商慶杰 潘宏菽 張力江 劉相伍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，石家莊 050051）

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實(shí)施統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）中常見(jiàn)問(wèn)題的探討

商慶杰 潘宏菽 張力江 劉相伍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，石家莊 050051）

摘 要：隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)自動(dòng)化、集成化、高密度化的不斷發(fā)展，人們對(duì)工藝質(zhì)量控制要求也不斷提高。加之GB/T19001-2008質(zhì)量管理體系建設(shè)的要求，工藝加工過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）應(yīng)用在化合物半導(dǎo)體芯片工藝加工生產(chǎn)線逐漸開(kāi)展起來(lái)。有些對(duì)工藝加工的穩(wěn)定性和持續(xù)改進(jìn)與提高起到了良好的促進(jìn)作用；但有些應(yīng)用未起到真正控制工藝的作用；有些把控制圖的規(guī)范限與控制限混為一談，或用規(guī)范限代替控制限；有些對(duì)數(shù)據(jù)采集與利用率上還有提高的余地。本文對(duì)化合物半導(dǎo)體芯片工藝加工生產(chǎn)線實(shí)施統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制中遇到的部分問(wèn)題進(jìn)行匯總與分析，以提高實(shí)施統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）工作的效率。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)計(jì)過(guò)程 控制工藝 加工控制 圖數(shù)據(jù)分析 控制限

引言

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（Statistical Process Control）是一種統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)，其本質(zhì)是利用樣本的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)判斷過(guò)程情況，采取措施減少異常因素對(duì)過(guò)程的影響，以提高過(guò)程的效率[1,2]。美國(guó)于1988年首先頒布了第一個(gè)用于元器件生產(chǎn)的SPC標(biāo)準(zhǔn)《EIA-557-1A統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制體系》，其有關(guān)SPC的定義為：SPC是指利用統(tǒng)計(jì)技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息，形成文件，以便糾正并改進(jìn)過(guò)程的效能[1]。國(guó)內(nèi)《GJB3014-97電子元器件統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制體系》有關(guān)SPC的定義為：利用統(tǒng)計(jì)技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成過(guò)程狀態(tài)信息，以便確認(rèn)、糾正和改進(jìn)過(guò)程效能[3]?？梢钥闯?，數(shù)據(jù)的正確采集、分析與轉(zhuǎn)換，對(duì)判定過(guò)程狀態(tài)具有重要作用。

一直到20世紀(jì)80年代初期，元器件生產(chǎn)廠家基本上都以工藝監(jiān)測(cè)和產(chǎn)品檢測(cè)為主要手段來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)為一種“事后檢測(cè)”方法。隨著產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的不斷提高，質(zhì)量保證的有效途徑使人們?cè)诠に囘^(guò)程中建立了一種預(yù)防性方法，以保證工藝過(guò)程始終處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，將質(zhì)量建立在產(chǎn)品內(nèi)部，即產(chǎn)品質(zhì)量是在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中形成的，而不是靠最終檢測(cè)或篩選來(lái)提高的。所以，在20世紀(jì)80年代中后期，開(kāi)始了從“事后檢測(cè)”到以“事前預(yù)防”為特征的SPC技術(shù)。SPC技術(shù)隨之在世界范圍內(nèi)的元器件生產(chǎn)中逐步得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)“MIL—M—38510微電路總規(guī)范”明確規(guī)定，美國(guó)所有軍用微電路制造廠必須在1990年12月31日前完成SPC大綱的制訂，以保證SPC技術(shù)的有效應(yīng)用。國(guó)內(nèi)許多單位結(jié)合9000質(zhì)量管理體系認(rèn)證，也正在由淺入深地開(kāi)展SPC應(yīng)用，并取得了初步成效。

1 實(shí)施統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制中的問(wèn)題分析與探討

化合物半導(dǎo)體芯片工藝加工生產(chǎn)線實(shí)施統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制中發(fā)現(xiàn)了一些常見(jiàn)問(wèn)題，在此進(jìn)行一些匯總，并進(jìn)行初步的探討。

1.1 對(duì)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)還有待提高

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的特點(diǎn)之一是全員參與和強(qiáng)調(diào)用科學(xué)方法來(lái)保證全過(guò)程的預(yù)防。但是，目前常見(jiàn)的現(xiàn)象是個(gè)別幾個(gè)人員在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。有些技術(shù)人員，甚至是負(fù)責(zé)比較全面工藝工作的技術(shù)人員，對(duì)控制圖所表征的信息看不全，對(duì)控制圖所表征的信息也不能高效利用。當(dāng)然，在初期階段，尤其是在剛剛開(kāi)始起步時(shí)，不進(jìn)行全員參與無(wú)可厚非。但是，隨著工作的深入，必須要有大多數(shù)人員來(lái)參與，才有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程的變異。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制強(qiáng)調(diào)用科學(xué)方法來(lái)保證全過(guò)程的控制?？刂茍D不是簡(jiǎn)單的波動(dòng)圖，統(tǒng)計(jì)的目的是為了更好地控制。要實(shí)現(xiàn)良好控制，首先必須建立好分析用控制圖[4]。當(dāng)認(rèn)為控制的準(zhǔn)確性與精密性達(dá)到了要求的范圍，才可以轉(zhuǎn)入控制用控制圖。而控制圖在運(yùn)行一段時(shí)間后，要對(duì)其有效性進(jìn)行再確認(rèn)，否則極有可能造成過(guò)程控制的系統(tǒng)偏差或失控。沒(méi)有經(jīng)過(guò)分析驗(yàn)證的控制圖，不可能對(duì)過(guò)程控制起到良好的保障作用。

1.2 對(duì)控制圖的核心把握不準(zhǔn)

控制圖技術(shù)的核心是：確定控制限；根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，判斷工藝過(guò)程的統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。控制圖的應(yīng)用要及時(shí)，不能過(guò)于滯后，否則起不到控制的作用。

1.2.1 控制限的確定

對(duì)于符合正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)，目前主要用到的是±3σ控制限，即控制限通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍來(lái)計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要存在三類問(wèn)題：（1）將控制圖上的3σ控制限直接用規(guī)范值或設(shè)計(jì)值代替；（2）對(duì)于采用均值-極差、均值-標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)-極差等雙圖進(jìn)行的控制圖，只對(duì)其中一圖如均值圖、中位數(shù)圖采用3σ，而對(duì)極差或標(biāo)準(zhǔn)差不采用3σ，甚至都不做極差或標(biāo)準(zhǔn)差圖；（3）采用少量樣本數(shù)據(jù)（少于50個(gè)）計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的方差s，認(rèn)為s就是σ。第一類問(wèn)題沒(méi)有認(rèn)識(shí)到過(guò)程控制是有其統(tǒng)計(jì)規(guī)律的，屬于人為強(qiáng)行施加干預(yù)。采用此方法做出的圖只能稱為顯示圖，不能作為控制圖來(lái)使用。第二類問(wèn)題沒(méi)能正確理解控制圖的含義，過(guò)程是否受控不但要看均值控制圖，還要看極差控制圖。某種程度上講，應(yīng)先看極差控制圖，再看均值控圖，否則會(huì)造成對(duì)過(guò)程離散性控制的缺失。第三類問(wèn)題是沒(méi)能正確認(rèn)識(shí)到統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制參數(shù)與統(tǒng)計(jì)的樣本是有關(guān)的，若要直接采用方差s代替σ，樣本數(shù)只有在較大時(shí)才適用，一般要求大于50個(gè)[1]。所以，當(dāng)樣本數(shù)比較少時(shí)，對(duì)控制限的計(jì)算應(yīng)采用與樣本數(shù)大小有關(guān)的計(jì)算方法來(lái)確定。若控制圖的控制限有問(wèn)題，將對(duì)整個(gè)過(guò)程控制起到誤導(dǎo)的后果。所以，采用控制圖進(jìn)行過(guò)程控制時(shí)，控制限的確定必須建立在科學(xué)、可信的基礎(chǔ)上。

1.2.2 根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理判斷工藝過(guò)程的統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)

有關(guān)對(duì)過(guò)程是否受控的判斷，一般統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的書(shū)籍及軟件均有明確的判斷準(zhǔn)則，此處不再敘述。需要強(qiáng)調(diào)的是，一般教科書(shū)中對(duì)過(guò)程的判穩(wěn)或判異準(zhǔn)則有十個(gè)之多。作為工程應(yīng)用，建議只采用前面的幾個(gè)，這也是工業(yè)自動(dòng)化組織AIAG(Automotive Industry Action Group)推薦使用的，部分軟件也有此功能的選擇[5]。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的軟件快速發(fā)展。在剛開(kāi)始采用這些軟硬件進(jìn)行過(guò)程分析與控制時(shí)，要能對(duì)軟、硬件計(jì)算及數(shù)據(jù)采集與分析的正確性進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證與評(píng)審，避免拿來(lái)就用，否則容易對(duì)過(guò)程造成不必要的誤判（尤其是非商業(yè)軟件）。還應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，當(dāng)發(fā)生所謂的過(guò)程“變異”時(shí)，不是要馬上對(duì)過(guò)程控制條件進(jìn)行調(diào)整，而是要對(duì)此“變異”馬上進(jìn)行分析，查找引起“變異”的可能原因，切忌對(duì)過(guò)程控制條件盲目調(diào)整。

1.3 當(dāng)5M1E發(fā)生變化時(shí)，未在控制圖上標(biāo)注，甚至還采用原控制限

過(guò)程受控的前提是5M1E（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)）一定。若其中之一對(duì)過(guò)程影響的關(guān)鍵因素發(fā)生了變化，勢(shì)必影響表征過(guò)程是否受控的控制限。所以，在控制圖中發(fā)現(xiàn)5M1E發(fā)生明顯變化時(shí)，要及時(shí)對(duì)此處的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行標(biāo)注，避免對(duì)過(guò)程的誤判。若隨著工藝的改進(jìn)，5M1E明顯變化了，應(yīng)重新建立分析用控制圖。當(dāng)過(guò)程穩(wěn)定了，再將此分析用控制圖轉(zhuǎn)為控制用控制圖。切不可將工藝改進(jìn)前的控制限直接用于過(guò)程改進(jìn)后，這不符合GJB3014-97的4.7.6規(guī)定[3]?？刂茍D應(yīng)用的前提條件是5M1E一定。當(dāng)控制圖上出現(xiàn)“變異”時(shí)，對(duì)過(guò)程的分析也是首先從5M1E入手，以發(fā)現(xiàn)究竟是什么原因引起了過(guò)程的“變異”。好的變異要鞏固、提高，不好的變異要及時(shí)排除。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的目的不總是維穩(wěn)，而是要在穩(wěn)中求進(jìn)，不斷提升，尋求改進(jìn)。在控制圖的應(yīng)用過(guò)程中，要避免頻繁進(jìn)行控制限的變更。這在某種程度上講，過(guò)程實(shí)際是不受控的。

1.4 機(jī)械采用某一控制圖

控制圖不只有均值-極差圖，還有均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖、中位數(shù)-極差控制圖等。此外，控制圖也不是每個(gè)分組只能取5個(gè)數(shù)據(jù)，而是可以根據(jù)工作性質(zhì)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。對(duì)于單值測(cè)量，同樣也可以采用單值-移動(dòng)極差控制圖。但不管采用何種控制圖，一定要結(jié)合具體的控制對(duì)象和工作性質(zhì)來(lái)定，切忌機(jī)械套用。如果測(cè)試樣本數(shù)在5個(gè)左右，采用均值-極差控制圖比較適宜；但如果測(cè)試樣本數(shù)在10個(gè)以上，考慮到數(shù)據(jù)的充分利用性，采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖則比較合理。實(shí)際工作中，有時(shí)會(huì)認(rèn)為過(guò)程比較均勻，也沒(méi)有更多地時(shí)間進(jìn)行多樣本采數(shù)，只測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)可以采用單值-移動(dòng)極差控制圖。但應(yīng)當(dāng)注意，此圖獲得的數(shù)據(jù)信息量相對(duì)較少，對(duì)判斷過(guò)程變化的靈敏度相對(duì)較弱。實(shí)施過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)有些工藝采用了單值控制圖。例如，只用單值-移動(dòng)極差的單值圖，或只用均值-極差控制圖的均值圖。此做法不是不可以，但對(duì)過(guò)程的離散性的控制是缺失的，對(duì)數(shù)據(jù)的利用率也很低，對(duì)過(guò)程控制的準(zhǔn)確性也較差，即上文提到的，對(duì)過(guò)程的離散性的判斷缺失。所以，在實(shí)際工藝工作中，要針對(duì)數(shù)據(jù)的利用率和有效性，采用適宜的控制圖。不要出現(xiàn)采集了很多數(shù)據(jù)，卻只采用單值控制圖的做法。這對(duì)精確反映過(guò)程的變化不利，而未充分利用這些反映過(guò)程信息的數(shù)據(jù)，來(lái)正確及時(shí)地表征過(guò)程的變化。當(dāng)然，對(duì)這方面的認(rèn)識(shí)會(huì)隨著工作的深入開(kāi)展而不斷得到提升。初期開(kāi)展工作，可先試著多采取幾種控制圖同時(shí)對(duì)比進(jìn)行的方法，總結(jié)歸納哪種控制圖對(duì)工作的確有指導(dǎo)作用，又不浪費(fèi)人力、財(cái)力成本。

1.5 對(duì)控制圖的在線及時(shí)控制不夠

控制圖的優(yōu)勢(shì)之一是事前預(yù)防，統(tǒng)計(jì)的目的是為更好的實(shí)施控制。若只是做事后的統(tǒng)計(jì)分析，而不對(duì)過(guò)程實(shí)施及時(shí)控制，即相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后再統(tǒng)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)過(guò)程失控，再采取措施，易造成慘重的損失。特別是對(duì)于目前流片量很大的工藝，有時(shí)會(huì)造成上百片的失控。質(zhì)量管理體系之所以要求廠家實(shí)施統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制，也正是看到了這一點(diǎn)，從而避免加工過(guò)程的長(zhǎng)時(shí)間失控出現(xiàn)，以此保證產(chǎn)品的高成品率與一致性。工作中發(fā)現(xiàn)，有些工序雖然有控制圖，但其表述的工藝狀況并不是目前的。該工序用控制圖采用專人定期繪制控制圖的方法，這種控制圖對(duì)過(guò)程在線控制的及時(shí)性很差?？刂茍D要在過(guò)程控制中真正發(fā)揮作用，首先要對(duì)以往及現(xiàn)在的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立好分析用控制圖，即通過(guò)作圖來(lái)判別過(guò)程是否達(dá)到了穩(wěn)定受控。若過(guò)程能力沒(méi)能達(dá)到要求，要繼續(xù)分析，并對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行“去偽存真”，同時(shí)不斷充實(shí)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行分析，直到過(guò)程達(dá)到受控狀態(tài)。此時(shí)，將控制圖的控制限固定，后續(xù)的過(guò)程數(shù)據(jù)只需在此圖上進(jìn)行描點(diǎn)處理即可，即到了控制用控制圖階段。若在控制用控制圖中發(fā)現(xiàn)過(guò)程存在變異，而又無(wú)法從5M1E查找到原因，或控制用控制圖運(yùn)行了較長(zhǎng)一段時(shí)間，此時(shí)最好要對(duì)控制用控制圖的有效性進(jìn)行再確認(rèn)，避免對(duì)過(guò)程的誤判，或喪失了改進(jìn)提高的機(jī)會(huì)。

2 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制中的應(yīng)用實(shí)例

圖1是化合物半導(dǎo)體芯片工藝加工生產(chǎn)線某工藝中，某型號(hào)集成電路引線鍵合拉力在開(kāi)始收集數(shù)據(jù)建立的分析用控制圖[6]。由于剛起步，投入的人員不是很多，工藝人員并不了解控制圖的做法，只是每天記錄鍵合引線拉力的實(shí)際結(jié)果。從35組數(shù)據(jù)來(lái)看，控制圖存在明顯的系統(tǒng)偏差。經(jīng)仔細(xì)與工藝人員交流，發(fā)現(xiàn)在第20組數(shù)據(jù)后，鍵合引線的線徑由原來(lái)的30μm改為了25μm。該原材料的更改，導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程控制的偏差。此分析用控制圖雖不能對(duì)今后工作提供控制依據(jù)，但可以看到因控制鍵合引線拉力的線徑發(fā)生變化，導(dǎo)致鍵合引線拉力的系統(tǒng)偏差。要重新在保持5M1E的一定條件下，重新建立分析用控制圖。

圖1 某集成電路鍵合引線拉力均值-極差控制圖

圖2是對(duì)某淀積厚度的控制圖。可以從均值圖上看出，第21組數(shù)據(jù)存在異點(diǎn)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，其是由人為工藝控制干預(yù)造成的，但圖中并未標(biāo)注出來(lái)。將該“變異點(diǎn)”去掉，重新計(jì)算數(shù)據(jù)得到新的控制圖（如圖3所示）。經(jīng)分析，圖3不存在明顯異?，F(xiàn)象，該工藝條件不變，其控制限可考慮作為控制用控制圖的控制限來(lái)對(duì)工藝進(jìn)行控制。

圖2 某淀積工藝淀積層厚度的均值-極差控制圖（存在異點(diǎn)）

圖3 某淀積工藝淀積層厚度的均值-極差控制圖（無(wú)明顯異?，F(xiàn)象）

3 結(jié)語(yǔ)

隨著化合物半導(dǎo)體芯片工藝加工生產(chǎn)線的發(fā)展，供貨量急劇增長(zhǎng)，客戶對(duì)產(chǎn)品的一致性也日趨加嚴(yán)。加之質(zhì)量管理體系在有效運(yùn)行方面提出了對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與利用的要求，本生產(chǎn)線各工序相繼開(kāi)展了統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制。在實(shí)施過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在一些認(rèn)識(shí)和執(zhí)行上的問(wèn)題。通過(guò)相應(yīng)的改進(jìn)措施，本生產(chǎn)線SPC控制取得了很大成績(jī)。本文的SPC探討，希望能對(duì)實(shí)施統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制起到良好的推動(dòng)作用，將統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制做實(shí)、做好，以起到事半功倍的效果，推動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程控制的健康發(fā)展。

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Discussion on the Problems Existed in Application of Statistical Process Control (SPC) Technique

SHANG Qingjie,PAN Hongshu,ZHANG Lijiang,LIU Xiangwu
(The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051)

Abstract:As the trend to autom atization, scale production and high dens ity integration of the s emiconductor fabrication, the quality control of the process should be improved. The process control is establish ed by quality management systems requirements (GB/T19001-2008). Statis tical proces s control technique in semiconductor fabrication is a dopted for promoting the process continuous improvement and stability of process ing quality. But there are s ome problems in application SP C technique. F or example s tatistical pr ocess tends to become formalistic, control limits and s pecification limits are confound or confusing control limits with specification limits, collecting data and data utilization factor should be im proved. Some of thes e problems are dis cussed by several experiences in application of SPC technique to promote the healthy development of the SPC technique.

Key words:statistical process control, processing technology, control chart, data analyze, control limit

基金項(xiàng)目：基礎(chǔ)科研“超高頻InP DHBT工藝優(yōu)化技術(shù)”（A1120132008）；軍口973“GaN下一代毫米波/高速電路基礎(chǔ)研究”（613208）；軍口863“常溫固態(tài)太赫茲連續(xù)波源研究”（2013A8122006B）。