半導體製造商如欲降低先進節點的瑕疵,必須謹慎控管完整的供應鏈,且須先從原料著手。具體而言,原料供應商會提供化學品的純度等級資訊,但半導體製造商卻不認為這些資訊能說明前者的化學品可以符合其良率要求。他們需要精細至ppt程度的雜質分佈詳細資料,要收集資料,他們必須聯絡原料供應商的次級供應商,或針對所有取得的原料進行精密測試。

原料供應商能怎麼做,以締造競爭優勢,並贏得潛在半導體顧客對他們的信心?可以採取的行動有幾項。對開發原料和流程,以支援半導體和微電子裝置的公司來說,他們初步可掌握三個機會:收集和分析資料、工廠自動化,以及培養強調品質管理的企業文化。

儘管提供化學品的質譜資料尚未成為標準產業實務,部份供應商已展開此作業。這些資料說明以ppb或ppt等級計算的多種金屬雜質水準,且可追蹤此等雜質水準的歷史記錄。舉例來說,Brewer Science監督最少10種常見的污染物,偵測等級為4~13ppt,並為顧客提供結果報告。

只要數值一致,且瞭解不同雜質如何影響良率,半導體製造商就可處理特定程度的雜質。持續追蹤金屬雜質資料可顯示化學前體、其他污染源,以及任何基線偏差。製造商越瞭解這些偏差如何影響裝置良率,就越能改善流程,儘量保持高良率,採用的方法必須相輔相成,才能發現最細微的偏差。

供應商可結合數項技術,減少產品的雜質,並增進雜質分佈的貫徹性。這些實務作業包括:工廠自動化、封閉迴路系統,以及故障模式效應分析(FMEA)。

工廠自動化透過幾個方法增進生產品質。在製造業的世界裡,最理想的情況是:員工不犯錯,而工廠自動化就是減少出錯率的必要步驟。工廠自動化增進產品的一致性,進而減少廢棄產品量,甚至增進生產品質(圖1)。

20180131NT01P1 圖1 以收入百分比顯示Brewer Science廢料成本,說明每年的降低值。

改善後的工廠自動化設置(圖2)讓員工透過單一螢幕,就可以檢視製造流程的每個環節,進而輕鬆監督流程。一旦發現任何未按規範的作業,就能立即採取行動,如可透過簡訊和電子郵件即時傳送警報和警示,促進員工透過手機遠端監督系統。

20180131NT01P2 圖2 工廠自動化平台。本範例顯示1號槽有一個尚待解決的問題。

自動化工廠建立大量的資料流,品管工程師可分析這些資料,以便持續增進作業流程。員工透過結果瞭解增進品質後的影響,且讓他們有能力專注於產品的品質,而持續維護產品雜質記錄,讓業者瞭解應於何處加強控管規範,進一步建立更貫徹一致的成果。

工廠自動化也降低污染的可能性。Brewer Science以封閉迴路系統進行化學品的混合和裝瓶作業(圖3)。今天創造的競爭優勢,很快就成為吸引顧客的必備要素。半導體製造商制訂更嚴格的瑕疵要求,並開始要求更高等級的清潔度、自動化作業,以及原料供應商的專長。傳統的先進晶圓上缺陷檢測儀器,無法偵測到原料對供應鏈的影響。次級供應商的偵測能力,和流程穩定作業,是具體的解決方案。

20180131NT01P3 圖3 Brewer Science的密蘇里州維希(Vichy)工廠,正在利用來自進料饋送的封閉迴路系統,準備混合原料。

QE扮演著重要的持續品質增進角色;FMEA是許多製造環境的標準工具,卻無法經常最佳化運用。理想的FMEA做法是:評估所有可能的故障模式,並結合經驗教訓,避免重複犯 錯。FMEA是許多產品開發中的有用工具,例如首次設計產品或流程、以新方法應用、分析故障或規劃增進現有產品或流程。

在製造半導體過程中,保持高良率是控制成本的關鍵要素。進貨原料必須通過製造商的規格規定,但300mm晶圓的良率也許會太低,以致無法達成成本競爭力。在此情況下,半導體製造商需要從原料開始重新評估其完整流程。

若進貨原料的純度須為良率喪失負起部份責任,那麼原料供應商就應與其顧客,也就是半導體製造商合作,協助他們解決問題。選擇自動化作業,並保有專長領導地位的供應商,有助避免潛在問題的發生。一旦發生與原料相關的良率問題,該供應商也應能快速應變。

運算化學是進一步增進原料純度的下一步。業界應設計分子化製模流程,以便增進分子和原子等級的作業法則,為半導體製造商備妥下一代的原料。製模能預估具體在旋轉塗抹流程時,金屬污染源與聚合物基礎及建模流程互動時所產生的瑕疵分佈。運算流體動力學可於微觀等級模擬流體流動,確保生產原料時貫徹混合原料,並進一步降低瑕疵密度。Brewer Science已採用這樣的製模,增進產品效能。

最後,十分重要的一點是:培養企業注重品質的文化,因為人員是各項流程和技術舉足輕重的要素。高層及其領導的員工不僅需要對產品/流程作出品質承諾,更必須培養利用技術創新致勝的心態。授權技術人員作出有意義的變革,並瞭解變革對顧客、顧客的顧客之影響,進而強調個人對技術進步所作出的貢獻。

未來的半導體裝置需要全新層級的瑕疵降低技術。強調供應鏈品質的流程應能促進製造商符合有史以來最嚴謹的要求,製造最高良率的裝置。

今天,走在尖端的原料供應商正在實行有可能即將成為業界標準的實務作業。工廠自動化是增進原料純度和一致性的關鍵作業,此舉能減少人為錯誤,並簡化資料收集和發佈程序。在此建議半導體製造商選擇能以自動化、封閉迴路工廠作業,並嚴格實行FMEA流程的原料供應商。此舉將把因為不一致原料對半導體裝置良率造成不利影響的機會降至最低,並以較低成本,製造較高品質的裝置。