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降低IC芯片成本與提高設備自動化
新聞來源:    點擊數:8590    更新時間:2012-4-11 14:11:08    

引言 


 


IC芯片主要應用于計算機、通訊和消費類電子(3C)三大領域,隨著3C間的相互融合,3C產品朝多功能化和低價格方向發展,勢必要求用于3C的IC芯片多功能化和低價格化。實現IC芯片多功能化有兩大方法:一是將多個功能集成在單個芯片上,即Soc(System on chip ,系統級芯片),Soc是IC芯片領域內最高級的芯片;二是將多個功能集成在單個封裝內,即SIP(System in a packge,系統級封),SIP是IC封裝領域內的最高級的封裝。其關系為:SIP涵蓋SoC,SoC簡化SIP。實現IC芯片低價格化有兩大措施:一是提高IC芯片生產率;二是提高IC芯片良率,兩者的保證措施就是提高設備自動化,實現設備全自動化。降低IC芯片成本一是為了滿足3C產品低價格化的需要;二是為了IC芯片廠商間的競爭,獲取更大的利潤,在IC市場中占有更多的份額。


 


2 提高IC芯片生產率必須提高設備自動化


 


IC芯片包含晶圓芯片和封裝芯片,相應IC芯片生產線由晶圓生產線和封裝生產線兩部分組成,IC芯片生產線的小時成本由固定成本和可變成本構成。固定成本包括不動產、設備、稅款、工廠折舊和設備折舊等;可變成本包括晶圓成本、耗材、人工和設備生產效率等,人工和設備生產效率都與設備自動化有關,人工包括操作工、工藝管理維護和設備管理及保養等。IC芯片生產線生產率是對于每個生產線每小時生產芯片收入的量度。要提高IC芯片生產線生產率須針對成本中的可變成本部分作為主攻目標,通過采用自動化技術來達到:(1)控制生產線符合規格地在線自動加工有回報的晶圓;(2)收集數據,使工藝自動優化,減少手工搬運以及工藝工程師和操作工對工藝的干預,最終使生產線生產率達到最高,而使可變成本降到最低。表1給出提高IC芯片生產線生產率與提高設備自動化的關系。Adventa Control technologies公司通過實際案例研究上述兩者的關系,首先利用 Run-to-Run控制來改進設備生產效率,如對月產1.75萬片晶圓生產線通過Run-to-Run/基于模型的工藝控制來管理設備,使晶圓生產線總生產能力提高12%;設備生產能力提高25%;通過改善工藝控制和降低工藝波動,良率提高2%。最終使這條生產線每年在晶圓/芯片上獲得生產率收益5530萬美元。其次利用Run-to-Run控制進行設備層面的改進,如對CMP設備、光刻套準控制設備和柵刻蝕設備等,其中對佳能14/15深紫外線步進光刻機KLA5100亮度FSI光學單元和ASML步進光刻機的改進,可使IC晶圓生產線少投資200萬美元;減少返工75%;CPK改善40%;良率提高4%-6%;工藝管理工作量減少50%;自動化控制工作:x-y掩模移動,x-y掃描和放大;自動調整15 000個控制參數等。最后使IC芯片生產線生產率得到較大提高,CPK平均改善85%;廢棄降低10%-40%;測試晶圓減少35%-40%;生產能力提高12%。


 


3 提高IC芯片良率必須提高設備自動化


 


提高IC芯片良率已從傳統采用全面質量管理與新/舊QCX種工具發展到先進的設計方法(如可制造性設計:DFM,另文討論)和先進的工藝控制方法(如先進工藝控制:APC;先進精密加工;APM;整合量測技術:IM以及設備顆粒缺陷控制等),從而使IC芯片順利地從90nm節點進入65nm節點。


 


3.1 先進精密加工技術(APM)


 


APM由美國AMD公司發明,它由5種不同的技術綜合而成:APC、良率管理系統、設備性能優化、產品性能定標和全面的生產安排。APM的優勢在于:達到IC芯片成熟良率的速度更快、完成新型晶體管技術進程更快、提高IC芯片生產線生產率更快和滿足客戶反應能力更快等。如今AMD已將APM應用于130/90nm芯片量產中,還將位于德國德累斯頓的新晶圓廠Fab36中推廣應用,并期望用于65nm工藝中。當APM用于130nmSOE工藝,使成熟良率比以往快速提高66%;APM用于90nmSOI工藝,使成熟良率比以往生產快速提高40%。采用APM技術,應利用可選擇的試生產方法,先在一種設備上開發工藝,然后推廣到多大30多個同樣設備的生產線上。AMD將APM技術用于φ300mm晶圓生產線,能從多批次良率預測過渡至單片晶圓良率預測,當然這一切必須在設備自動化的前提下才能很好地完成。


 


 


 


3.2 整合量測技術(IM)


 


隨著IC芯片步入65nm節點,IM將成為APC中不可缺少的組成部分。IM已經成功地用于CMP,能快速測量膜厚度和膜的光學特性,成為表征和驗證CMP工藝步驟的重要手段。采用IM的優勢:(1)可大幅度降低有偏差危險的晶圓數量;(2)降低檢測的潛伏時間,找出設備中的故障,使設備快速恢復生產;(3)自動及時做出報廢和返工的決定,避免在錯誤的晶圓上造成資源浪費。目前IM正在從CMP普及應用推廣到刻蝕和光刻制造工藝中[7]。在傳統方法中,要找出由刻蝕機、CVD設備、光刻機發出的工藝信號與晶圓最終良率之間的相關性來提高晶圓良率。這種方法在大多數情況下是失敗的,因為任何一道工藝與最終晶圓良率之間沒有多大聯系,因為光刻與刻蝕之間、刻蝕與沉積間以及沉積與光刻間的相互影響和可變因素太多,實在難以分析。現在IM已成為APC設備控制策略的一部分,雖然它由軟件來完成,但主要方法仍是利用設備傳感器的數據來確保單元工藝的輸出。原始設備制造商(OEM)希望終端用戶積累的集成經驗方法能制訂出數套工藝要求與規范。如果設備符合規范,則可預測出較好的良率。要向控制CD(最小線寬)量測的數據中需對所有的變化類型和產生根源進行理解、表征和驗證。為此原始設備制造商必須開發出一種及其靈活的系統,一旦變化的特點得到量化和驗證,即可采用該系統將補償編碼送至控制器。業界還在當前110/90nm生產中采用光刻IM和刻蝕IM有效地實現了光學數字顯微光能干涉測量(ODP),為IM用于光刻機奠定了基礎。


 


3.3 設備顆粒缺陷控制


 


LSLLogic公司采用最佳的設備控制方法,用新的數據系統(Yield DRIVER:良率激勵器)來改進其晶圓廠的設備顆粒缺陷檢測。采用這種方法能快速檢測出設備的缺陷狀態,從而比較IC芯片的良率。傳統的做法是定期檢測每道工藝所增加的缺陷來判斷生產設備的缺陷狀況,這種方法較粗糙。從2002年起LSE Logic在現有設備的基礎上,在不增加額外的投資、不更換舊設備和不購買更先進的顆粒檢測設備的前提下,改善總體的設備利用率、降低設備的顆粒缺陷50%。要完成這項任務,最有效的方法就是快速地在所有工藝中實施已經存在的最佳實踐案例(BRM),同時提供一個基礎來支持高校、一致地運用這個BKM。在Yield Prver設計時將BKM嵌入到系統功能中,使這種最有效的方法獲得最容易的方法。為了支持BKM的應用,在系統功能中應具有:(1)連貫地將測試前后的顆粒檢測結果,與工藝區域、正在進行的測試以及正在檢驗的設備的部件關聯起來,以便能準確地計算出在檢驗的工藝或設備對于顆粒的貢獻;(2)利用已有的測試設備和數據庫,將顆粒數據與被檢驗的工藝、設備關聯起來,并將以前的檢測結果作為下一次檢測的初始數據。從而在整個工廠內建立BKM系統,使其成為標準的案例,并用于每臺設備驗收檢測,最終不僅降低生產設備缺陷密度50%,而且增加了故障前平均檢測30%。


 


4 實驗設備全自動化


 


當IC芯片特征尺寸步入納米尺度(小于100nm)后,90/65nm、300nm晶圓生產線必須采用單晶圓片,連續流生產方式,所以其生產線的一切都由中央控制系統執行操作包括晶圓的傳遞,在理想的情況下,只要工藝穩定,設備的運行完全可以按計劃進行。以光刻系統自動化為例,它包括掩模板自動化控制、光刻單元自動化控制和光刻區域自動化控制。掩模板自動化控制是指搬運、分類、存儲掩模板及管理掩模板相關信息的自動化控制。光刻單元自動化控制是利用涂膠顯影機量測工具所提供的預判和反饋數據(APC)來控制曝光過程。光刻區域自動化控制用來控制并伏化整個光刻區域中選擇合適的光刻單元進行生產。目前已將APC設計成光刻工藝制程的一部分,并將步進光刻機、涂膠顯影機和量測設備組合為整體的一個光刻系統,并向光刻區域內的全自動化材料處理操作系統邁進,以完全替代操作工負責掩模板的搬運以及晶圓在涂膠顯影機、步進光刻機內的往復傳遞,達到整個光刻系統的全自動化。2005年12月英特爾已部署65nm芯片智能工廠自動化(Intelligent Fab Automation)措施,以對抗競爭對手、降低工廠成本和縮短產品上市時間。英特爾已在90nm芯片工廠中應用了"Level"8的完全自動化系統,包括從設備和材料處理功能到數據自動化系統的所有環節。"Level"8可能是最接近人們既期望又害怕的"熄燈工廠"(Lights out Fab),即這種工廠不再需要用人來操作或處理設備。英特新布置的智能工廠自動化包括新制造執行系統(MIS)、APC、材料處理、設備制造和工程分析柜架等,并采用工作流程自動化格式(Workflow Automation Grid)的專用軟件工具將上述幾個部分連接起來,這種專用軟件工具可提供智能化的路由、排序及工廠的自適應工作流程。新MIS可在生產過程中提供晶圓級信息、適應性缺陷劑量取樣、良率自動檢測及優化和其他功能。通過新MIS系統,可在生產過程中指定晶圓級的處理流程。新MIS系統可使工廠減少2/3晶圓處理系統和工具,工作流程中加入智能缺陷采樣技術,實現產品良率的自動化預測和優化,并帶有分析引擎、可在晶圓廠處理過程中檢測并處理不合理材料。


 


綜上所述,要降低IC芯片成本和增加制造商利潤,就必須提高IC芯片生產線生產率和IC芯片良率,并由設備自動化來確保這兩項任務的完成。


 

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