一種針對半導體制造工藝的全面動態取樣方案

文/陳彧

1 介紹

現如今隨著半導體制造過程的復雜性不斷提升，采用科學有效的工藝管控方法來幫助快速偵測并改進異常工藝表現是非常重要的。工藝管控方法中最有效的方法就是改進取樣方案。通過高效的取樣方案，能夠快速檢測到工藝的偏離，并實現改進和預防措施。目前業界常用的取樣方法是在初始階段建立，之后根據需要人工改變頻率。本文介紹了一種新的動態取樣解決方案，通過采用工藝風險評估并配合多種因素作用，實現針對不同工藝風險的取樣決定。

2 全面動態取樣方案

全面動態取樣系統是基于工藝狀況、機臺情況、工藝不確定性、異常事件信號以及量測機臺產能來調整取樣率的。我們根據工藝風險將取樣方案分成三個區間，即低-基準-高。當工藝流程處在一個較低的風險級時，取樣在低頻率下進行,反之將在高頻率下進行。如果線上工藝流程表現出向高風險發展的趨勢，取樣率會隨著提升，并伴隨改進方案的實施，從而減少風險產品的數量。反之取樣率會隨之降低，量測機臺的產能得到緩解，同時低取樣率也能夠縮短制造工藝的周期。本文的取樣方案是以傳統方案作為框架并配合動態改變取樣率實現的。下面對各影響因素作介紹：

2.1 工藝狀況

整體的工藝狀況代表了生產出滿足客戶需求的產品的能力。線上量測的圖表是一個表現工藝狀況好壞的重要指標，而Cpk又是表現工藝能力的重要參數，我們基于Cpk的表現來判斷工藝流程的風險級別，高風險的將會觸發高取樣率。

表1：仿真實驗結果

2.2 機臺情況

機臺情況是影響整體工藝風險的重要因素。當機臺接近它們的維護周期時，機臺性能會出現退化，這種情況會給工藝帶來額外的風險，因此取樣方案也要做相應的調整。機臺的風險會隨著定期維護的周期發生著變化，當機臺越接近維護的時間前后，機臺的風險會隨著增加。全面動態取樣方案將會對這樣的情況觸發響應。當進入到機臺維護周期前后的時間段，機臺會觸發信號給取樣系統，取樣率需要相應的增加。而取樣機制在一段時間后會根據工藝的表現調整回低取樣率。

2.3 工藝不確定性

原材料的變化、工藝的改變等都會造成工藝的不確定性。這種普遍的不確定性將會引起較高的工藝風險，而這種風險是需要被考慮到取樣機制當中的。在全面動態取樣系統中，一旦有新的變更出現，或是原材料如晶圓等的改變，觸發機制會反饋給取樣系統，從而實現高取樣率。而在這一變化之后，取樣率也會根據工藝的風險做出相應的調整，將取樣率降低回較低水平。

2.4 異常事件信號

異常事件被定義為和工藝相關的參數偏離可接受范圍。通常來說，每一道工序都有一些參數按照特定的范圍來運行，這些參數會被實時的監控，任何偏離期望值的情況都表明工藝出現了異常，并存在風險。我們把這種監控稱為故障偵測，當偵測到特殊異常時，就暗示了工藝風險的增高。在本文取樣方案中，當偵測到異常事件時，取樣率會被激活為高取樣，這樣，異常事件對工藝風險的影響會很快被確認，并配合改進措施的實施。

2.5 量測機臺產能可用性

通常量測機臺需要為幾道工序服務，并處于高需求狀態。因此，在做全面的取樣決定時，考慮量測機臺產能是非常重要的。量測站點等待處理的晶元數量越多說明對量測機臺的需求量越大。當動態取樣系統做出高取樣率決定之前查詢量測機臺的負載，只有當機臺產能在可接受范圍內，取樣率才會增加。

3 全面動態取樣系統的流程和仿真結果

全面動態取樣系統是以傳統取樣為框架整合形成的。圖1展示了取樣方案的相關流程。

圖1：取樣方案流程圖

可以看出，Cpk是決定工藝風險以及取樣率的關鍵參數，而各種影響因子都需要考慮進動態取樣方案當中，當影響因子出現時，需要提高取樣率并采取相關措施，這樣才能更快的偵測到異常從而進一步改善。而在沒有異常并且Cpk合理時，低取樣率可以更好的縮短產品的生產時間，提高生產效率。

表1通過對某產品的仿真結果，表明該量測站點的Cpk得到了一定程度的改善，同時取樣數量的減少，產品的生產時間也得到了縮短。

4 結論

本文討論了一種全面動態的取樣方案，在做出合理的取樣決定之前，應該考慮各種會影響工藝風險的因素。該方案加快了工藝偏移的偵測和后續的改進措施，同時也改進了對工藝表現的反饋。在該方案中，機臺維護，工藝改變等相關風險被減到最小，同時也提高了機臺的利用率。