一种针对半导体制造工艺的全面动态取样方案

文/陈彧

1 介绍

现如今随着半导体制造过程的复杂性不断提升，采用科学有效的工艺管控方法来帮助快速侦测并改进异常工艺表现是非常重要的。工艺管控方法中最有效的方法就是改进取样方案。通过高效的取样方案，能够快速检测到工艺的偏离，并实现改进和预防措施。目前业界常用的取样方法是在初始阶段建立，之后根据需要人工改变频率。本文介绍了一种新的动态取样解决方案，通过采用工艺风险评估并配合多种因素作用，实现针对不同工艺风险的取样决定。

2 全面动态取样方案

全面动态取样系统是基于工艺状况、机台情况、工艺不确定性、异常事件信号以及量测机台产能来调整取样率的。我们根据工艺风险将取样方案分成三个区间，即低-基准-高。当工艺流程处在一个较低的风险级时，取样在低频率下进行,反之将在高频率下进行。如果线上工艺流程表现出向高风险发展的趋势，取样率会随着提升，并伴随改进方案的实施，从而减少风险产品的数量。反之取样率会随之降低，量测机台的产能得到缓解，同时低取样率也能够缩短制造工艺的周期。本文的取样方案是以传统方案作为框架并配合动态改变取样率实现的。下面对各影响因素作介绍：

2.1 工艺状况

整体的工艺状况代表了生产出满足客户需求的产品的能力。线上量测的图表是一个表现工艺状况好坏的重要指标，而Cpk又是表现工艺能力的重要参数，我们基于Cpk的表现来判断工艺流程的风险级别，高风险的将会触发高取样率。

表1：仿真实验结果

2.2 机台情况

机台情况是影响整体工艺风险的重要因素。当机台接近它们的维护周期时，机台性能会出现退化，这种情况会给工艺带来额外的风险，因此取样方案也要做相应的调整。机台的风险会随着定期维护的周期发生着变化，当机台越接近维护的时间前后，机台的风险会随着增加。全面动态取样方案将会对这样的情况触发响应。当进入到机台维护周期前后的时间段，机台会触发信号给取样系统，取样率需要相应的增加。而取样机制在一段时间后会根据工艺的表现调整回低取样率。

2.3 工艺不确定性

原材料的变化、工艺的改变等都会造成工艺的不确定性。这种普遍的不确定性将会引起较高的工艺风险，而这种风险是需要被考虑到取样机制当中的。在全面动态取样系统中，一旦有新的变更出现，或是原材料如晶圆等的改变，触发机制会反馈给取样系统，从而实现高取样率。而在这一变化之后，取样率也会根据工艺的风险做出相应的调整，将取样率降低回较低水平。

2.4 异常事件信号

异常事件被定义为和工艺相关的参数偏离可接受范围。通常来说，每一道工序都有一些参数按照特定的范围来运行，这些参数会被实时的监控，任何偏离期望值的情况都表明工艺出现了异常，并存在风险。我们把这种监控称为故障侦测，当侦测到特殊异常时，就暗示了工艺风险的增高。在本文取样方案中，当侦测到异常事件时，取样率会被激活为高取样，这样，异常事件对工艺风险的影响会很快被确认，并配合改进措施的实施。

2.5 量测机台产能可用性

通常量测机台需要为几道工序服务，并处于高需求状态。因此，在做全面的取样决定时，考虑量测机台产能是非常重要的。量测站点等待处理的晶元数量越多说明对量测机台的需求量越大。当动态取样系统做出高取样率决定之前查询量测机台的负载，只有当机台产能在可接受范围内，取样率才会增加。

3 全面动态取样系统的流程和仿真结果

全面动态取样系统是以传统取样为框架整合形成的。图1展示了取样方案的相关流程。

图1：取样方案流程图

可以看出，Cpk是决定工艺风险以及取样率的关键参数，而各种影响因子都需要考虑进动态取样方案当中，当影响因子出现时，需要提高取样率并采取相关措施，这样才能更快的侦测到异常从而进一步改善。而在没有异常并且Cpk合理时，低取样率可以更好的缩短产品的生产时间，提高生产效率。

表1通过对某产品的仿真结果，表明该量测站点的Cpk得到了一定程度的改善，同时取样数量的减少，产品的生产时间也得到了缩短。

4 结论

本文讨论了一种全面动态的取样方案，在做出合理的取样决定之前，应该考虑各种会影响工艺风险的因素。该方案加快了工艺偏移的侦测和后续的改进措施，同时也改进了对工艺表现的反馈。在该方案中，机台维护，工艺改变等相关风险被减到最小，同时也提高了机台的利用率。