SPC研究及其在芯片制造工藝中的應用

張鵬遠，孔 明，趙子健

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

SPC研究及其在芯片制造工藝中的應用

張鵬遠，孔 明，趙子健

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

統(tǒng)計過程控制（SPC）技術是集生產(chǎn)技術與科學管理于一體的現(xiàn)代工藝質(zhì)量管理技術。在企業(yè)生產(chǎn)過程中，SPC是生產(chǎn)過程控制的有效手段和工具。SPC作為一種過程控制方法，運用數(shù)理統(tǒng)計概率論的原理，應用統(tǒng)計方法對過程中的各個階段進行監(jiān)控，可及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況。

統(tǒng)計過程控制；控制圖；均值極差圖

1 引 言

統(tǒng)計過程控制（簡稱SPC）是應用統(tǒng)計方法對過程中的各個階段進行評估和監(jiān)控，建立并保持過程處于可接受的并且穩(wěn)定的水平，從而保證產(chǎn)品與服務符合規(guī)定要求的一種質(zhì)量管理技術。

SPC是一種借助數(shù)理統(tǒng)計方法的過程控制工具。它對生產(chǎn)過程進行分析評價，根據(jù)反饋信息及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素出現(xiàn)的征兆，并采取措施消除其影響，使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態(tài)，以達到控制質(zhì)量的目的。當過程僅受隨機因素影響時，過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài)（簡稱受控狀態(tài)）；當過程中存在系統(tǒng)因素影響時，過程處于統(tǒng)計失控狀態(tài)（簡稱失控狀態(tài)）。由于過程波動具有統(tǒng)計規(guī)律性，當過程受控時，過程特性一般服從穩(wěn)定的隨機分布；而失控時，過程分布將發(fā)生改變。SPC正是利用過程波動的統(tǒng)計規(guī)律性對過程進行分析控制。因而，它強調(diào)過程在受控和有能力的狀態(tài)下運行，從而使產(chǎn)品和服務質(zhì)量能夠穩(wěn)定地滿足顧客的要求。正式基于以上SPC特點，可用于監(jiān)控芯片制造工藝中薄膜厚度、電阻率、腐蝕速率等數(shù)據(jù)。

2 控制圖

控制圖能夠被用來監(jiān)測和評價一個過程。有兩種類型的控制圖，一種為計量型數(shù)據(jù)控制圖，另一種為計數(shù)型數(shù)據(jù)控制圖。過程本身將決定使用哪種類型的控制圖。如果取自于過程的數(shù)據(jù)是離散型的（如：通過/不通過，可接受/不可接受）則使用計數(shù)型數(shù)據(jù)控制圖。如果取自于過程的數(shù)據(jù)是連續(xù)型的（如：直徑，長度）則使用計量型數(shù)據(jù)控制圖。每種類型的控制圖都結合了一些圖表以用于進一步的評價過程。

2.1 常規(guī)控制圖的結構、要素

2.1.1 適當?shù)目潭?/p>

刻度應該能夠使過程產(chǎn)生的自然差異很容易被觀察到。如果刻度產(chǎn)生了一個“窄”的控制圖，則不能夠分析和控制一個過程。

2.1.2 上控制限（UCL）、下控制限（LCL）

為了有能力確定超出界限這一表示特殊原因的信號，控制圖要求有基于樣本分布的控制限。為了過程分析和控制，范圍限不應該被用來代替控制限。

2.1.3 中心線（CL）

為了能夠確定有特殊原因存在而顯示的非隨機模式，控制圖要求有基于樣本分布的中心線。

2.1.4 子組順序/時間線

保持數(shù)據(jù)被收集時的順序，可顯示“何時”發(fā)生了特殊原因以及此特殊原因是否是時間導向的。

2.2 控制圖的識別準則

（1）一個點遠離中心線超過3個標準差

（2）連續(xù)7點位于中心線一側

（3）連續(xù)6點上升或下降

（4）連續(xù)14點交替上下變化

（5）2/3的點距中心線的距離超過2個標準差（同一側）

（6）4/5的點距中心線的距離超過1個標準差（同一側）

（7）連續(xù)15個點排列在中心線1個標準差范圍內(nèi)（任一側）

（8）連續(xù)8個點距中心線的距離大于1個標準差（任一側）

圖1為一個簡單的Shewhart控制圖。它按時間順序?qū)①|(zhì)量數(shù)據(jù)或者過程測量數(shù)據(jù)的子組均值畫在圖上，同時畫出上下控制限而形成。根據(jù)控制圖的識別準則判斷生產(chǎn)過程是否在可控范圍內(nèi)。

圖1 Shewhart控制圖

3 SPC在監(jiān)控芯片制造工藝中的應用

在芯片制造領域，SPC可廣泛應用在氧化、擴散、光刻、注入等諸多工序。柵氧厚度均值極差圖如圖2所示，圖3是柵氧數(shù)據(jù)分布圖。

圖2 柵氧厚度均值極差圖

設備名稱：TMX－9000氧化爐；變量類型：氧化層厚度；目標值：500埃；標準差：4.84；子組大小：5；最大值：510.0；最小值：488.0；均值：499.928；LCL： 485.409；UCL：514.447；USL：520.0；LSL：480.0。

從圖2中可以看出，生產(chǎn)過程滿足SPC控制標準，未出現(xiàn)超公差限、控制限的情況，所有采樣點均無連續(xù)7次上升或下降、連續(xù)15點在C區(qū)域的情況，且無連續(xù)7點在CL同側的情況。上述條件的限制使柵氧化層厚度得到有效控制，排除設備固有波動的同時對工藝異常波動進行科學放大，使工藝異常波動得到監(jiān)控。

圖3 是柵氧數(shù)據(jù)分布圖

柵氧化工序?qū)嵤㏒PC結果：

柵氧化工序SPC控制圖受控。

實際工序能力（Cpk）評價結果：

柵氧化工序?qū)嶋H工序能力（Cpk）1.25大于0.99達到要求值。

5 結束語

SPC強調(diào)全過程監(jiān)控、全系統(tǒng)參與，并且強調(diào)用科學方法（主要是統(tǒng)計技術）來保證全過程的預防。SPC不僅適用于質(zhì)量控制，更可應用于一切管理過程（如產(chǎn)品設計、市場分析等）。正是它的這種全員參與管理質(zhì)量的思想，實施SPC可以幫助人們在芯片制造工藝中，在質(zhì)量控制上真正作到事前預防和控制，可以對過程作出可靠的評估；確定過程的統(tǒng)計控制界限，判斷過程是否失控和過程是否有能力；為過程提供一個早期報警系統(tǒng)，及時監(jiān)控過程的情況以防止廢品的發(fā)生；減少對常規(guī)檢驗的依賴性，定時觀察以及系統(tǒng)的測量方法替代了大量的檢測和驗證工作。

［1］ 張公緒.兩種質(zhì)量診斷理論及其應用［M］.北京：科學出版社，2001.

［2］ 伍愛.質(zhì)量管理學［M］.廣州：暨南大學出版社，1996.

［3］ Evangelos.Visual Basic 6高級開發(fā)指南［M］.邱仲潘，譯.北京：電子工業(yè)出版社，1999.

Study on Statistical Process Control（SPC）and Its Application in Chip Manufacturing Process

Zhang Pengyuan，Kong Ming，Zhao Zijian
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

SPC Technology，integrating production technology and scientific management，is a modern process qualitymanagement technology.In the enterprise production process，SPC is an effective means and tools for production process control.As a kind of process control，it uses the principles of probability theory and mathematical statistics.The application of statisticalmethods is used tomonitor the various stages of the process to find abnormal phenomena in time in production process.

Statistical Process Control（SPC）；Control Map；Xbar－R Map

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.008

TN4

A

1002－2279（2015）01－0022－03

張鵬遠（1982－），男，沈陽人，工程師，主研方向：半導體芯片制造。

2014－07－30