾器的更換；

b硅片可能的返工率；

c為防止光刻機噴嘴干涸，需周期性地將光刻膠噴涂以保持噴頭暢通，這種周期性噴涂的頻率對低使用量光刻膠的影響很大，在機臺不滿載或者新品研發(fā)階段，這種使用量比正常的生產(chǎn)使用量可能還多；d為了解決硅片缺陷問題，經(jīng)常需要吹洗光刻增加控擋片的使用，增加光刻膠的用量來排查缺陷;

5、月差異系數(shù)的修正

為了減少以上3.4所述非常規(guī)情況下的使用量對整體預(yù)測的波動， 一般地，系統(tǒng)需要每月根據(jù)實際使用情況和月初預(yù)測的情況進行對比分析， 列出其中的差異原因進行分析比對.根據(jù)最近3個月的差異情況相應(yīng)地進行加權(quán)平均得出一個系數(shù)來進行修正。

如:最近三個月Yn-1，Yn， Yn+1三個的實際使用量，相對應(yīng)的當月MOVE數(shù)分別為Mn-1，Mn， Mn+1， 而實際使用量分別為Wn-1，Wn， Wn+1， ，

（以上系數(shù)的修正基于Move數(shù)的預(yù)測偏差在±2%）

修正后當日光刻膠的使用量即為: wn= x*yn （假定wn為某日用量）。

結(jié)語

隨著半導(dǎo)體市場的變化多端，針對一些有效期短的材料制定日使用量監(jiān)控是提高競爭力的重要途徑和手段.我們分析了如何根據(jù)Fab的實際運行能力設(shè)置相應(yīng)的DPML，并根據(jù)該參數(shù)進行Move數(shù)的預(yù)測，并在此基礎(chǔ)上進行了光刻膠的日用量預(yù)測和在實際操作中對所遇到的偏差進行的相應(yīng)修正。

[1]趙霽，丁麗麗.半導(dǎo)體制造業(yè)主生產(chǎn)計劃和物料需求計劃模型研究[J].期刊論文.

[2] Willian J，Steven.生產(chǎn)與運作管理[M].

[3]斯塔特勒，基爾戈.供應(yīng)鏈管理與高級規(guī)劃—概念、模型、軟件與案例分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：38-41.