譚 雪，金 蘭

（北京確安科技股份有限公司，北京100094）

MSA在集成電路測試行業(yè)中的應(yīng)用

譚 雪，金 蘭

（北京確安科技股份有限公司，北京100094）

測量系統(tǒng)分析（簡稱：MSA）是使用數(shù)理統(tǒng)計和圖表對測量系統(tǒng)的分辨率和誤差進(jìn)行分析的一種方法，以評估測量系統(tǒng)的分辨率和誤差對于被測量的參數(shù)來說是否合適，并確定測量系統(tǒng)誤差的主要因素。以晶圓級測試數(shù)據(jù)為例，將MSA運用到集成電路測試行業(yè)中，使用MINITAB 16對某多site測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選用量具R&R研究（交叉）方法，通過測量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性研究兩個J750機(jī)臺是否存在差異，確定主要誤差來源。MSA為驗證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不同site間的一致性，為保證集成電路產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性提供了一種有效的數(shù)字化手段，很好的保障了產(chǎn)品的良率，降低了企業(yè)面對低良率或不穩(wěn)定測試造成的損失。

測量系統(tǒng)分析；測試系統(tǒng)誤差；集成電路測試；重復(fù)性；再線性；穩(wěn)定性；可靠性

1 引言

從自動測試設(shè)備（簡稱：ATE）獲得的測試數(shù)據(jù)可以幫助判定接受或拒絕被測器件，它能夠提供制造過程的有用信息和設(shè)計不足的信息。為保證測試質(zhì)量，器件選擇ATE時會依據(jù)器件的時鐘頻率、時間精度、管腳數(shù)等[1]。傳統(tǒng)對ATE的有效性評價是通過周期的檢定或校準(zhǔn)工作來實現(xiàn)的，但實際測試機(jī)臺校準(zhǔn)通過并不能反映生產(chǎn)過程中測量系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種問題[2]。在實際測量中還需要考慮人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等因素的影響。因此，評價對象不應(yīng)僅是ATE本身，而是包括量具、測量人員、被測量器件、程序和方法的測量系統(tǒng)。

另外，ATE可以并行測量多個器件，無論是圓片還是封裝后的芯片，當(dāng)出貨量巨大時，還需要多臺測試機(jī)同時進(jìn)行測試。這就需要在生產(chǎn)測試之前確認(rèn)各臺測試機(jī)以及不同site之間的測試結(jié)果是否一致，以免發(fā)生各種異常甚至產(chǎn)生事故[3]。通常業(yè)內(nèi)人士指晶圓上的一個芯片位置叫一個site。傳統(tǒng)確認(rèn)測試結(jié)果是否一致會先在確保ATE校準(zhǔn)通過的情況下，反復(fù)多次測量同一晶圓并統(tǒng)計測量結(jié)果以查看同一機(jī)臺不同site測量結(jié)果是否穩(wěn)定。驗證兩個具有同樣資源配置的機(jī)臺時，往往通過將同一晶圓在這兩臺測試機(jī)上測試，比對生成的兩張晶圓圖，統(tǒng)計良率的差異，統(tǒng)計測試通過的管芯和有缺陷的管芯是否有跳變等。

MSA是使用數(shù)理統(tǒng)計和圖表的方法對測量系統(tǒng)的分辨率和誤差進(jìn)行分析，以評估測量系統(tǒng)的分辨率和誤差對于被測量參數(shù)是否合適，并確定測量系統(tǒng)誤差的主要因素。MSA正被市場需求逐步推動在企業(yè)質(zhì)量管理中應(yīng)用[4]。一些企業(yè)的成功實踐也證明MSA可以保證質(zhì)量體系穩(wěn)定有效運作[5]，為了在未來的市場中占據(jù)主動，許多企業(yè)也已經(jīng)開始在質(zhì)量管理中實施MSA。

以晶圓級測試為例，主要將MSA應(yīng)用到集成電路測試中，使用MINITAB 16進(jìn)行分析，選用量具R&R研究（交叉）的方法，此方法用于分析當(dāng)每一被測部件都可以被多個操作員重復(fù)測量時的量具R&R分析，進(jìn)一步選擇方差分析法進(jìn)行測量系統(tǒng)的分析。MSA為驗證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性提供了一種有效的數(shù)字化手段。

2 J750測試系統(tǒng)

自動測試設(shè)備選擇泰瑞達(dá)公司的J750測試機(jī)。泰瑞達(dá)公司是全球最大的半導(dǎo)體自動測試設(shè)備供應(yīng)商，為廣泛的半導(dǎo)體電路提供測試解決方案，覆蓋模擬、混合信號、存儲器及超大規(guī)模集成電路器件測試所有領(lǐng)域的測試設(shè)備的供應(yīng)商，具有多種測試平臺，如 J971、J973、Integra J750、IP750、Catalyst、Integra FLEX等。其中，J750是低成本高性能并行測試機(jī)，采用windows操作系統(tǒng)，人機(jī)界面友好、簡單；基于板卡的硬件架構(gòu)，維護(hù)性好；配上MSO模塊，基本能滿足片上系統(tǒng)的測試需求，有著較高的測試性價比[6]。

3 量具R&R研究（交叉）方法

3.1 方法簡介及測量數(shù)據(jù)獲取

使用MINITAB 16中量具R&R研究（交叉）方法，并進(jìn)一步選擇方差分析法進(jìn)行測量系統(tǒng)的分析。測量系統(tǒng)和其他所有的生產(chǎn)過程一樣，受隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的影響。其中，重復(fù)性和再現(xiàn)性分析是測量誤差的主要來源[7]。重復(fù)性是指一個評價者使用一種測量儀器，對同一零件的某一特性進(jìn)行多次測量下的變差。再現(xiàn)性是指不同評價人使用同一量具，測量同一零件的同一特性的測量平均值的變差[8]。

一般使用量具R&R研究（交叉）方法時，應(yīng)首先保證量具校準(zhǔn)通過，其次為保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計獨立性，一般選取10個覆蓋流程能力的非連續(xù)部件，由2或3名操作員，分別對每一部件測試2到3次[9]。這里以車間兩臺J750測試機(jī)臺為例（命名為機(jī)臺1和機(jī)臺2），通過測量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性研究確認(rèn)兩個機(jī)臺是否存在差異。

由于J750機(jī)臺自動化程度很高，因此可以忽略操作人員的影響，實際操作員為這兩個測試機(jī)臺。另外，部件為管芯，測量值為在J750上已成功開發(fā)的一款產(chǎn)品的某測試項的數(shù)值，該測試項主要測試的是一個輸出管腳的電壓值，該電壓值范圍在2.95V到3.5V內(nèi)。

兩個機(jī)臺均使用同一塊探卡對同一枚晶圓開展4site并測，4site并測測試技術(shù)是指在一臺測試機(jī)上可同時對多個集成電路芯片進(jìn)行全自動檢測，通過專門設(shè)計制作的探針卡可以同時連接到多個芯片的引腳上，使得測試機(jī)可以同時進(jìn)行多個芯片的測試，并記錄多個芯片的測試結(jié)果，通過單位時間內(nèi)增加被測芯片的數(shù)量來提高測試機(jī)的吞吐率，減少測試機(jī)閑置資源，提高了測試設(shè)備的利用率，大大降低了能耗，減少了測試廠房的占地面積。從4個site的測試結(jié)果中各自選取10個管芯的2次測量值用于分析，4個 site依次為 site0，site1，site2和 site3。表1僅為site0的測試數(shù)據(jù)。

表1 Site0的測量數(shù)據(jù)

3.2 量具重復(fù)性和再現(xiàn)性的可接受準(zhǔn)則

量具重復(fù)性和再現(xiàn)性的可接受準(zhǔn)則見表2。通過兩部分結(jié)果判定測量系統(tǒng)是否可接受：測量系統(tǒng)的精度與總過程偏差的百分比（%GR&R）和可區(qū)別分類數(shù)[10]。其中，可區(qū)別分類數(shù)的含義如下：假設(shè)測量10個不同的部件，若可區(qū)別分類數(shù)為4，表明10個部件中某些部件的差異不夠大，不足以被測量系統(tǒng)識別為存在差異，如果希望識別出更多可區(qū)分類別，則需要更精確的量具。

表2 量具重復(fù)性和再現(xiàn)性的可接受準(zhǔn)則

3.3 site0的量具R&R研究（交叉）結(jié)果與分析

這里以site0為例做具體分析。測量能力評價指標(biāo)有方差分量貢獻(xiàn)率，%研究變異（%SV）和%公差(SV/Toler）和可區(qū)分的類別數(shù)四個。計算公式如下：

將10個管芯的4個Site的2次測量值轉(zhuǎn)成MINITAB所需的數(shù)據(jù)格式。使用MINITAB 16中的量具R&R研究（交叉）工具，可以得到site0的量具R&R研究（交叉）結(jié)果，見圖1和表3。

圖1 site0的量具R&R研究(方差分析)圖表結(jié)果

圖1的A部分為偏差組成圖，部件間的貢獻(xiàn)百分比大于合計量具R&R的貢獻(xiàn)百分比，表明大部分變異來自于部件與部件之間，來自系統(tǒng)的偏差很小。圖1的B部分為極差控制圖，用于表明部件數(shù)據(jù)是否處于受控制的狀態(tài)，圖中的標(biāo)繪點為每個部件的最大測量值和最小測量值之差，當(dāng)所有點均在上下兩條控制線內(nèi)時，表明數(shù)據(jù)都處于“受控制的狀態(tài)”。圖1的C部分為Xbar控制圖，標(biāo)繪點為每個部件的平均值，中間的橫線為控制線。對于部件數(shù)據(jù)，存在許多點超出控制限值的情況，則表明測量系統(tǒng)是合格的，C部分中共計20個點，其中16個點都在控制限制之外，表明變異主要是由于部件間的差異所致。圖1的D部分表明管芯間的差異，非水平線表明部件間存在較大差異。E部分為機(jī)臺間的差異，水平線表明機(jī)臺間存在較小差異。F部分為機(jī)臺與管芯的交互作用，曲線能重合最為理想，不重合也要盡量平行，表明每個機(jī)臺和坐標(biāo)間不存在顯著的交互作用。

從統(tǒng)計結(jié)果中可以看到，%研究變異（%SV）為測量系統(tǒng)的精度與總過程偏差的百分比，即：%GR&R，具體為2.03%，小于10%，說明量具對于過程偏差的測量能力是可以接受的；測量系統(tǒng)的精度與過程規(guī)范的比率 (SV/Toler)為2.02%，也小于10%，說明量具對于規(guī)范的測量能力是可以接受的[11]。區(qū)別分類數(shù)為69，說明測量系統(tǒng)能可靠的對過程偏差進(jìn)行分級。基于對給定規(guī)范公差的比率及區(qū)別分類數(shù)，可以看到測量系統(tǒng)是可以接受的。

表3 量具R&R研究（方差分析）統(tǒng)計結(jié)果

3.4 Multi-site量具R&R研究（交叉）結(jié)果與分析

對4個site的量具R&R研究（交叉）可以幫助確認(rèn)不同site之間的測試結(jié)果是否一致。將4個site的具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，從統(tǒng)計值結(jié)果中可以看到，4個site的部件間的方差分量貢獻(xiàn)率均為99%左右，這表明大部分變異來自于部件間，來自系統(tǒng)的偏差很小。%研究變異（%SV）和%公差(SV/Toler)的值，4個site雖略有差異，但均低于10%的誤差，表明當(dāng)前所使用的測量系統(tǒng)是可接受的。可區(qū)分的類別數(shù)均大于5，說明測量系統(tǒng)能可靠的對過程偏差進(jìn)行分級。具體統(tǒng)計結(jié)果見表4。所以，從表4可以看到，雖然不同site的測量值間略有差異，但總體來說當(dāng)前測試系統(tǒng)是穩(wěn)定受控的。

表4 4個Site的量具R&R研究（交叉）統(tǒng)計值結(jié)果對比

4 結(jié)束語

產(chǎn)品測試時，如果測量系統(tǒng)出現(xiàn)問題，那么合格的產(chǎn)品可能被判為不合格，不合格的產(chǎn)品可能被判為合格，則不能得到真正的產(chǎn)品或過程特性。MSA可以確定所使用的數(shù)據(jù)是否可靠，可用于評估可信的測量儀器，將兩種測量系統(tǒng)進(jìn)行比較，對可能存在問題的測量系統(tǒng)進(jìn)行評估，確定并解決測量系統(tǒng)誤差問題。MSA也可用于集成電路的成測數(shù)據(jù)分析，這里僅以晶圓級測試數(shù)據(jù)為例，對量具R&R研究（交叉）的方法進(jìn)行介紹。MSA的引進(jìn)為驗證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不同site間的一致性，為保證集成電路產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性提供了一種有效的手段，使得產(chǎn)品的良率有很好的保障，減少企業(yè)面對低良率或不穩(wěn)定測試造成的各種損失。

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Application of MSA in Integrated Circuit Test

Tan Xue，Jin Lan
（Chip Advanced Co.,Ltd.,Beijing 100094，China）

Measurement system analysis,briefly called MSA,is a method to analyze the resolution and systematic error in the measurement system using mathematical statistics and charts.In other words,the resolution and systematic error in the measurement system are evaluated for the tested parameters by the method,and the main component in the systematic error is determined as well.The wafer level test data are used as an example,applying MSA to the testing of integrated circuit,using MINITAB16 and Gage R&R to analyze the data of multi-site test to identify the major sources of error and to confirm whether there are differences between the two J750 machines.An effective mean is provided to verify the stability of the measurement system and ensure the quality and reliability.All these will provide a good guarantee of the yield of the products,and reduce the various losses caused by low yield or instability test.

Measurement System Analysis；Measurement Systematic error；Testing of Integrated Circuits；Repeatability；Reproducibility；Stability； Reliability

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.003

TN47

B

1002-2279-（2017）03-0013-04

譚雪（1985-），女（回族），北京人，碩士研究生，主研方向：IC測試。

2016-11-23