張鵬遠(yuǎn)，孔 明，趙子健

（中國電子科技集團(tuán)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(yīng)用

張鵬遠(yuǎn)，孔 明，趙子健

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）技術(shù)是集生產(chǎn)技術(shù)與科學(xué)管理于一體的現(xiàn)代工藝質(zhì)量管理技術(shù)。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(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)概率論的原理，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法對過程中的各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)控，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況。

統(tǒng)計(jì)過程控制；控制圖；均值極差圖

1 引 言

統(tǒng)計(jì)過程控制（簡稱SPC）是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法對過程中的各個(gè)階段進(jìn)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(wù)符合規(guī)定要求的一種質(zhì)量管理技術(shù)。

SPC是一種借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的過程控制工具。它對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析評價(jià)，根據(jù)反饋信息及時(shí)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(jī)性因素影響的受控狀態(tài)，以達(dá)到控制質(zhì)量的目的。當(dāng)過程僅受隨機(jī)因素影響時(shí)，過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)（簡稱受控狀態(tài)）；當(dāng)過程中存在系統(tǒng)因素影響時(shí)，過程處于統(tǒng)計(jì)失控狀態(tài)（簡稱失控狀態(tài)）。由于過程波動(dòng)具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，當(dāng)過程受控時(shí)，過程特性一般服從穩(wěn)定的隨機(jī)分布；而失控時(shí)，過程分布將發(fā)生改變。SPC正是利用過程波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性對過程進(jìn)行分析控制。因而，它強(qiáng)調(diào)過程在受控和有能力的狀態(tài)下運(yùn)行，從而使產(chǎn)品和服務(wù)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(diǎn)，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(jià)一個(gè)過程。有兩種類型的控制圖，一種為計(jì)量型數(shù)據(jù)控制圖，另一種為計(jì)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(jì)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(jì)量型數(shù)據(jù)控制圖。每種類型的控制圖都結(jié)合了一些圖表以用于進(jìn)一步的評價(jià)過程。

2.1 常規(guī)控制圖的結(jié)構(gòu)、要素

2.1.1 適當(dāng)?shù)目潭?/p>

刻度應(yīng)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(gè)“窄”的控制圖，則不能夠分析和控制一個(gè)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(yīng)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(jī)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(shí)間線

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

2.2 控制圖的識(shí)別準(zhǔn)則

（1）一個(gè)點(diǎn)遠(yuǎn)離中心線超過3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差

（2）連續(xù)7點(diǎn)位于中心線一側(cè)

（3）連續(xù)6點(diǎn)上升或下降

（4）連續(xù)14點(diǎn)交替上下變化

（5）2/3的點(diǎn)距中心線的距離超過2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（同一側(cè)）

（6）4/5的點(diǎn)距中心線的距離超過1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（同一側(cè)）

（7）連續(xù)15個(gè)點(diǎn)排列在中心線1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)（任一側(cè)）

（8）連續(xù)8個(gè)點(diǎn)距中心線的距離大于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（任一側(cè)）

圖1為一個(gè)簡單的Shewhart控制圖。它按時(shí)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(shí)畫出上下控制限而形成。根據(jù)控制圖的識(shí)別準(zhǔn)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(yīng)用

在芯片制造領(lǐng)域，SPC可廣泛應(yīng)用在氧化、擴(kuò)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(shè)備名稱：TMX－9000氧化爐；變量類型：氧化層厚度；目標(biāo)值：500埃；標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)超公差限、控制限的情況，所有采樣點(diǎn)均無連續(xù)7次上升或下降、連續(xù)15點(diǎn)在C區(qū)域的情況，且無連續(xù)7點(diǎn)在CL同側(cè)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(shè)備固有波動(dòng)的同時(shí)對工藝異常波動(dòng)進(jìn)行科學(xué)放大，使工藝異常波動(dòng)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(jié)果：

柵氧化工序SPC控制圖受控。

實(shí)際工序能力（Cpk）評價(jià)結(jié)果：

柵氧化工序?qū)嶋H工序能力（Cpk）1.25大于0.99達(dá)到要求值。

5 結(jié)束語

SPC強(qiáng)調(diào)全過程監(jiān)控、全系統(tǒng)參與，并且強(qiáng)調(diào)用科學(xué)方法（主要是統(tǒng)計(jì)技術(shù)）來保證全過程的預(yù)防。SPC不僅適用于質(zhì)量控制，更可應(yīng)用于一切管理過程（如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、市場分析等）。正是它的這種全員參與管理質(zhì)量的思想，實(shí)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(yù)防和控制，可以對過程作出可靠的評估；確定過程的統(tǒng)計(jì)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(gè)早期報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)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(yàn)的依賴性，定時(shí)觀察以及系統(tǒng)的測量方法替代了大量的檢測和驗(yàn)證工作。

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

［2］ 伍愛.質(zhì)量管理學(xué)［M］.廣州：暨南大學(xué)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(yuǎn)（1982－），男，沈陽人，工程師，主研方向：半導(dǎo)體芯片制造。

2014－07－30