集成电路制造技术与实践 课件 第15章 品质认证及智慧制造系统

第15章品质认证及智慧制造系统15.1集成电路FAB品质认证体系15.2集成电路FAB结构及设计简介15.3集成电路FAB智慧制造系统本章小结

15.1集成电路FAB品质认证体系

15.1.1ISO9001质量管理体系标准简介

ISO9001是由全球第一个质量管理体系标准BS5750转化而来的，于1987年首发。它为总体管理体系设立了标准，帮助各类组织通过客户满意度的提升、员工积极性的提高来获得成功。

15.1.2IATF16949汽车质量管理体系标准简介

1.统计过程控制

统计过程控制(statisticalprocesscontrol，SPC)是一种制造控制方法，实施过程主要包括三个部分：首先是针对生产中的控制项目的特性收集相关数据；其次是通过各种数据分析发掘过程中的异常；最后采取改善措施，使生产中的控制项目恢复正常。

控制项目的特性分为计数型和计量型，最终的SPC图表也分为计数型图表和计量型图表。常用的计量型图表通过单值、均值、中位数与移动极差、标准差、极差相互搭配形成双图表控制的形式来表现控制项目的波动情况。

2.测量系统分析

测量系统分析(measurementsystemanalysis，MSA)用数理统计分析和图表展示的方法，对测量系统的误差进行分析，进而评估测量系统的综合误差是否满足要求，并分析测量系统误差产生的原因，最终保证测量系统处于稳定的受控状态，保证测量结果的准确性，夯实产品量测结果的可靠性。MSA依据监控对象的特性分为计数型和计量型。计数型MSA采用大样法，着重关注一致性；而计量型MSA关注五性(重复性、再现性、线性、偏倚性以及稳定性)。MSA主要分析量测过程中的人员、机器、环境、测量对象、测量方法对量测结果的影响。

3.失效模式与影响分析

失效模式与影响分析(failuremodeandeffectsanalysis，FMEA)是一种风险评估工具。FMEA是在产品设计阶段和过程设计阶段，对构成产品的子系统、组成部件，以及对构成过程的各个工序逐一进行分析，找出所有潜在的失效模式，并分析其可能的后果，从而预先采取必要的措施，以提高产品的质量和可靠性的一种系统化的活动。简而言之，FMEA是在设计阶段预想产品生产过程中的各个方面可能发生的异常，然后根据异常采取预防措施的活动。

4.产品质量先期策划

产品质量先期策划(advancedproductqualityplanning，APQP)是IATF16949体系中的重要部分，贯穿整个产品开发过程。它是一种产品开发的结构化方法，用来定义和执行为确保产品满足顾客需求所必需的活动。APQP包括五个阶段的内容：计划和确定项目阶段、产品设计和开发阶段、过程设计和开发阶段、产品与过程确认阶段，以及反馈、评定和纠正措施阶段。APQP由一系列的表单组成，记录产品开发的整个过程，一般在有新产品开发或产品变更的时候实施。APQP的好处是减少工程变更的次数，在产品研发初期识别设计缺陷；对产品进行持续改进，延长使用寿命。

5.生产件批准程序

生产件批准程序(productionpartapprovalprocess，PPAP)规定了包括生产材料和散装材料在内的生产件批准的一般要求。它用来确定供方是否已经正确理解顾客工程设计记录和规范的所有要求，并且在执行所要求的生产节拍条件下的实际生产过程中，具有持续满足这些要求的潜能。

15.2集成电路FAB结构及设计简介15.2.1FAB结构

1.FAB的空间布局

FAB的空间布局大致可以分为以下四个区域：(1)洁净区：包括生产车间、洁净室、设备间等。洁净区需要保持高度洁净，以避免尘埃、微生物等污染物对半导体制造过程的影响。(2)辅助区：包括纯水、气体、化学品，以及电力系统、空调系统、废水废气处理系统、真空系统、冷却水系统等辅助设施，为洁净区提供必要的支持和保障。(3)办公区：管理人员的办公区域，通常与洁净区有一定的隔离。(4)仓储区：存放原材料、半成品、成品等物品的区域，需要进行严格的库存管理。

2.自动物料搬送系统

8~12英寸FAB通常会设置自动物料搬送系统，其主要用途如下。

(1)物料运输：AMHS主要用于在洁净室内进行物料运输。它可以悬挂在预设的轨道上，并通过编程控制器实现精确的定位和移动，从而有效地将原材料、半成品或成品从一个位置运送到另一个位置。

(2)空中储存：AMHS可以用于在空中进行临时储存。在某些情况下，物料可以被悬挂在AMHS中，从而释放地面空间，提高生产效率。

(3)组织生产：通过编程控制和自动识别系统，AMHS能够按照生产计划自动完成多种工件的输送，有助于实现自动化生产。

(4)动态实现与自动认址：AMHS具有动态实现和自动认址功能，可以精确地定位到指定的位置，完成物料搬运任务。

15.2.2FAB设计

1.洁净室的定义

为有效控制产品质量，需将一独立空间范围内空气的洁净度、温度、湿度、流速、噪声及照度控制在一定需求范围内，这一专门设计的空间称为洁净室(CleanRoom)。

洁净并不是没有任何尘埃颗粒，而是把空气里的悬浮微颗粒物控制在一定范围内，以符合生产制造需求。一般管控的颗粒物是0.1~0.5μm及以上直径的颗粒物。

2.FAB洁净室洁净等级

目前主流FAB洁净室生产车间的洁净度控制标准为：0.3μm颗粒物小于100颗/立方英尺(3531颗/立方米)。对应ISO14644标准，半导体工厂洁净室洁净等级落在ISOClass4与ISOClass5之间，经换算为ISOClass4.5，是百级无尘室，如表15-2-1所示。

3.洁净室的管控因子

衡量洁净室的管控因子涉及以下定义：

MAU：新风机组(Make-upAirUnit)。

FFU：风机过滤单元(FanFilterUnit)。

DCC：干式冷却盘管(DryCoolingCoil)。

AMC：气态分子污染物(AirborneMolecularContamination)。

洁净室具体的管控因子如下：

洁净度：由MAU、FFU、过滤器(Filter)控制。

温度：由MAU、DCC控制。

湿度：由MAU控制。

静压：由MAU控制。

静电：由静电消除器、抗静电材料控制。

照度：由照明灯具控制。

噪声：由隔音减噪材料控制。

气态分子污染物：由化学滤网控制。

4.洁净室分类

按照洁净室气流流向，可将洁净室划分为单向流(层流)洁净室、非单向流洁净室、混合流洁净室、矢流洁净室。

(1)单向流(层流)洁净室：如图15-2-1所示，有垂直单向流和水平单向流两种气流流型。其净化原理是利用活塞和挤压原理，把尘埃粒子从一端向另一端挤压出，用洁净气流置换污染气流。单向流洁净室的优点是洁净等级高，缺点是建置费用较高。图15-2-1单向流洁净室气流流型

(2)非单向流洁净室：如图15-2-2所示，有顶送下回、顶送下侧回和顶送顶回三种气流流型。其净化原理是稀释原理，高效过滤器送风口顶部送风，回风的型式有下部回风、侧下部回风和顶部回风等。非单向流洁净室的优点是建置费用较低，缺点是洁净等级较低。图15-2-2非单向流洁净室气流流型

(3)混合流洁净室：如图15-2-3所示，其既有层流，又有非层流。混合流洁净室的特点是将垂直单向流面积压缩到最小，用大面积非单向流替代大面积单向流以节省投资和运行费，亦能达到较高的洁净度。图15-2-3混合流洁净室气流流型

(4)矢流洁净室：如图15-2-4所示，采用圆弧形高效过滤器送风口送风、对面侧下部回风的气流流型。矢流洁净室的气流是以放射状的流线流出的，流线之间没有竖向交叉，可用相对少量的送风获得较高级别的洁净度，多用在医药和电子等行业的小洁净室中。图15-2-4矢流洁净室气流流型

5.洁净室气流回风

洁净室气流回风流程如图1525所示。

图1525中，MAU为洁净室提供补充洁净的空气。FFU将过滤洁净的空气送入洁净室生产区，带动洁净室气流循环。MAU与FFU均装有高效滤网，用以过滤空气中的微颗粒物，保证洁净室洁净度。图15-2-5洁净室气流回风流程图

6.MAU新风供应

MAU的功用：控制洁净室湿度，为洁净室补充外气，保证正压，参与洁净室温度控制，过滤外气中的微颗粒物。新风处理流程如图15-2-6所示。图15-2-6新风处理流程15.3.1程式管理系统(RMS)

晶圆流片的每一个工艺步骤都对应某台生产设备，而该设备要进行怎样的工艺处理是由工艺程式决定的。简单来说，一个工艺程式是一组工艺参数的集合，该参数集合包含随时间变化的设备的状态(温度、压力、电压等)、运动部件的行为(移动速度、转动速度、移动距离等)、消耗性物料的状态和用量等。传统的工艺程式存储于设备的硬盘端，主要由工艺工程师负责建立并维护。但由于数据量庞大，无尘服及手套影响操作，或者工程师的细心度等因素的影响，参数输入错误、程式命名错误等现象屡见不鲜。此类错误的操作会导致重大返工、低良率甚至报废等生产事件。

15.3集成电路FAB智慧制造系统

程式管理系统(recipemanagementsystem，RMS)的出现可以大幅预防此类人为疏忽。在RMS模式下，当一个程式被验证完毕后，工艺工程师会把关键参数或者全部参数上传到服务器端。每当设备流片开始时，系统会将设备硬盘端程式内容与服务器端进行比对，以确保设备端程式正确无误。针对某些可在一定范围内变化的工艺参数(如光刻能量等)，我们可以适当添加数值范围进行控制。

15.3.2先进工艺控制(APC)系统

早期的关键工艺参数是输入在程式里面的，如果工艺工程师不做更新，关键参数是不会改变的，这样会使产品的某些指标长期偏离目标值(Target)。随着工艺制程的微缩，芯片的规格越来越严，工艺优化就显得尤为重要。但过于频繁的更新则又会增加错误的发生。

15.3.3设备自动化(EAP)系统

设备自动化系统是晶圆厂计算机集成制造(CIM)系统中重要的底层子系统，是晶圆厂自动化生产的一大利器。一般来说，EAP系统是通过半导体设备通信标准与生产设备进行数据传输的，它是生产设备与CIM中各系统连接的重要桥梁，其中最重要的功能便是可以给设备发送携带工艺参数的生产指令。在流片生产时，EAP系统将接收到生产执行系统的生产任务，同时EAP系统将与其他子系统(如RMS、APC系统等)联系以获取必需的判断或者工艺参数等，然后EAP系统将参数及生产指令发送至设备端以执行生产任务。此环节可以节省诸多人工判断及操作。

EAP系统除了可以给设备发送参数及指令，也可以在设计范围内读取所有资料，包括设备状态、生产进度和生产过程中产生的数据等。EAP系统采集的数据可反馈给CIM中各子系统以便进行后续数据分析等。

15.3.4自动物料搬运系统(AMHS)

自动物料搬运系统一般包含天车系统、晶圆盒存储柜(FOUPStocker)、光刻版搬运系统和光刻版存储柜等。其中，天车系统比较常见，而光刻版搬运系统由于受限于空间以及受早期洁净室设计等因素的影响，在不少晶圆厂尚未普及。

天车系统由吊车、轨道及控制系统组成，其轨道安装于天花板上。当生产任务下达时，天车系统会接收到来自制造系统的指令，把指定的晶圆盒(FOUP)按最优的路线搬运至特定设备进行生产。天车系统拥有多线程处理能力，可以同时处理多个搬运任务。所以一个合理的轨道设计、最优化的搬运速度及最优化的吊车距离可以最大程度地提高生产效率。

在集成电路制造领域，品质认证不仅是保障产品质量的手段，也是提升市场竞争力、降低成本以及促进产品持续改善的重要工具。晶圆厂通过获得并维持品质认证，能够在快速发展的环境中保持竞争优势。

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