现代半导体制造中质量控制和评价的关键技术研究

摘要

如今,在半导体和集成电路制造领域,随着工艺过程、技术和设备的日益复杂,电子元器件产品自身功能的不断完善,以及客户对工艺水平及产品质量要求的不断提高,使得生产过程质量控制和评价技术显得日益重要。同时,越来越多的国内企业为了向国际型企业标准迈进,开始重视质量控制与工艺评价技术。因此,全面实施工艺质量控制与评价技术具有重要意义。
　　本论文以半导体生产过程中多品种小批量生产过程及多变量生产工艺为主要研究对象,以理论分析及计算机模拟仿真为手段,利用 self-starting技术、多元数值积分与极大似然估计等,研究了多品种小批量生产过程中,工艺参数均值和标准偏差的监控,以及如何对多变量生产过程的产品质量和工艺进行评价。本论文同时介绍了基于截尾样本分析供应商所提供的产品质量的方法。本文的研究成果有助于提高产品质量,减少质量缺陷,对提高企业的市场竞争力具有深远的意义。本论文的主要研究内容包括:
　　1).分析了在多品种小批量生产模式下,实施质量过程控制技术所面对的困难。创新性地提出了多品种生产模式下的质量控制方法——T-K控制图技术,用于检测工艺参数母体均值及标准偏差的波动。该控制图采用一种对样本量要求不高的方法,基于采集的每批样本数据,计算 T、K统计量,使得 T、K统计量各自相互独立且服从相同分布。该技术具有 self-starting特点,无需经历分析用控制图阶段估计母体的分布参数,尤其是 T控制图的建立过程与母体标准偏差无关。即便在母体分布参数未知的情况下,只要样本数据达到2批,T-K控制图即可对多品种小批量生产过程实施质量控制。
　　2).从 SPC技术的基本原理出发点,讨论了控制图性能的衡量方法。对平均运行长度的概念、意义及计算方法做出简单介绍。其次对 T控制图及 K控制图的 ARL性能进行了分析。而后分析了 self-starting控制图的缺陷,并提出了一种优化方法用于改进具有自启动特点的控制图的 ARL性能。结果表明,改进后的 Q控制图以及 T-K控制图的 ARL性能均有明显提升。
　　3).以单变量工艺为核心简要介绍单变量工序能力指数与工艺成品率的关系,并结合6σ设计评价思路对常规 Cpk计算方式进行了改进,提出了一种与成品率具有一一对应关系的等效工序能力指数 ECpk。之后沿用这一思想引出基于成品率的多变量工序能力指数 MECpk的概念及计算方法,并分析了协方差矩阵对多变量工艺成品率的影响,提出了一种提升工艺成品率的解决思路。最后通过实例详述了多变量工序能力指数的计算过程,通过与其他多变量工序能力指数评价结果对比,验证了 MECpk指数的有效性。
　　4).成品率反映了产品的内在质量和可靠性。从购买者的角度出发,介绍了如何利用产品特性参数的截尾样本数据来评价供应商所提供产品的质量;提出了利用服从截尾正态分布的样本数据推测产品成品率的方法,该方法同时适用于单侧及双侧截尾情况;定量分析了成品率计算结果的置信区间,进而给出了该方法对样本容量的要求。同时,结合半导体产品的实际测试数据介绍了基于截尾数据推测成品率的步骤,并验证了算法有效性。
　　5).此外,在本课题的研究基础上,开发了质量控制与评价软件系统。该软件包含了质量过程控制与工艺评价功能,涵盖了多种控制图技术和工序能力指数计算方法,而且具有本文所提出的多变量工序能力指数计算模块。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展和现状

1.3 本文的研究内容及作者的主要工作

第二章 过程控制与工艺评价的原理

2.1 统计过程控制概述

2.2 工序能力指数概述

2.3 小结

第三章 多品种小批量生产环境的质量控制

3.1 引言

3.2 多品种小批量生产过程均值监控

3.3 多品种小批量生产过程标准偏差监控

3.4 常规多品种控制图与 T-K 控制图对比

3.5 T-K 控制图应用示例

3.6 小结

第四章 T-K 控制图性能分析

4.1 平均运行长度

4.2 T 控制图性能分析

4.3 K 控制图性能分析

4.4 Self-Starting 控制图的优化

4.5 小结

第五章 基于成品率的多变量工序能力指数

5.1 引言

5.2 工序能力指数与成品率的关系

5.3 基于 6σ 策略的等效工序能力指数

5.4 多变量工序能力指数 MECpk

5.5 相关系数对多变量工艺成品率的影响

5.6 小结

第六章 基于截尾样本的产品成品率分析

6.1 引言

6.2 截尾正态分布的参数估计

6.3 Fisher 信息矩阵与置信区间

6.4 小结

第七章 质量控制与评价系统

7.1 质量控制与评价系统简介

7.2 软件界面形式

第八章 全文总结

8.1 本文的主要贡献

8.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

附录 A