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Process Watch:工艺控制和生产周期时间
录入时间:2016/9/13 10:07:52

Process Watch:工艺控制和生产周期时间 

作者:Douglas G. Sutherland 和 David W. Price

 作者按语:Process Watch 是探索半导体产业工艺控制(缺陷检测与量测)的关键概念的系列连载。继上一集探讨工艺控制 10 基本法则的连载文章之后,这一集全新的系列连载将着重说明工艺控制的新增趋势,包括集成电路生产的成功实施战略及益处。

 在研发的早期阶段,更多的工艺控制有助于减少学习周期(解决具体问题所需的反复)的次数和持续时间。在大量生产过程中,考虑周详的工艺控制策略可提高成品率,并同时限制因偏离造成的成品率损失。在所有阶段,需要实行有效的工艺控制策略,才能确保晶圆厂能够以尽可能低的成本运营。除了尽量降低生产成本,增加工艺控制步骤反而能够缩短周期时间。

图 1 显示了周期时间作为一个函数如何随工艺控制步骤的数目而变化的概念图。图表左侧没有实施量测和检测 (M&I) 步骤,周期时间实际上可以无限长。如果某个批次抵达生产线终点,且成品率为零,则没有办法对问题进行隔离。理论上,人们可以通过试错来隔离问题,但是就算只有 100 个工艺步骤且每个工艺步骤只有两个参数,也会有 2100(1.3 x 1030) 种可能的组合。即使每秒测试一个参数,要穷尽参数空间所有可能的组合,需要的时间将比宇宙年龄还要长得多。

 

1. 周期时间 (CT) 相对于工艺控制(量测和检测)的步骤数。在第 1 区,晶圆厂信息匮乏,不能找到成品率偏离,也无法隔离潜在问题。在第 3 区,晶圆厂获得的信息已经超出它需要使用的范围 。在第 2 区,晶圆厂已经达到平衡——使用了一系列缩短周期时间的工艺控制步骤。

 

随着工艺控制步骤的加入,周期时间从实际上的无限值下降至某个可控数字。在某一点,周期时间将达到最小值。超出这一点,进一步增加工艺控制步骤实际上将导致周期时间随步骤数的增加而呈线性增加。工艺控制的最佳步骤数将始终在缩短周期时间、降低偏离成本和提高成品率之间进行权衡。后两者通常对的影响更大。

增加工艺控制步骤能够缩短晶圆厂的周期时间,但是它是如何发挥作用的呢? 周期时间的完整处理(排队理论)远远超出了本文范畴,然而在较高层级,它可以分解为可管理的若干组成部分。总周期时间 (CT) 等于排队时间总和(一个批次等待工艺设备可供使用所耗费的时间)加上加工时间本身。由于加工时间是固定的,缩短周期时间的唯一方法也就集中于排队时间 (Q)。从排队理论来看,可见 Q 可以通过三个分离函数的乘积来表达4

 

                                     Q = f(u) f(a) f(v)                                                    eqn 1

 

其中 f(u)f(a) 和 f(v) 分别为利用率、可用性和可变性函数。前两个函数将始终是有限的,因此显然只有在 f(v) = 0 时才有 Q =0。换言之,减少晶圆厂的可变性会缩短排队时间,如果我们从系统中移除所有可变性,则排队时间同样将降至零,且周期时间将只等于加工时间。

图 2 为针对零、中、高三种不同级别的可变性,周期时间作为利用率的一个函数的图示。Y 轴衡量的是周期时间,单位是称为 X-因子的总加工时间。当可变性为零时,所有批次均按照锁步在晶圆厂内移动;周期时间没有增加,而利用率却增加了,且所有工具在理论上都可以按照 100% 的利用率运行。在这种情况下,排队时间为零,且周期时间等于所有步骤的总加工时间(周期时间 = 1)。一旦引入某些可变性,周期时间就会随利用率开始呈指数级增加,而且可变性越大,则增加的幅度也就越大。

 

2. 在高、中、零 三种不同级别的可变性情况下,周期时间与利用率之间的关系。

 

晶圆厂的可变性来源众多,仅举数例,其中包括:批次到达率、维护要求频率,以及要执行该维护所需的时间。而偏离——即失控批次——会影响以上所有来源。

拥有多个工艺控制点不会立即改变晶圆厂的偏离数量,但是会立即提升晶圆厂对其反应的效率。

实际上,随着时间的推移,拥有更多工艺控制点还能够减少偏离数量,因为它会提高晶圆厂的学习速率。

考虑因缺陷数超过工艺步骤 N 的控制限制而被标记的某个批次。如图 3a 所示,如果在工艺步骤 N 和 N-1 之间存在另一个检测点,则问题可被立即隔离。只有在步骤 N 的工具(缺陷批次通过的工艺设备)才需要停工,并且只有自上一次良好检测后通过该工具的批次才需要暂停等待处置。

对比之下,考虑图 3b 会发生什么,其中上个检测点位于5 个步骤之前的工艺步骤 N-5。各晶圆厂之间的做法各不相同,然而在最糟糕的情境案例中,批次经历的所有 10 种工具都不得不停工,并且经历了任何这些工具的所有批次都需要暂停。并非单一工艺设备和若干批次出现略微中断,而是整个模块和数十个批次都会受到直接影响。它会间接影响整个晶圆厂。

  

(a)      

               

(b)

 

 

3. (a) 两个检测点之间有一个工艺步骤。(b) 两个检测点之间有五个工艺步骤。

 

图 3 显示,实施更少的检测步骤对周期时间可产生三重影响:

 

1.       涉及更多工艺设备,并且必须离线进行

2.       每个工艺设备的停机时间大大加长,因为需要更长时间才能隔离问题

3.       更多晶圆处在受影响的生产线部分。这些晶圆都需要进行处理

这三重影响带来的可变性还会在整个晶圆厂中扩散;它们压缩了整个晶圆厂的在制品 (WIP) 流程 ,在每个下游站点造成影响批次到达率(增加可变性)的 WIP 泡沫。所有这些因素都对整个晶圆厂的可变性造成影响,并且由于工艺流程的可重入性质,它们增加了晶圆厂每个单独批次的周期时间。

 当发生偏离时,产生的干扰会影响晶圆厂每个批次的周期时间,并且会很快形成恶性循环。给定批次周期时间过程中发生的偏离越多,周期时间就会越长。周期时间越长,当下一次偏离发生时,该批次还处在晶圆厂中的可能性就越大。

增加检测步骤会稍微增加已检测批次的已知周期时间量,但是由于采样的缘故(并不是每个批次都会检测),平均而言,其影响要小得多。当确实出现偏离时,将只有相对极少的工艺设备不得不停工,并且模块主管者将能够更快地隔离问题。晶圆厂的总中断时间(可变性)将缩短,且所有批次的周期时间都将得到提升。

这种与直觉相反的概念在好几家晶圆厂都得到了证实,它们同时增加了检测步骤并缩短了周期时间。增加工艺控制步骤会在以下几方面促进晶圆厂的效率:加速研发和产能提升、提高成品率、限制偏离持续时间,以及缩短周期时间。简而言之,工艺控制越好就越有效。

本系列中的下一篇文章将讨论通常在早期产能提升期间运行的所谓“热批次”阶段,工艺控制对周期时间的影响。

参考文献:

1)  “Process Watch:Fab Managers Don’t Like Surprises”(晶圆厂经理们不喜欢任何意外),Solid State Technology(固态技术),2014 年 12 月。

2)  “Process Watch:Time is The Enemy of Profitability”(时间是利润率的大敌),Solid State Technology(固态技术),2015 年 5 月。

3)  “Economic Impact of Measurement in the Semiconductor Industry”(量测在半导体产业中的经济影响),Planning Report(计划报告)07-2,美国商务部国家标准与技术研究院 (National Institute of Standards and Technology),2007 年 12 月。

4)  Hopp, W. J. 和 Spearman, M. L. Factory Physics(工厂物理学)(第 2 版)。(纽约:Irwin, McGraw-Hill,2001 年),325。

 

作者简介

David W. Price 博士是 KLA-Tencor 公司的高级总监。Douglas Sutherland博士 是 KLA-Tencor 公司的首席科学家。在过去 10 年间,Price 博士和 Sutherland 博士一直与 50 多家半导体集成电路制造商直接合作,帮助他们优化整体检测策略,以实现最低总成本。此系列文章试图对他们在这些工作中观察到的一些普遍经验进行总结。


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