半導體生產(chǎn)能力和工藝良品率的主要影響因素

良品率測量點(diǎn)

維持及提高工藝和產(chǎn)品的良品率對半導體工藝至關(guān)重要。任何對半導體工業(yè)做過(guò)些許了解的人都會(huì )發(fā)現，整個(gè)工藝對其生產(chǎn)良品率極其關(guān)注。的確如此，半導體制造工藝的復雜性，以及生產(chǎn)一個(gè)完整封裝器件所需要經(jīng)歷的龐大工藝制程數量，是導致這種對良品率的關(guān)注超乎尋常的基本原因。這兩方面的原因使得通常只有20%~80%的芯片能夠完成晶圓生產(chǎn)線(xiàn)全過(guò)程，成為成品出貨。

對于大部分制造工程師來(lái)說(shuō)，這樣的成品率看上去真是太低了�？涛g當我們考慮一下所面臨的挑戰，是要在極其苛刻的潔凈空間中，通過(guò)約39塊不同的掩膜版，在140平方毫米的芯片范圍內，制作出數百萬(wàn)個(gè)微米量級的元器件平面構造和立體層次，就會(huì )覺(jué)得能夠生產(chǎn)出任何這樣的芯片已經(jīng)是半導體工業(yè)了不起的成就了。

另外一個(gè)抑制良品率的重要方面是大多數生產(chǎn)缺陷的不可修復性。不像有缺陷的汽車(chē)零件可以更換，這樣的機會(huì )對半導體制造來(lái)說(shuō)通常是不存在的。缺陷芯片或晶圓一般是無(wú)法修復的。在某些情況下沒(méi)有滿(mǎn)足性能要求的芯片可以被降級處理做低端應用。廢棄的晶圓或許可以發(fā)揮余熱，作為某些制程工藝的控制晶圓或假片使用。

除了以上這些工藝方面的因素外，規�；�的量產(chǎn)也使得良品率越發(fā)重要。巨額的資金投入，高于工業(yè)界平均比例的工程技術(shù)人員使用，這些導致了半導體生產(chǎn)高昂的分攤成本。居高不下的分攤成本，加上激烈競爭使得產(chǎn)品價(jià)格持續下滑，驅使大部分芯片生產(chǎn)廠(chǎng)運行在一個(gè)大規模量產(chǎn)，高良品率的水平上。

基于所有這些原因，也就不難理解半導體工業(yè)對于良品率的執著(zhù)了。大部分的設備和原材料供應商都以自己的產(chǎn)品可能提升良品率來(lái)作為推銷(xiāo)的主要手段。同樣，工藝工程部門(mén)也把維持和提高制程良品率當作本部門(mén)的主要責任。良品率測量在制程的每一單個(gè)工藝開(kāi)始，并追述到整個(gè)工藝流程，從輸入空晶圓到完成的電路的裝運。

通常，工廠(chǎng)將在工藝的三個(gè)主要點(diǎn)監測。它們是晶圓制造工藝完成時(shí)、晶圓中測后和封裝完成時(shí)并進(jìn)行終測。

累積晶圓生產(chǎn)良品率

在晶圓完成所有的生產(chǎn)工藝后，第一個(gè)主要的良品率被計算出來(lái)了。對此良品率有多種不同的叫法，如FAB良品率、生產(chǎn)線(xiàn)良品率、積累晶圓廠(chǎng)良品率或“CUM”良品率。

無(wú)論怎么命名，都是用完成生產(chǎn)的晶圓總數除以總投入片數的一個(gè)百分比來(lái)表示。不同類(lèi)型的產(chǎn)品擁有不同的元件、特征工藝尺寸和密度因子。將會(huì )針對產(chǎn)品類(lèi)型而不是對整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)計算一個(gè)良品率。

晶圓生產(chǎn)良品率的制約因素

晶圓生產(chǎn)良品率受到許多方面的制約。下面列出了5個(gè)制約良品率的基本因素，任何晶圓生產(chǎn)廠(chǎng)都一定會(huì )對它們進(jìn)行嚴格的控制。這5個(gè)基本因素的共同作用決定了一個(gè)工廠(chǎng)的綜合良品率。

1.     工藝制程步驟的數量；

2.     晶圓破碎和彎曲；

3.     工藝制程變異；

4.     工藝制程缺陷；

5.     光刻掩膜版缺陷。

工藝制程步驟的數量

甚大規模集成電路需要數百個(gè)主要工藝操作。具有數百個(gè)工藝操作步驟的工藝過(guò)程是典型的藝術(shù)品。每一個(gè)主要工藝操作包含幾個(gè)步驟，每一個(gè)步驟又依序涉及到幾個(gè)分步。能夠在經(jīng)過(guò)眾多的工藝步驟后仍維持很高的CUM良品率，這一切顯然應歸功于晶圓生產(chǎn)廠(chǎng)內持續不斷的良品率壓力。在眾多的工藝步驟作用下，電路本身越復雜，預期的CUM良品率也就會(huì )越低。

每一個(gè)主要工藝操作都包含了許多工藝步驟及分步，這使得晶圓生產(chǎn)部門(mén)面臨著(zhù)日益升高的壓力。每一個(gè)分步驟都存在污染晶圓、打碎晶圓，或者損傷晶圓的機會(huì )。自動(dòng)化和隔離技術(shù)提供了更多的控制晶圓的環(huán)境，但每個(gè)轉移和新工藝的環(huán)境給污染和芯片損傷增加了一次機會(huì )。