0 引言

　　如何實(shí)現(xiàn)工藝穩(wěn)定，GaAs微波功率器件，是生產(chǎn)出性能穩(wěn)定一致的GaAs工藝線從研制向小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變階段所面對的首要問題。GaAs微波功率器件的生產(chǎn)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的工藝過程，包含各種有源器件和電容電阻等無源器件的制備及光刻、金屬化、腐蝕和鈍化等各種工序的互相協(xié)作，其中任何一個(gè)細(xì)微的環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都將會(huì)影響到產(chǎn)品的最終性能。如此復(fù)雜而精細(xì)的工藝，靠傳統(tǒng)的工藝臺(tái)帳和工藝流程卡的形式來實(shí)現(xiàn)工藝控制是非常困難的。

　　目前，許多大型的半導(dǎo)體生產(chǎn)線采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)(CAM)和統(tǒng)計(jì)過程控制方法(SPC)。1987年，Motorola公司創(chuàng)建了SPC質(zhì)量管理體系，并全力應(yīng)用到公司的各個(gè)方面。從1987年開始實(shí)施SPC到1999年，公司生產(chǎn)率平均每年提高12.3%，由于質(zhì)量缺陷造成的費(fèi)用消耗減少84%，控制流程失誤降低99.7%，節(jié)約制造費(fèi)用總計(jì)超過110億美元，由此可見其先進(jìn)性和影響力。

　　然而，在以課題研究為主要工作內(nèi)容的研究所工藝線中，CAM和SPC技術(shù)多年來一直無法貫徹應(yīng)用;近幾年，隨著工藝線從研究向著小批量生產(chǎn)的過渡，傳統(tǒng)的工作模式并不能夠滿足工藝生產(chǎn)控制的需要。在此情況下，作者及其同事將CAM和SPC引入到工藝線中，并進(jìn)行修改和調(diào)整，使其能夠適應(yīng)當(dāng)前工藝線多品種小批量生產(chǎn)的需要。

　　1 CAM和SPC技術(shù)

　　CAM技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的，是當(dāng)前世界上流行的生產(chǎn)管理技術(shù)，為國內(nèi)外大型半導(dǎo)體工藝線所廣泛應(yīng)用。一套完整的CAM系統(tǒng)的硬件部分由服務(wù)器、客戶端機(jī)和局域網(wǎng)3部分構(gòu)成;軟件部分由數(shù)據(jù)庫和客戶端組成。數(shù)據(jù)庫安裝在服務(wù)器中，是CAM系統(tǒng)的核心;安裝有客戶端的計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的輸入輸出工作，并通過局域網(wǎng)與服務(wù)器進(jìn)行通訊。

　　SPC是針對工藝過程統(tǒng)計(jì)受控的要求發(fā)展起來的，利用統(tǒng)計(jì)分析理論，將連續(xù)采集的大量工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息，以確認(rèn)、改善或糾正工藝過程特性，保證產(chǎn)品質(zhì)量、成品率和可靠性，具有預(yù)警、診斷和調(diào)整的功能。SPC最簡單的應(yīng)用就是均值控制圖，該原理在許多統(tǒng)計(jì)學(xué)書籍和文章中均有介紹，本文主要介紹具體應(yīng)用。

　　以CAM為載體來實(shí)現(xiàn)SPC方法的技術(shù)是近年來隨著信息技術(shù)的提高發(fā)展起來的，相比傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理方式，具有強(qiáng)有力的處理和分析問題的能力，同時(shí)還具有反應(yīng)迅速、使用方便、界面直觀和穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

　　2 CAM和SPC技術(shù)的引入和應(yīng)用

　　2.1 CAM技術(shù)的引入和應(yīng)用

　　通過學(xué)習(xí)借鑒國內(nèi)外工藝線CAM系統(tǒng)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工藝線的實(shí)際特點(diǎn)，作者及其同事開發(fā)出了適應(yīng)其工藝線的CAM系統(tǒng)，稱為流片信息(WI)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)的信息化管理。在WI系統(tǒng)中，建立有原材料庫、工藝模塊庫、工藝流程庫和產(chǎn)品庫4個(gè)主要部分。原材料庫內(nèi)存儲(chǔ)所有外延材料的基本信息;工藝模塊庫中建立有各個(gè)工藝模塊的操作程序和參數(shù)指標(biāo);工藝流程庫由工藝模塊組成，為某產(chǎn)品所要經(jīng)歷的具體流程;產(chǎn)品庫內(nèi)存儲(chǔ)所有產(chǎn)品的基本信息。各部分之間的關(guān)系和運(yùn)行模式如圖1所示。

　　圖1 Wl系統(tǒng)的架構(gòu)和運(yùn)行模式

　　在圖1所示的架構(gòu)中，最主要的部分為工藝流程庫，這也是WI系統(tǒng)的核心。圖2為工藝流程庫，它由各種針對不同工藝的工藝流程所組成的，每個(gè)工藝流程可以分為以下幾個(gè)層次，從低級到高級依次為：工藝小步、工藝步驟、工藝模塊和工藝流程。其中工藝小步為WI系統(tǒng)中的最小結(jié)構(gòu)單元，含有需要進(jìn)行測量分析的所有工藝參數(shù)。

　　圖2 工藝流程庫的組成

　　在收到流片申請之后，負(fù)責(zé)流片的工程師首先選擇合適的材料，并編寫選擇相應(yīng)的工藝流程，進(jìn)行流片。在圖3所示的操作員終端界面中，可以看到當(dāng)前所有產(chǎn)品的流片狀況，方便進(jìn)行工藝生產(chǎn)的管理和控制。在每步工藝開始之前，該工藝操作人員利用操作員終端界面進(jìn)入系統(tǒng)，查看工藝流程中所定義的工藝條件，并按照該條件作業(yè)，實(shí)現(xiàn)工藝指導(dǎo)書的功能;在各工藝完成后，操作人員將工藝結(jié)果和測試結(jié)果輸入到WI中，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的記錄;WI具有歷史查詢功能，包含兩個(gè)方面：工藝流程的邏輯查詢和工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)查詢，前者主要用于工藝線的生產(chǎn)管理和流片安排，后者主要用于查看流片結(jié)果和數(shù)據(jù)分析。在圖4所示的WI參數(shù)歷史查詢界面中，右側(cè)列出具體的參數(shù)名稱，左側(cè)為查詢條件，工程師可以根據(jù)自己的需要設(shè)置查詢條件進(jìn)行查詢，查詢結(jié)果可以輸出為Excel格式。

　　圖3 WI操作員終端界面

　　圖4 WI的參數(shù)歷史查詢界面

　　通過上述的流程，作者所設(shè)計(jì)的WI實(shí)現(xiàn)了三個(gè)基本功能：工藝指導(dǎo)書、參數(shù)記錄和提取、生產(chǎn)流程管理和歷史查詢。上述功能的實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)⒄麠l工藝線的運(yùn)作通過WI來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的查詢和分析，大大提高了工作效率，促進(jìn)了工藝線的穩(wěn)定和發(fā)展。

　　2.2 SPC方法的實(shí)現(xiàn)

　　據(jù)上文所述，WI軟件系統(tǒng)中可以提取出大量的測試結(jié)果參數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對這些參數(shù)進(jìn)行分析處理，從而獲得具有指導(dǎo)意義的信息，是SPC方法的核心。通過查閱國內(nèi)外有關(guān)資料，咨詢數(shù)據(jù)處理方面的專家，學(xué)習(xí)成熟的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合具體工藝的實(shí)際情況，不斷地進(jìn)行總結(jié)和調(diào)整，最終形成了以下解決方案。

　　首先，選擇了制作直觀易懂的柵凹槽腐蝕電流()SPC均值控制圖，如圖5所示，圖中為片號。該類型控制圖含有幾組不同的控制限，其中LSL，USL以及TGT為規(guī)范限，一般為客戶要求的規(guī)范(或工藝內(nèi)部規(guī)范);LCL，UCL以及AVE為控制限，是使用當(dāng)前的數(shù)據(jù)根據(jù)35(標(biāo)準(zhǔn)偏差)的方法計(jì)算得到的。

　　圖5 柵凹槽腐蝕電流典型均值控制圖

　　在獲得SPC控制圖之后，根據(jù)具體圖形對工藝進(jìn)行監(jiān)控。正常的SPC控制圖各點(diǎn)應(yīng)以目標(biāo)值TGT為中心，在規(guī)范限的限制范圍內(nèi)，無規(guī)律地上下波動(dòng)，如圖5所示。如果出現(xiàn)異常，就需要進(jìn)行分析判斷，找出原因進(jìn)行調(diào)整。

　　圖6所示為n+凹槽腐蝕電流()的SPC控制圖，可以看出有一個(gè)點(diǎn)A超出了規(guī)范限。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)立刻停止工藝，分析原因，安排工藝實(shí)驗(yàn)，對工藝條件或者測試條件進(jìn)行修正，最終使該工藝后續(xù)的結(jié)果在規(guī)范限之內(nèi)，此為SPC控制圖的基本判斷功能。

　　圖6 n+凹槽腐蝕電流控制圖(A點(diǎn)超出規(guī)范限)

　　如果SPC的控制圖上連續(xù)7個(gè)點(diǎn)都在目標(biāo)值的同側(cè)，如圖7所示，說明當(dāng)前工藝狀態(tài)有所漂移，必須引起注意，立即分析原因并進(jìn)行調(diào)整，使后續(xù)的測試結(jié)果以目標(biāo)值為中心上下波動(dòng)，這就是運(yùn)用了SPC控制圖的預(yù)警功能，以避免出現(xiàn)更為嚴(yán)重的問題。

　　圖7 連續(xù)7點(diǎn)在目標(biāo)值同側(cè)的控制圖

　　還有一種情況，如果控制圖上的點(diǎn)呈現(xiàn)出規(guī)律波動(dòng)的形態(tài)，也應(yīng)當(dāng)引起注意。這種情況一般是由于不同的操作人員或者設(shè)備等外圍因素引起的，例如不同操作人員操作習(xí)慣不同，或者不同時(shí)間段的環(huán)境影響而導(dǎo)致參數(shù)結(jié)果有變化，需要對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，以保持工藝的一致性。

　　通過分析控制圖，可以對工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。圖8所示為一段時(shí)間內(nèi)某電流測試結(jié)果的曲線圖，可以看到之前的點(diǎn)浮動(dòng)范圍較大，對器件的最終測試結(jié)果影響很大。于是作者對工藝進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整了工藝條件，使腐蝕后電流的一致性大為提高，從而大大提高了成品率。之后，作者又對規(guī)范限及時(shí)地進(jìn)行了調(diào)整，使其符合工藝調(diào)整后的標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖8 利用控制圖對工藝規(guī)范限調(diào)整的結(jié)果

　　均值控制圖作為SPC方法的基本工具，在監(jiān)控工藝線的統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)方面發(fā)揮著重要作用。通過實(shí)施和推廣SPC方法，可以清楚地了解各工藝的受控狀況，將可能出現(xiàn)的失誤減小到最低程度，從而提高工藝質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

　　隨著工藝控制的進(jìn)一步深入，單獨(dú)的SPC均值控制圖已經(jīng)不能滿足工藝的需要，這時(shí)可以引入極差控制圖來監(jiān)控片內(nèi)偏差，這樣就構(gòu)成了均值一極差控制圖。同時(shí)，還可以進(jìn)行工藝能力指數(shù)的計(jì)算。

　　3 結(jié)語

　　通過CAM技術(shù)的引入，作者及其同事基本完成了工藝線生產(chǎn)管理的信息化建設(shè)，同時(shí)以其為載體，實(shí)現(xiàn)了工藝線的SPC控制。這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，極大提高了處理和分析數(shù)據(jù)的效率，大大縮短了對于工藝異常的反應(yīng)時(shí)間，有力地促進(jìn)了工藝的穩(wěn)定和發(fā)展，為今后高效率寬帶GaAs微波功率單片的突破提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　隨著工藝水平的不斷進(jìn)步，作者及其同事將進(jìn)一步完善CAM技術(shù)，更深層次、更廣泛地應(yīng)用SPC方法，從而為高效率寬帶GaAs微波功率單片的持續(xù)穩(wěn)定供貨提供強(qiáng)有力的保證。