文/王琛琛 廉大楨

1 引言

LED外延及芯片制造企業(yè)是技術(shù)密集型企業(yè)，產(chǎn)品的工藝制造過程較為復雜，其工藝控制難度較大，有多個工藝制造過程中產(chǎn)品的重要功能參數(shù)不能直接監(jiān)測或通過其后的檢驗和試驗完全驗證，要求預先鑒定過程能力的過程（如蒸發(fā)過程等），將關(guān)鍵工序的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成過程狀態(tài)的信息，以便提供評定、改進和優(yōu)化過程的依據(jù)，從而實現(xiàn)控制和降低過程波動，達到不斷改進過程能力的目標，使產(chǎn)品實現(xiàn)過程始終處于受控狀態(tài)，能夠連續(xù)、穩(wěn)定地生產(chǎn)高可靠的發(fā)光二極管外延及芯片產(chǎn)品。

SPC（Statistical Process Control）稱為統(tǒng)計過程控制。它是以概率統(tǒng)計學為基礎(chǔ)，應用統(tǒng)計技術(shù)對過程中的質(zhì)量特性值進行測定、記錄、評估，預警過程中的異常波動，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)品與服務符合規(guī)定的要求的一種過程管控技術(shù)。 SPC一是利用控制圖分析過程穩(wěn)定性，對過程存在的異常因素進行預警；二是計算過程能力指數(shù)分析過程能力滿足技術(shù)要求的程度，對過程質(zhì)量進行評價，從而檢查過程是否處于控制狀態(tài)，來達到質(zhì)量分析、質(zhì)量控制和質(zhì)量改進的目的。

2 SPC統(tǒng)計過程控制技術(shù)應用的策劃

要在LED外延及芯片生產(chǎn)線實施SPC統(tǒng)計過程控制技術(shù)，首先應確定建立SPC統(tǒng)計過程控制機制的目標，建立SPC技術(shù)的應用平臺，形成熟練掌握SPC技術(shù)，具有快速解決異常波動能力的人才隊伍，建立實施SPC應用文件資料管理體系，在此基礎(chǔ)上在MOCVD外延生長工序、ICP刻蝕工序、金屬蒸鍍等關(guān)鍵工序?qū)嵤㏒PC技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵過程工藝穩(wěn)定性的預先控制。

3 SPC統(tǒng)計過程控制技術(shù)應用的實施

3.1 SPC控制點及關(guān)鍵特性的識別和確定

LED芯片是在藍寶石襯底上通過外延制備→化學清洗→蒸發(fā)透明電極→光刻圖形→臺階刻蝕→淀積保護層→光刻圖形→蒸發(fā)電極→研磨→切割→測試分選等一系列的外延生長工藝和管芯生產(chǎn)工藝，形成具有獨立發(fā)光功能的光電器件。

根據(jù)LED外延及芯片產(chǎn)品生產(chǎn)工序的特點及對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度，我們選擇產(chǎn)品重要質(zhì)量特性形成過程，對產(chǎn)品質(zhì)量、性能、功能、可靠性及成本產(chǎn)生直接影響的過程，并且功能參數(shù)不能直接監(jiān)測或通過其后的檢驗和試驗完全驗證的工序：MOCVD外延生長、ICP刻蝕、金屬蒸鍍等關(guān)鍵工序作為實施SPC技術(shù)的工序。選擇外延層厚度、刻蝕深度、金屬層厚度等參數(shù)作為實施SPC技術(shù)的主要特性參數(shù)。

如ICP刻蝕工序是LED芯片結(jié)構(gòu)和功能形成的關(guān)鍵過程，該工序控制的結(jié)果直接影響LED芯片成品質(zhì)量、性能和可靠性。依據(jù)工藝流程圖，結(jié)合LED生產(chǎn)工序的特點，及試生產(chǎn)階段過程控制數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，將ICP刻蝕工序確定為實施SPC技術(shù)應用的關(guān)鍵工序。

ICP刻蝕工序的刻蝕深度是發(fā)光二極管芯片的關(guān)鍵特性參數(shù)，該參數(shù)是否滿足要求直接影響到發(fā)光二極管芯片是否能夠?qū)崿F(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能，進而間接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、合格率及長期可靠性?？涛g深度形成過程受刻蝕時間、氣體配比、氣體流量、功率等參數(shù)的影響，能反映ICP刻蝕工序運行狀態(tài)，其控制過程參數(shù)的影響只能通過后續(xù)參數(shù)的測量和監(jiān)視來控制調(diào)節(jié)。利用刻蝕深度，判斷是否超過要求的控制范圍的辦法，能提前預警過程的異常波動，因此選擇ICP刻蝕工序的刻蝕深度參數(shù)作為SPC控制的因素，可預先控制過程參數(shù)的異常波動，從而提高產(chǎn)品合格率及批次可靠性水平。

3.2 統(tǒng)計控制狀態(tài)—穩(wěn)態(tài)

控制圖是對過程質(zhì)量特性值進行測定、記錄、評估，進而監(jiān)察過程是否處于控制狀態(tài)的一種統(tǒng)計方法設(shè)計的圖，圖上有中心線CL，上下控制線UCL和LCL,并有按時間順序抽取的樣本統(tǒng)計測量數(shù)值的描點系列。

在確定好關(guān)鍵控制參數(shù)后，使用控制用控制圖前，首先要通過過程能力指數(shù)的計算評價—技術(shù)穩(wěn)態(tài)，以及用分析用控制圖，確定過程是否達到統(tǒng)計控制穩(wěn)態(tài)—控制圖中的描點落在控制線之內(nèi),且排列隨機。當達到我們所確定的狀態(tài)后，延長分析用控制圖的控制線作為控制用控制圖。

3.2.1 控制圖的判斷規(guī)則選用

在應用控制用控制圖對過程參數(shù)進行監(jiān)控時，應制定的判斷規(guī)則，如控制圖上有“一部分”數(shù)據(jù)點超出控制限以外，則該工藝過程為失控。若連續(xù)7個（0.0004）或多于7個數(shù)據(jù)點單調(diào)上升（或下降），則為失控等。

3.3.2 工序能力的評價（CPK值）

ICP刻蝕工序關(guān)鍵工藝參數(shù)為刻蝕深度，公差上下限TU和TL的依據(jù)來自于技術(shù)工藝標準文件的要求。采用SPC數(shù)據(jù)計算工序能力指數(shù)；用直方圖判斷正常情況下該工藝參數(shù)服從的分布規(guī)律。

在雙側(cè)規(guī)范情況下的CPK值計算方法為：

其中：估計過程的標準偏差

當CPK值不能滿足要求的情況下，需要進行原因分析：

在實際生產(chǎn)中如果標準偏差不大于規(guī)范范圍的十分之一，就基本正常，否則說明標準偏差偏大；參數(shù)分布平均值與規(guī)范的中心值之間的差值太大。

3.3.3 出現(xiàn)控制圖失控時及CPK不滿足要求時的分析思路

（1）對計量值控制圖，均值控制圖的控制限是采用極差平均值計算的，因此只有在極差控制圖正常情況下再分析均值控制圖的失控問題。

（2）在查找失控原因時首先判斷是否存在“異常數(shù)據(jù)”。

（3）控制圖反映的過程異?？赡苡小皦摹钡漠惓?，也可能出現(xiàn)“好”的異常。不管是哪種異常，都說明工藝過程的狀態(tài)發(fā)生了變化，均應進行質(zhì)量分析。

（3）對“壞”的異常，公司及時召開質(zhì)量分析會，召集相關(guān)工序操作員工、工藝、質(zhì)量管理人員、產(chǎn)品負責人等，從自己的職能工作入手，圍繞人、機、料、法、環(huán)這五大過程控制因素，運用頭腦風暴法、排列圖、魚刺圖，一一列舉可能造成控制圖異常、質(zhì)量波動的所有原因，應用要因確認表，通過工藝試驗、現(xiàn)場調(diào)查等方式排查次要原因，找出主要原因運用PDCA循環(huán)的方法進行改進。

（4）對“好”的異常，應確認確實是“好”的異常，而不是虛假現(xiàn)象。然后通過質(zhì)量分析，查找出原因后，采取措施將其保持，使工藝過程進入新的統(tǒng)計受控狀態(tài)。

（5）從工藝的角度進行考慮,設(shè)法使測量數(shù)據(jù)的標準偏差盡可能小。

（6）經(jīng)過改進后重新評價過程能力，制作分析用控制圖，重新開始SPC過程控制。

綜上所述，企業(yè)在ICP工序成功應用SPC技術(shù)，然后在MOCVD、金屬蒸鍍、晶圓減薄等工序陸續(xù)建立SPC應用平臺，提高了整條LED外延及芯片生產(chǎn)線的穩(wěn)定性，為公司的技術(shù)進步質(zhì)量管理提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。