降低成本攸关存亡 晶圆厂制程管制成显学

要拥有高效率、低成本的晶圆厂，关键在于能够及时地收集到关于制程的有用的资讯。制程管制工具(量测与检测)是晶圆厂的眼睛和耳朵，它们能够洞察哪些制程运作正常而哪些不运作：它们是对“制程资讯”的投资。在2007年的文章中，美国商务部国家标准与技术研究院(NIST)预计仅仅量测的平均投资回报率就高达300%。  
制程管制降低成本，必须透过降低次品率及减少与可靠性不合格相关的报废和原材料成本来达成。同样地，改善良率可减少晶圆厂营运在每个合格晶片所留下的环境足迹。  

在本文中，将分析透过制程管制实现降低成本和提升工厂效率的其他两个要素：一、从节点到节点的制程设备再利用；二、改善净周期时间。只要做到这两点，晶圆厂便可省下可观的成本开销。  

让制程设备再利用  

现代晶圆厂成本的最大的单项开支就是资本折旧。公司与公司间的情况各不相同，但是在通常情况下，晶圆厂资本设备在5年时间内以每年20%的速度折旧。如果能将一台设备的使用寿命延长至超出其完全折旧的那一刻，基本上就相当于此后免费得到了该设备。如果能找到再利用一整套制程设备(扫描曝光机、蚀刻机等)的方法，将能够轻易省下数千万甚至数亿美元。  

最终，一个制程设备必须符合使用此设备在生产制程所要求的技术规格。然而，在设备能力勉强胜任的情况下，使用现有的量测或检测工具与更密切的监控可延长其使用时限，以保障设备在规定的制程规格范围内继续工作。  

更频繁地进行制程设备检验有助于改善匹配度，并确保设备不会偏移至规范之外。为了获得稳定的回馈和前馈方案，更多的线上检测可以提供更好的平均值，从而更好地管制实际制程。在这些情况下，制程管制有助于延长现有制程设备的使用寿命(在此情况下，增加制程管制实际上能够节省开销)。  

制程能力指数(Cpk)是衡量某项制程的自然变化是否分布在规范上下限之内的一个指标。对于具有对称分布的中心制程，Cpk值由公式1得出：  

Cpk=(USL–LSL)/6σ....................公式1  

其中USL和LSL分别代表规范的上限和下限，而σ则代表制程的标准差。如果Cpk值大于1，则此制程能力会被认定是可行的。如果Cpk值小于1，则表示能力不足。  

假定某个蚀刻制程步骤的CD测量的Cpk正好等于1的情况(亦即该步骤处于可行的临界点，其规范上限和下限距离平均值均为3个标准差)。此勉强胜任情况可能要归咎于之前的光刻或蚀刻步骤，或两者兼有。无论是升级哪一个制程的工具集来改善Cpk，都代价不菲。  

制程的胜任能力通常可以透过采用资料前馈方案得以提升，例如采用额外的量测来全面表征某个步骤(如光刻)的制程，然后前馈该资讯，在蚀刻步骤调整参数，以便为每个批次或晶圆有效地设定制程条件。图1显示蚀刻后CD(有或无前馈)的统计制程管制(SPC)范例。  


图1　左：无前馈蚀刻CD的SPC图(Cpk=1.0)。右：有前馈蚀刻CD的SPC图(Cpk=1.3)。
透过采用回馈和前馈方案，有效地扩大了设备运行的制程范围，制程设备的使用寿命因而得以延长。即便光刻步骤的CD测量值略微偏离光刻目标值，该资讯可以被用于调整蚀刻制程步骤的蚀刻偏差，从而使其在蚀刻制程的步骤重回目标。 改善净周期时间周期时间是另一个非常重要的生产衡量标准。以下将简要谈及周期时间和制程管制之间的反直觉关系。  

晶圆厂密集生产步骤情况下，造成阻碍批次通过的任何变异来源都会增加周期时间。增加检测步骤会增加抽检批次的周期时间，但是由于采样的缘故(并不是每个批次都会被检测)，平均而言，其影响要小得多。