虛擬計(jì)量在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

閆雁楠

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100080）

隨著“智能制造、智能生產(chǎn)”的提出，互聯(lián)逐漸成為生產(chǎn)的核心手段，計(jì)量測(cè)試成為提升工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)。半導(dǎo)體作為電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要支持力量，是智能制造的重要產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體晶圓的生產(chǎn)由擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長(zhǎng)、拋光、金屬化等7個(gè)工藝組成，其主要的生產(chǎn)區(qū)和相關(guān)步驟以及測(cè)量等都是晶圓潔凈廠房進(jìn)行的，在這幾個(gè)生產(chǎn)區(qū)都放置有若干種半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備，滿足生產(chǎn)過(guò)程的需要。為了讓半導(dǎo)體生產(chǎn)更加滿足智能制造需求，需要把一切測(cè)試信息進(jìn)行綜合采集、綜合分析并加以綜合運(yùn)用，在運(yùn)用的過(guò)程中再進(jìn)行新的采集、分析及應(yīng)用，加之半導(dǎo)體生產(chǎn)成本高，近年來(lái)對(duì)半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控提出了更高的要求，因此，虛擬計(jì)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 虛擬計(jì)量概念

虛擬計(jì)量是一種基于數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)計(jì)量方法，它可以根據(jù)輸入的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、優(yōu)選的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的預(yù)測(cè)算法進(jìn)行智能計(jì)算，得到的虛擬計(jì)量輸出結(jié)果可用于對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)或數(shù)量的計(jì)算[1]。虛擬計(jì)量可以使產(chǎn)品控制無(wú)需額外的實(shí)際計(jì)量，合理利用歷史數(shù)據(jù)可增強(qiáng)虛擬計(jì)量模型的真實(shí)性和可靠性。

2 虛擬計(jì)量在半導(dǎo)體中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

半導(dǎo)體生產(chǎn)成本高，工序復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，虛擬計(jì)量的出現(xiàn)，很好地解決了成本和周期的問(wèn)題。其具體體現(xiàn)在對(duì)資本支出和運(yùn)行周期上所節(jié)省的費(fèi)用，后者的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)將虛擬計(jì)量作為智能計(jì)量和智能取樣的一部分進(jìn)行。在這種情況下，虛擬計(jì)量能夠預(yù)測(cè)什么和多少樣本以獲得所需的結(jié)果，其他優(yōu)勢(shì)包括增強(qiáng)運(yùn)行到運(yùn)行（R2R）控制，以及對(duì)無(wú)法直接測(cè)量或進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的量的預(yù)測(cè)。

2.1 半導(dǎo)體生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的指導(dǎo)作用

半導(dǎo)體制造業(yè)是一個(gè)大規(guī)模的多級(jí)制造系統(tǒng)，為了保證晶圓的高穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，需要對(duì)晶圓進(jìn)行可靠的在線監(jiān)測(cè)。虛擬計(jì)量利用工藝和晶圓狀態(tài)信息預(yù)測(cè)可測(cè)量或不可測(cè)量的計(jì)量變量。它包括對(duì)計(jì)量輸出（物理測(cè)量）的一些預(yù)測(cè)和校正模型的定義和應(yīng)用，這些模型與之前的計(jì)量輸出以及當(dāng)前及之前制造步驟的設(shè)備參數(shù)有關(guān)，在半導(dǎo)體制造各過(guò)程中的應(yīng)用虛擬計(jì)量模型的方法已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[2]。

半導(dǎo)體領(lǐng)域生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)一般應(yīng)用于故障檢測(cè)分類、智能取樣、工藝及過(guò)程控制。

2.1.1 故障檢測(cè)分類與智能取樣

半導(dǎo)體行業(yè)制造工藝過(guò)程達(dá)數(shù)百個(gè)，如果故障晶圓是在早期階段生產(chǎn)，但在最后一刻檢測(cè)到，會(huì)造成不必要的資源消耗，因此在每一個(gè)過(guò)程之后測(cè)量每一個(gè)晶圓的質(zhì)量可以節(jié)省資源。但若增加額外的測(cè)量過(guò)程會(huì)明顯增加總生產(chǎn)時(shí)間，在這種情況下，提出了故障檢測(cè)與分類系統(tǒng)，進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程優(yōu)化。故障檢測(cè)與分類系統(tǒng)為每個(gè)過(guò)程運(yùn)行收集設(shè)備數(shù)據(jù)，這些大量的數(shù)據(jù)可以用于虛擬計(jì)量。然后，每個(gè)過(guò)程獲得的虛擬計(jì)量數(shù)據(jù)可用于反饋控制方案，來(lái)為每個(gè)產(chǎn)品提供批次控制。這樣通過(guò)檢測(cè)部分樣品晶圓作為產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)工具的計(jì)量，可以提高工藝設(shè)備的可靠性，同時(shí)優(yōu)化維護(hù)頻率，增加設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)保證半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的高穩(wěn)定性和高成品率[3]。Bertorelle N[4]也研究了通過(guò)虛擬計(jì)量技術(shù)來(lái)估計(jì)缺失的計(jì)量數(shù)據(jù)的方法。其通過(guò)在生產(chǎn)站取樣檢查的方法，來(lái)減少計(jì)量頻率，以減少計(jì)量站的前期成本和與計(jì)量所需時(shí)間有關(guān)的產(chǎn)量損失。

Kim D 等人[5]采用了七種不同的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新穎性檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)故障晶片。利用故障檢測(cè)和分類數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，以檢測(cè)具有錯(cuò)誤計(jì)量值的晶片,在工廠收集的實(shí)際半導(dǎo)體制造數(shù)據(jù)的150多個(gè)輸入變量進(jìn)行測(cè)試，采用了三種不同的降維方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較高的真陽(yáng)性率。

Jebri M A 等[6]針對(duì)半導(dǎo)體制造過(guò)程中由于測(cè)量采樣方法而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)方法，并將其應(yīng)用于化學(xué)工藝中，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)虛擬計(jì)量模塊來(lái)估計(jì)非測(cè)量變量，并且通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

2.1.2 工藝控制

化學(xué)氣相沉積（CVD）作為半導(dǎo)體實(shí)際制造過(guò)程的重要工藝，可以使用基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的虛擬計(jì)量方案，該方案能夠使用來(lái)自生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)生產(chǎn)晶圓的質(zhì)量，進(jìn)而驗(yàn)證了所提出的虛擬計(jì)量方案的有效性[7]。Olson K等[8]采用自適應(yīng)建模方法，檢測(cè)化學(xué)氣相沉積工藝中的晶圓厚度，通過(guò)將過(guò)程故障檢測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以確定虛擬計(jì)量在半導(dǎo)體制造環(huán)境中是否可行。結(jié)果表明，模型的自適應(yīng)部分使得模型對(duì)過(guò)程特性的偏移具有魯棒性，模型的魯棒性可以通過(guò)利用多種自適應(yīng)技術(shù)來(lái)提高。

半導(dǎo)體刻蝕工藝中可以采用基于各種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的虛擬計(jì)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬計(jì)量系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)測(cè)量結(jié)果，而且能以合理的置信度檢測(cè)出可能的故障晶圓。在實(shí)際干法刻蝕過(guò)程中，可以采用局部加權(quán)偏最小二乘法（LW-PLS）建立虛擬計(jì)量模型進(jìn)行刻蝕轉(zhuǎn)化率的預(yù)測(cè)，有結(jié)果表明，基于LW-PLS的虛擬計(jì)量?jī)?yōu)于基于序貫更新模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的傳統(tǒng)虛擬計(jì)量。特別是已經(jīng)證實(shí)，基于LW-PLS的虛擬計(jì)量即使在更換零件之后也能保持較高的預(yù)測(cè)性能[9]。在鑄造生產(chǎn)環(huán)境下的淺溝槽沉積中，驗(yàn)證了虛擬計(jì)量關(guān)聯(lián)模型，在使用500多個(gè)晶圓的數(shù)據(jù)后可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)指數(shù)R2>0.97，在淺溝槽溝道刻蝕深度上得到R2>0.98也驗(yàn)證了虛擬計(jì)量能力的有效性[10]。Koitzsch M 等[11]介紹了將虛擬計(jì)量的算法應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)等離子體刻蝕工具的投資評(píng)估，開(kāi)發(fā)了離散事件仿真模型，為電子表格計(jì)算生成相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)化的失效模式和影響分析方法識(shí)別和評(píng)估了實(shí)施虛擬計(jì)量可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

在化學(xué)機(jī)械拋光中，材料去除率是比較重要的性能指標(biāo)。Yuan D等[12]提出了一種基于集成模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的材料去除率預(yù)測(cè)算法，該方法結(jié)合物理機(jī)制和最近鄰的影響，提取相關(guān)特征，然后將這些特征輸入到多元回歸模型中，綜合得到最終結(jié)果。通過(guò)PHM 2016數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)集對(duì)該方法進(jìn)行了評(píng)估，證實(shí)該方法的強(qiáng)穩(wěn)定性。

物理氣相沉積中提出了一種基于樹(shù)系綜模型相結(jié)合的虛擬計(jì)量方法，其目的是為了提高半導(dǎo)體晶圓虛擬計(jì)量的精度，克服晶圓驗(yàn)收測(cè)試中的物理計(jì)量延遲問(wèn)題。通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體晶圓參數(shù)進(jìn)行在線虛擬計(jì)量，采用超參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行模型優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程偏差的實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)果表明，在物理氣相沉積過(guò)程中，采用基于樹(shù)的集成模型組合進(jìn)行電阻率測(cè)量的結(jié)果最優(yōu)[13]。

2.1.3 過(guò)程控制

隨著半導(dǎo)體器件尺寸的縮小以及不斷增加的半導(dǎo)體制造過(guò)程的復(fù)雜性，使得半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)需要更嚴(yán)格的過(guò)程控制。批次級(jí)過(guò)程控制在工廠中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在關(guān)鍵階段需要實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的控制。應(yīng)用虛擬計(jì)量技術(shù)可以縮短工藝、測(cè)量和進(jìn)行改正之間的時(shí)間間隔。在現(xiàn)有的晶圓制造設(shè)備中，可以收集到大量的歷史數(shù)據(jù)，如功率、溫度和流量等。在設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和晶圓結(jié)果之間能夠建立具體的相關(guān)性，可以快速實(shí)現(xiàn)從批次級(jí)到晶圓級(jí)的過(guò)程控制[14]。Olson K等[15]采用自適應(yīng)建模方法，可以通過(guò)提供數(shù)據(jù)來(lái)支持虛擬計(jì)量模型更智能的策略，實(shí)現(xiàn)了從批次級(jí)到晶圓級(jí)的運(yùn)行控制，提高了生產(chǎn)效率并降低了成本。Khan A A 等[16]介紹了實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)運(yùn)行控制的虛擬計(jì)量方法，使得虛擬計(jì)量成為工廠范圍內(nèi)用于晶圓級(jí)運(yùn)行控制的先進(jìn)過(guò)程控制解決方案的組成部分。

Chang Y J等[17]針對(duì)半導(dǎo)體工藝在本質(zhì)上存在的不可避免的穩(wěn)態(tài)漂移，提出了具有線性漂移過(guò)程的虛擬計(jì)量系統(tǒng)，在以往計(jì)量測(cè)量的基礎(chǔ)上對(duì)過(guò)程結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。該系統(tǒng)由分段線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，這種設(shè)計(jì)可以接近線性漂移趨勢(shì)。此外，也可以利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)學(xué)習(xí)工藝配比對(duì)加工結(jié)果的影響。系統(tǒng)具有良好的泛化能力和性能，為計(jì)量預(yù)測(cè)提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

Abdullah M F等[18]研究了利用虛擬計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行顆粒污染測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)顆粒監(jiān)測(cè)儀，以監(jiān)測(cè)在半導(dǎo)體器件制造過(guò)程中檢測(cè)加工工具中的顆粒污染，結(jié)果表明，采用LM算法的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練和測(cè)試中的回歸效果最好，可以作為加工晶圓表面掃描的替代方法。

2.2 虛擬設(shè)備的模擬仿真作用

虛擬設(shè)備作為一個(gè)測(cè)試環(huán)境，用于評(píng)估虛擬計(jì)量算法，然后再將其實(shí)施到半導(dǎo)體制造過(guò)程中。虛擬設(shè)備將統(tǒng)計(jì)模擬與物理模擬相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)方法與物理仿真的雙向連接，為處理設(shè)備的各種常見(jiàn)和不常見(jiàn)狀態(tài)生成測(cè)試數(shù)據(jù)集，輸入有歷史晶圓廠數(shù)據(jù)和綜合生成的數(shù)據(jù)。虛擬設(shè)備能基于從過(guò)程工具中檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，在不進(jìn)行物理計(jì)量操作的情況下，推測(cè)生產(chǎn)工具制造產(chǎn)品質(zhì)量的方法。Mattes A等[19]已建立了基于CAD數(shù)據(jù)的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室的簡(jiǎn)化物理模擬模型。

臺(tái)灣奇美電子（CMO）[20]的第五代薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）工廠運(yùn)用了自動(dòng)虛擬計(jì)量系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)了虛擬計(jì)量的自動(dòng)化和工廠范圍內(nèi)的虛擬計(jì)量部署，用于化學(xué)氣相沉積工具虛擬計(jì)量模型的自動(dòng)更新。

3 虛擬計(jì)量在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用展望

虛擬計(jì)量已被國(guó)際SEMATECH制造倡議和國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)路線圖指定為半導(dǎo)體行業(yè)下一代工廠實(shí)現(xiàn)路線圖的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。智能制造的提出，促進(jìn)了半導(dǎo)體制造業(yè)向物理實(shí)體虛擬化和信息化方向發(fā)展，而虛擬計(jì)量在實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象與虛擬模型實(shí)時(shí)雙向映射中存在的巨大優(yōu)勢(shì)將會(huì)推動(dòng)其在智能制造方面擁有巨大應(yīng)用前景。虛擬計(jì)量的未來(lái)發(fā)展將從以下兩方面發(fā)展。

一方面，關(guān)于虛擬計(jì)量實(shí)現(xiàn)模型置信度的驗(yàn)證的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)逐步建立。由于虛擬計(jì)量依賴于計(jì)算機(jī)模型，而模型置信度是判斷模型是否合適的關(guān)鍵因素。由于半導(dǎo)體行業(yè)精度高，在進(jìn)行無(wú)法直接或無(wú)損測(cè)量方面的預(yù)測(cè)時(shí)，目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的或普遍接受的方法來(lái)驗(yàn)證或采用虛擬計(jì)量模型，或者傳遞模型的置信度。由于虛擬計(jì)量在預(yù)測(cè)實(shí)際計(jì)量學(xué)無(wú)法測(cè)量或驗(yàn)證的參數(shù)方面有重要作用，因此模型置信度的建立尤為關(guān)鍵。

另一方面，半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)精度要求高，采用多種計(jì)量方式的混合計(jì)量會(huì)得到廣泛應(yīng)用?；旌嫌?jì)量是對(duì)多種測(cè)量參數(shù)技術(shù)的補(bǔ)充，沒(méi)有一種儀器具有表征所有參數(shù)的能力、分辨率或滿足一定的不確定度，使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的儀器，將結(jié)果合并得到最終值，是半導(dǎo)體測(cè)量發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是虛擬計(jì)量發(fā)展的必然要求。