工艺特性和设备能力研究规范--王小寅
- 格式：pdf
- 大小：1.78 MB
- 文档页数：32
工艺波动的计算：
进行工艺波动的计算的一个重要的步骤 就是确定合理的数据分组。如果测量的 片数越多，每片测量的点数越多，则各 项误差值的计算就越准确。但这一决定 要考虑到获得和分析这些数据所要付出 的代价。
工艺波动的计算：
片内的波动用标准偏差σA和波动范围 RA来表示。
在一批内选取几片连续处理的片子，片数为3片，每片 测试点不得少于9点，即用于计算片内误差的数据不得 少于25个。每片的测试点位置按照标准测量点文件执行， 固定不变。各工艺具体的测试点取样数见表一。 单片标准偏差的计算如公式1，n为每片的测量点数，Xi 为单点的数据，X 为单片n点的平均值：
σw = R d2 ， 1 n R = ∑ Ri ， d2 = 1.128 n i=1 公式4
工艺波动的计算：
对于批量作业的工艺，可以用公式5来估算片间标准偏 差，n为测量的片数，σi为单片的标准偏差，Xi为单片 的测量平均值：X 为n片单片的均值的平均值。可以看 到公式5与公式2是相同的，只是取样点不同。这是因 为对于批量作业的工艺其片间误差与时间无关，这一 点和片内各点误差的特性是相同的。
工艺特性和设备能力研究规范
目的
完善工艺特性和设备能力研究工作， 全面评价生产线各类单项工艺、设备的 状态和能力，为工艺优化和技术发展提 供科学的依据。
几个概念
本文所提工艺均指生产线上的单项工艺，如多晶光刻、孔 腐蚀、AL溅射、场氧化等。 工艺的波动(Variation)：指工艺反应、输出结果的离散性， 评价的参数为标准偏差σ和波动范围R。 工艺的稳定性(Stability)：指工艺结果具有一定的统计分 布规律和一致性，其发展趋势是可以预见的。 工艺的能力(Capability)：指工艺生产出满足工艺规范要 求(或客户要求)的产品的能力。评价的参数有CP、CPK等。 设备的能力(Capability)：指设备在最佳状态下所能达到的 工艺极限能力。 设备的可靠性(Reliability)：指设备保持正常工作的能力。 评价的参数有MTBF(Mean Time Between Failure)、开机 率(Uptime)、主要失效项的Parato分布等。
工艺波动的组成：
由于半导体圆片生产线的特殊性，造成工艺波动的因 素往往不止一个，有些因素相互独立，有些却相互关 联。因此需要分e wafer surface Variation)指在一片 硅片内不同点之间的差异程度。 片间的波动(Wafer to wafer Variation)指在一批内或一次 作业的硅片内(如一炉、一腔等)各硅片的平均值之间的 差异程度。 批间的波动(Batch to Batch Variation)指各批次或各次作 业(如各炉、各槽等)的平均值之间的差异程度。 总的工艺波动(Total Variation)：指7.3.4.1、7.4.3.2及 7.3.4.3中所述的三种波动的叠加。
工艺能力的研究：
当我们了解了工艺的期望值和整个工艺的标准偏差， 知道某一规定的限制(如客户的要求)，就可以估算工艺 的能力了。 一般情况下，工艺参数遵循正态分布，其均值为μ， 标准偏差为σ。对正态分布来说，绝大部分的参数值 集中在μ±3σ范围内，其比例为99.73%。通常把6σ 称为工序能力。但该工序能力仅仅反映了工序自身的 固有能力。
17.6 75.7 334.9 428.2
4% 18% 78% 100%
Total
Total Variability=Batch-to-Batch Variability+ Wafer-to-Wafer Variability+ Across Wafer Surface Variability 表二
σB = ∑ ( Xj － X )2 √ j=1 m－1 ， X = ∑ Xj m j =1 公式6
工艺波动的计算：
总的工艺波动用σTotal(为σA、σW和σB的 叠加)表示。具体计算如公式7：
σTotal =√σ A2 +σ W2 +σB2 公式7
工艺波动的计算可以用表一概括：
工艺参数项 目
公式2
工艺波动的计算：
片间的波动用标准偏差σW和波动范围RW来表示。
片间波动的计算在1批或1次作业的片子中进行，每片 测5点。对于单片作业的工艺(如光刻)片间波动计算的 数据取样：选取1批25片进行测量分析；对于一次作业 多片或多批的工艺(如扩散)：则在一次作业的片子内选 取25片进行测量分析。每片的测试点位置按照标准测
成熟的工艺必须具备以下条件 ：
该工艺可以通过某项检测手段来监控。 工艺结果必须具有一定的统计分布规律，如正态分布， 但不局限于正态分布。只要该分布是可控的和可预见 的。 该工艺的波动是系统本身固有的某种特定因素的结果， 在可允许范围之内，而非异常原因造成。 工艺的能力与客户的要求相一致。 以上所述的内容是工艺大生产的前提和工艺持续改进 的基础。
工艺能力的研究：
由于实际的工艺生产中，尤其是IC生产线，许多控制 是通过间接的方法进行，如扩散电阻等，因此工艺参 数的分布中心μ和规范中心M重合的情况很少。对于这 种情况，引入另一个指数CPK。 CPK为实际工艺能力指数，其定义如下： CPK = T(1－ K)/ 6σ=(T－2 |μ－ M |)/ 6σ 其中K为工艺参数分布中心μ与规范中心 M的相对偏离度： 2 |μ－(TU ＋ TL)/ 2 | K= (TU － TL)/ 2
工艺稳定性的研究— 作用
估计该工艺的平均值以及预测该工艺的期望值； 估计该工艺在某种条件下的标准偏差； 可以用于评估该工艺的能力； 对整个工艺控制进行检查。
工艺稳定性的研究
工艺的稳定性通过工艺输出结果具有的分布规律和工 艺的波动情况来评价。 将一组工艺结果进行数学统计分析，看其是否具有一 定的统计分布规律，可否根据其分布预测将来可能的 结果。 对于不同的工艺参数，统计的方法可以不一样。如氧 化层厚度可以用正态分布来做；腐蚀速率可以随时间 来做关系曲线；颗粒可以用Box Blot图来做等等。
Across Wafer Surface(片内 ) Wafer-toWafer ( 片间 ) Batch-toBatch ( 批间 ) Total 备注
取样 公式
膜厚类 条宽类 电阻类 其他
≥25点/片 ≥3片 ≥5点/片 ≥25片 ≥ 5点/片 ≥ 10批or ≥5 run
≥9点/片 ≥3片 ≥5点/片 ≥25片 ≥5点/片 ≥ 10批
设备能力的研究：
随后在已知的设备最佳条件和状态下运行设备， 记录各个独立变量的设置情况：
w w w
这些变量被设置的条件必须是工程师根据自己的经验 和判断力而决定的、可以做出最好产品的最优化的条 件。 很多时候，在运行几次之后，工程师会将一些变量的 设置进行修改或改变，以期进一步提高设备的性能。 有不少的修改是为了在某些特殊时候更有效地利用动 力资源，如纯水压力。
≥49点/片 ≥3片 ≥5点/片 ≥25片 ≥ 5点/片 ≥ 10批 or 5 run 公式7
≥25点/片 ≥3片 ≥5点/片 ≥25片 ≥ 5点/片 ≥ 10批 or 5 run
公式2
公式3
公式6
对于扩散等批量作业的工艺，片间计算时主要考虑不同舟位的差 异，批间计算时主要考虑不同炉次的差异。
工艺波动的分析结果可以用表二进行总结(表中 的数据为举例说明的数据)：
工艺波动
在工艺稳定性研究中，需要估计系统误差的程度，了 解工艺的正常波动范围，为工艺能力的评估提供依据。 在上述数据的基础上，可以较准确地判断生产中的工 艺的波动是否是某种新的异常原因造成，可以使分析 更加有效、有方向性，而不会产生误导和无效的工作。 工艺波动的研究是工艺稳定性研究的主要组成部分， 可以减少分析的盲目性，使问题分析的方向更有针对 性，也可以为工艺的持续改进提供依据。
工艺能力的研究：
当考虑到工艺规范的要求时，通常用两个指数： CP、CPK来评价工艺的能力，其直接反映了工艺 成品率的高低。
CP为潜在工艺能力指数，其定义如下： CP =(TU － TL)/ 6σ = T / 6σ 其中TU 和TL分别为工艺规范的上下限，T为规范的范围。 假定工艺参数的分布中心μ和规范中心M重合。其中： M = (TU ＋ TL)/ 2
Variance Components Analysis of … … Data from a Batch Process
Source Across Wafer Surface Wafer-to-Wafer Batch-to-Batch Sigma Sigma 2 Percent
4.2 8.7 18.3 20.7
工艺波动
稳定的工艺不等于没有波动的工艺。一个成熟的工艺 也会在可预测的范围内正常波动。造成工艺波动的因 素可以分为两类。 一种是系统自身误差造成的工艺波动，由于工艺、设 备本身的能力限制所造成的，这种波动是可以预测的， 并且会长期存在。 一种是工艺异常所带来的误差。这种误差带来的波动 是不可预测的，其影响往往是短期的。
n 1 n 2 σ1 = ∑ ( Xi － X ) X= ∑ Xi √ i =1 n－1 ， n i =1 公式1
工艺波动的计算：
该工艺片内误差的计算如公式2，m为测量的片数，σj 为单片的标准偏差，Xj为单片的测量平均值：X 为m片 的测量平均值：
m 1 m σA = X ∑ σj X = ∑ Xj m j =1 Xj ， m j =1
设备能力的研究：
之后，在设备上运行产品：
w w
产品片一定要被排序和标注。如果无法标注，也要保 证片子经过设备时其前后顺序不被破坏。 任何工艺、设备的调整一定是在正式的产品通过设备 之前，而不是在研究进行当中。
设备能力的研究：
观察设备整个运行过程并做好记录：
w w
这个步骤非常关键。许多异常的原因往往通过简单 的观察可以发现。 对于运行过程中发现的异常要做记录，如：运行未 按照指令进行；设备在工艺过程当中被调整；产品 由于缺陷等原因需要返工；超规范的片子需要被剔 除，否则会产生错误的能力数据。 观察产品生产过程时，可以将几个波动因素分别考 虑：操作、材料、设备等。
