統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制在光刻工序中的應(yīng)用

宋玲玲

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

在微電子元器件生產(chǎn)質(zhì)量管理過(guò)程中，會(huì)應(yīng)用諸多技術(shù)和方法來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，其中，統(tǒng)計(jì)技術(shù)是很有價(jià)值的一類(lèi)方法，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品壽命周期的各階段和質(zhì)量管理體系的全過(guò)程[1]。從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，國(guó)際上元器件生產(chǎn)廠家已廣泛采用Cpk[2]、SPC和PPM等技術(shù)監(jiān)控生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，確保生產(chǎn)的元器件具有較高的質(zhì)量等級(jí)。隨著電子產(chǎn)品質(zhì)量水平迅速提高，20世紀(jì)90年代，國(guó)際上元器件產(chǎn)品失效率已降至FIT（非特）數(shù)量級(jí)[3]。

然而微電子元器件的生產(chǎn)制造要經(jīng)過(guò)諸多工藝步驟，如成膜、光刻、刻蝕、注入、擴(kuò)散等，為了既保證產(chǎn)品具有較高的質(zhì)量和可靠性，又不過(guò)多增加成本，普遍選擇對(duì)關(guān)鍵工序采用Cpk、SPC和PPM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行監(jiān)控。

Cpk（工藝能力評(píng)價(jià)）的目的是評(píng)價(jià)工藝線是否具備生產(chǎn)質(zhì)量好可靠性高的元器件所要求的工藝水平。目前國(guó)際上采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是生產(chǎn)線上關(guān)鍵工序的工序能力指數(shù)Cpk不小于1.5，認(rèn)為工藝線若達(dá)不到這一要求，很難保證生產(chǎn)出的元器件能滿(mǎn)足大型整機(jī)廠對(duì)元器件質(zhì)量和可靠性的要求。Cpk是過(guò)程能力指數(shù)，數(shù)值越大表示產(chǎn)品品質(zhì)越佳，通常任務(wù)Cpk大于1.33時(shí)，就說(shuō)明過(guò)程能力良好，狀態(tài)穩(wěn)定。

SPC（Statistical Process Control,統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制）在工藝過(guò)程統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)分析中被采用，用于計(jì)算和分析，確保生產(chǎn)線具較高的工藝能力，且日常生產(chǎn)過(guò)程中能一直保持這種高水平、受控的生產(chǎn)狀態(tài)，未出現(xiàn)異常情況，提供的元器件產(chǎn)品具有較高的質(zhì)量和可靠性。

PPM（Parts Per Million,百萬(wàn)分之幾）是元器件出廠平均質(zhì)量水平的考核，目前國(guó)際上采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是元器件企業(yè)每生產(chǎn)百萬(wàn)個(gè)產(chǎn)品機(jī)會(huì)缺陷數(shù)不大于3.4，則證明該產(chǎn)品的出廠不合格率PPM值已控制在比較低的水平。

2 光刻工藝原理及工序

在微電子元器件生產(chǎn)制造過(guò)程中，光刻工序是利用光學(xué)復(fù)制的方法把超小圖樣刻印到半導(dǎo)體薄片上[4]，即由投影光學(xué)系統(tǒng)和掩模版相結(jié)合，把光刻版上的圖形精確復(fù)印在涂有感光膠的介質(zhì)層上[5]，然后利用光刻膠的保護(hù)作用，進(jìn)行選擇性的刻蝕和注入等，得到與光刻版上相應(yīng)的表面圖形和元器件的縱向結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)光刻工序是工藝制程中非常關(guān)鍵的工序。圖1是硅片制造工藝流程簡(jiǎn)圖[6]。

圖1硅片制造工藝流程

光刻膠分為正性光刻膠和負(fù)性光刻膠兩種類(lèi)型。正膠曝光部分在顯影液中被溶解，沒(méi)有曝光的膠層留下；負(fù)膠曝光部分在顯影液中不溶解，而沒(méi)有曝光的膠層被溶解掉，均是通過(guò)曝光顯影將需要的圖形留下來(lái)。光刻的主要步驟有如下6個(gè)：

步驟1：硅片清洗

為增強(qiáng)硅片和光刻膠之間的粘附性，光刻前首先是清洗、脫水和硅片表面的底膜處理，通過(guò)濕法清洗去除沾污物，再通過(guò)烘干除去吸附在硅片表面的水汽，保持硅片表面清潔干燥。

步驟2：旋轉(zhuǎn)涂膠

硅片清洗后，利用涂膠設(shè)備，采用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法進(jìn)行光刻膠涂敷，根據(jù)不同的光刻膠特性和刻蝕工藝對(duì)光刻膠厚度的要求，選擇不同的涂敷條件，包括轉(zhuǎn)速、時(shí)間等。

步驟3：對(duì)準(zhǔn)和曝光

通過(guò)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記將掩膜版與涂了膠的硅片正確位置對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)行曝光，光能激活了光刻膠中的光敏成分，把掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的硅片上。

步驟4：顯影

光刻膠可溶解的區(qū)域被化學(xué)顯影劑溶解，將窗口圖形留在硅片表面，完成了圖形復(fù)制。

步驟5：固膠

固膠是顯影后的熱烘，提高光刻膠對(duì)硅片表面的粘附性。

步驟6：顯影后檢查

由于光刻工序可以返工，因此顯影后的檢查尤為重要，可以通過(guò)檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)光刻圖形的質(zhì)量，若有缺陷則去膠返工，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)技術(shù)流程

元器件生產(chǎn)過(guò)程繁雜，工序多、流程長(zhǎng)，要在元器件生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)，首先需要確定元器件生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定工藝參數(shù)和條件，對(duì)關(guān)鍵工序加以統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制，進(jìn)而開(kāi)展工序能力評(píng)價(jià)，具體元器件生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)的技術(shù)流程可分為7個(gè)步驟[7]，如圖2所示。

圖2元器件生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)技術(shù)流程圖

生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)主要針對(duì)關(guān)鍵工序。光刻涂膠工序涂膠質(zhì)量影響產(chǎn)品特征尺寸等關(guān)鍵參數(shù)，影響刻蝕質(zhì)量和注入精度，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，且涂膠厚度適用于測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，因此，特將涂膠工序確定為關(guān)鍵工序節(jié)點(diǎn)。質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)的具體步驟如下：

步驟1：確定關(guān)鍵工藝參數(shù)

光刻膠厚度既能反映關(guān)鍵工序狀態(tài)，又便于數(shù)據(jù)采集，適用于Cpk定量分析和SPC評(píng)價(jià)，可作為監(jiān)控光刻工序工藝水平是否處于受控狀態(tài)的依據(jù)，通過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)失控（或失控傾向），可以判斷出現(xiàn)的問(wèn)題并提出解決方案。

步驟2：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定滿(mǎn)足刻蝕、注入等下道工序要求的光刻膠厚度，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速、溫度、時(shí)間等條件，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

步驟3：工藝條件的優(yōu)化確定

針對(duì)不同的光刻設(shè)備或光刻膠品種，進(jìn)行工藝調(diào)試，優(yōu)化涂膠機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、時(shí)間等參數(shù)，保證最佳條件。

步驟4：工藝參數(shù)數(shù)據(jù)的采集

統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是“數(shù)據(jù)”[8]，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的要求，涂膠工序采集的是片內(nèi)上、中、下、左、右五點(diǎn)的厚度，通過(guò)數(shù)據(jù)積累，分析片內(nèi)和片間數(shù)據(jù)的一致性。

步驟5：工序能力評(píng)價(jià)（Cpk）技術(shù)

統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)需要對(duì)工藝達(dá)到的實(shí)際水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，目前國(guó)際上對(duì)現(xiàn)代電子工業(yè)生產(chǎn)工序能力指數(shù)要求的是實(shí)際工序能力指數(shù)Cpk不小于1.5，國(guó)內(nèi)可靠性增長(zhǎng)工程攻關(guān)對(duì)于工序能力指數(shù)的一般要求為Cpk不低于1.33[9]。

步驟6：統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)

生產(chǎn)線日常生產(chǎn)中，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析，判斷生產(chǎn)線是否一直處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)、是否具備較高的工藝能力、是否可生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

步驟7：統(tǒng)計(jì)分析工具的應(yīng)用

如果通過(guò)SPC發(fā)現(xiàn)工藝出現(xiàn)失控或者失控傾向，可通過(guò)查找原因，采取相應(yīng)措施，使工藝盡快恢復(fù)，達(dá)到統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。

4 對(duì)光刻工序的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述理論，列舉了在光刻涂膠工序應(yīng)用統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)技術(shù)的結(jié)果。試驗(yàn)采用的設(shè)備是DUNA700涂膠機(jī)，分別選用6812型和1813型兩種光刻膠，每天采集涂敷硅片內(nèi)上、中、下、左、右五點(diǎn)光刻膠厚度數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)積累和分析，涂膠工序的工序能力Cpk大于1.5目標(biāo)值，標(biāo)準(zhǔn)差符合正態(tài)分布，長(zhǎng)期處于受控狀態(tài)，即硅片涂膠片內(nèi)均勻性較好，涂膠厚度滿(mǎn)足工藝要求。

以下分別截取月度和半年試驗(yàn)數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)結(jié)論予以說(shuō)明：

(1)月度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

變量類(lèi)型：6812型光刻膠厚度

目標(biāo)值：12100埃

數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：155 共31組，每組5個(gè)

數(shù)據(jù)均值：12159.8 標(biāo)準(zhǔn)偏差：169.8

正態(tài)分布擬合：成功！

實(shí)際工序能力指數(shù)（Cpk）：1.67

光刻工序涂膠實(shí)施SPC結(jié)果：光刻工序涂膠厚度SPC控制圖受控。

實(shí)際工序能力（Cpk）評(píng)價(jià)結(jié)果：光刻工序涂膠厚度實(shí)際Cpk為1.67，大于1.5目標(biāo)值，達(dá)到要求。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析如圖3。

圖3月度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析圖

(4)半年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

變量類(lèi)型：1813型光刻膠厚度

目標(biāo)值：13000埃

數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：650 共130組，每組5個(gè)

數(shù)據(jù)均值：13162 標(biāo)準(zhǔn)偏差：289.5

正態(tài)分布擬合：成功！

實(shí)際工序能力指數(shù)（Cpk）：1.66

光刻工序涂膠實(shí)施SPC結(jié)果：光刻工序涂膠厚度SPC控制圖受控。

實(shí)際工序能力（Cpk）評(píng)價(jià)結(jié)果：光刻工序涂膠厚度實(shí)際Cpk為1.66，大于1.5目標(biāo)值，達(dá)到要求。

半年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析如圖4。

圖4半年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析圖

如圖可見(jiàn)，子組102和107出現(xiàn)單點(diǎn)偏差超限報(bào)警。此時(shí)根據(jù)報(bào)警結(jié)果進(jìn)行原因分析，查找問(wèn)題。

子組102內(nèi)部極差超限報(bào)警后，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是由于操作人員涂膠前未清洗膠嘴，操作不當(dāng)導(dǎo)致，對(duì)存在膠棱的硅片及時(shí)返工，并強(qiáng)化對(duì)操作規(guī)范的培訓(xùn)，制定了懲罰措施，自此杜絕了上述情況導(dǎo)致返工，提升了生產(chǎn)線的管理水平，降低了返工成本。

子組107單點(diǎn)測(cè)試膜厚數(shù)據(jù)超限報(bào)警后，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是因新入職操作人員對(duì)膜厚測(cè)試儀使用不熟練導(dǎo)致，重新測(cè)試未發(fā)現(xiàn)超差數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)新入職人員進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)，并制定新入職員工培訓(xùn)和師徒結(jié)對(duì)等相關(guān)規(guī)定，自此再未出現(xiàn)上述情況導(dǎo)致的超限報(bào)警，生產(chǎn)線管理水平進(jìn)一步提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制在微電子元器件制造工藝中的應(yīng)用，對(duì)工藝控制有一定的指導(dǎo)作用，能夠?qū)﹃P(guān)鍵工序生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)提升生產(chǎn)線管理水平和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。