也談芯片生產(chǎn)中的“過程能力指數(shù)”分析

　　在芯片的生產(chǎn)過程中，會經(jīng)歷許多次的摻雜、增層、光刻和熱處理等工藝制程，每一步都必須達到極其苛刻的物理特性要求。但是，即使是最成熟的工藝制程也存在不同位置之間、不同晶圓之間、不同工藝運行之間以及不同時段之間的變異。有時，這種變異會使工藝制程超出它的制程界限，生產(chǎn)出不符合工藝標(biāo)準的晶圓，從而嚴重地影響成品率（Yield）。而任何對半導(dǎo)體工業(yè)有過些許了解的人都知道：整個工業(yè)對其良品率都極其關(guān)注。因此，正確地評估和控制芯片生產(chǎn)過程中的變異顯得尤為重要，而研究過程變異的常用方法之一就是過程能力分析。

　　一般來說，過程能力分析通常是指通過顧客質(zhì)量要求的范圍與實際產(chǎn)品質(zhì)量變異范圍之間的比較數(shù)值來衡量實際生產(chǎn)過程滿足規(guī)格要求的能力。具體來說，就是計算出過程能力指數(shù)Cp和Cpk值，確定其過程能力等級，判斷過程能力是不足、尚可還是充分，進而采取相應(yīng)的改進和維護措施。這個簡單易行的質(zhì)量管理工具已經(jīng)在各行各業(yè)中都有了廣泛的應(yīng)用，頗受好評。

　　由于半導(dǎo)體制造工藝的復(fù)雜性，生產(chǎn)一個完整器件所需涉及的龐大工藝制程數(shù)量，以及檢測內(nèi)容的多樣化等等原因，必然要求芯片生產(chǎn)中的“過程能力指數(shù)”分析必須在遵循原先質(zhì)量統(tǒng)計理論的基礎(chǔ)上有所發(fā)展，創(chuàng)造出一套適合半導(dǎo)體工業(yè)的“過程能力指數(shù)”分析方法。

　　縱觀國內(nèi)的常規(guī)質(zhì)量管理咨詢和軟件市場，長期以來都無法提出一個理想的解決方案。幸運的是，被英特爾Intel、國家半導(dǎo)體National Semiconductor，中芯國際等全球芯片巨頭普遍采用的高端六西格瑪質(zhì)量管理統(tǒng)計分析軟件JMP已經(jīng)在這方面作出了很多卓有成效的工作，業(yè)已成為半導(dǎo)體行業(yè)的一種應(yīng)用標(biāo)準。接下來，本文將結(jié)合一個案例與大家一起在JMP軟件最新的JMP7平臺上分享這個研究成果。

圖一  晶圓測試的數(shù)據(jù)表

　　如上圖所示，圖一是某晶圓工廠在最終的電子測試階段獲取的數(shù)據(jù)表格，共有1455條記錄（限于篇幅，圖一僅顯示了其中的前30條記錄），考察的質(zhì)量特性有16個（實際情況會更多，此處僅取其中的一部分做演示，并且限于篇幅，圖一僅顯示了其中的前7個質(zhì)量特性）。如果按照傳統(tǒng)的分析方法，我們需要按部就班地計算16組過程能力指數(shù)，對各項質(zhì)量特性一一考核，但對它們之間的相互關(guān)聯(lián)以及產(chǎn)品的總體質(zhì)量性能卻缺少一個全面的認識總結(jié)。而且單純用數(shù)字說明，也顯得有些枯燥抽象。

　　JMP軟件巧妙地通過一系列生動形象的統(tǒng)計圖形，使我們得到一個全新的分析展示結(jié)果。先看圖二所示的“過程能力指數(shù)的目標(biāo)圖Goal Plot”。圖中等腰三角形的兩條紅邊表示所有Cpk恰巧等于1的情況，等腰三角形以內(nèi)的部分表示所有Cpk大于1的情況，等腰三角形以外的部分表示所有Cpk小于1的情況，一般越遠離三角形的點所代表的Cpk值越小。顯然，目標(biāo)圖用一個等腰三角形將過程能力充足和不足的兩部分質(zhì)量特性區(qū)分得一目了然。在此案例中，給我們印象最深的是INM2、IVP2、IVP1等特性的過程能力很差，因為相對其他點而言，它們離這個等腰三角形最遠。

圖二  過程能力指數(shù)的目標(biāo)圖Goal Plot

圖三  過程能力指數(shù)的箱型圖Box Plot

　　再看圖三所示的“過程能力指數(shù)的箱型圖Box Plot”。圖中兩條綠色的虛線分別表示的是將16組規(guī)格限統(tǒng)一規(guī)格化后的規(guī)格上下限，VPM3、INMI1、NPN2等特性的箱型圖比較狹窄，且都落在虛線范圍中，說明它們的過程能力比較充分，INM2、IVP2、IVP1等特性的箱型圖比較寬泛，且都遠遠超出了虛線范圍，說明它們的過程能力嚴重不足。

　　最后看圖四所示的“過程能力指數(shù)的規(guī)格化箱型圖Normalized Box Plot”。此時圖中16個箱型圖是分別通過轉(zhuǎn)化而得，所有箱型圖的波動范圍幾乎都在[-5，5]之間，16組綠色的小短線表示分別經(jīng)過同樣轉(zhuǎn)換后得到的規(guī)格上下限。相對而言，VPM3、INMI1、NPN2等特性的箱型圖都穩(wěn)穩(wěn)地落在規(guī)格范圍中間的位置，再次說明它們的過程能力比較充分，INM2、IVP2、IVP1等特性的箱型圖的波動明顯比規(guī)格限寬泛，再次說明它們的過程能力嚴重不足。