0 引言

　　如何實現工藝穩定，GaAs微波功率器件，是生產出性能穩定一致的GaAs工藝線從研制向小批量生產轉變階段所面對的首要問題。GaAs微波功率器件的生產是一個相當復雜的工藝過程，包含各種有源器件和電容電阻等無源器件的制備及光刻、金屬化、腐蝕和鈍化等各種工序的互相協作，其中任何一個細微的環節出現問題，都將會影響到產品的最終性能。如此復雜而精細的工藝，靠傳統的工藝臺帳和工藝流程卡的形式來實現工藝控制是非常困難的。

　　目前，許多大型的半導體生產線采用先進的計算機輔助制造技術(CAM)和統計過程控制方法(SPC)。1987年，Motorola公司創建了SPC質量管理體系，并全力應用到公司的各個方面。從1987年開始實施SPC到1999年，公司生產率平均每年提高12.3%，由于質量缺陷造成的費用消耗減少84%，控制流程失誤降低99.7%，節約制造費用總計超過110億美元，由此可見其先進性和影響力。

　　然而，在以課題研究為主要工作內容的研究所工藝線中，CAM和SPC技術多年來一直無法貫徹應用;近幾年，隨著工藝線從研究向著小批量生產的過渡，傳統的工作模式并不能夠滿足工藝生產控制的需要。在此情況下，作者及其同事將CAM和SPC引入到工藝線中，并進行修改和調整，使其能夠適應當前工藝線多品種小批量生產的需要。

　　1 CAM和SPC技術

　　CAM技術是隨著計算機和網絡技術的成熟而發展起來的，是當前世界上流行的生產管理技術，為國內外大型半導體工藝線所廣泛應用。一套完整的CAM系統的硬件部分由服務器、客戶端機和局域網3部分構成;軟件部分由數據庫和客戶端組成。數據庫安裝在服務器中，是CAM系統的核心;安裝有客戶端的計算機完成數據的輸入輸出工作，并通過局域網與服務器進行通訊。

　　SPC是針對工藝過程統計受控的要求發展起來的，利用統計分析理論，將連續采集的大量工藝數據轉換成信息，以確認、改善或糾正工藝過程特性，保證產品質量、成品率和可靠性，具有預警、診斷和調整的功能。SPC最簡單的應用就是均值控制圖，該原理在許多統計學書籍和文章中均有介紹，本文主要介紹具體應用。

　　以CAM為載體來實現SPC方法的技術是近年來隨著信息技術的提高發展起來的，相比傳統的生產管理方式，具有強有力的處理和分析問題的能力，同時還具有反應迅速、使用方便、界面直觀和穩定可靠的特點。

　　2 CAM和SPC技術的引入和應用

　　2.1 CAM技術的引入和應用

　　通過學習借鑒國內外工藝線CAM系統的先進經驗，結合工藝線的實際特點，作者及其同事開發出了適應其工藝線的CAM系統，稱為流片信息(WI)系統，以實現工藝生產的信息化管理。在WI系統中，建立有原材料庫、工藝模塊庫、工藝流程庫和產品庫4個主要部分。原材料庫內存儲所有外延材料的基本信息;工藝模塊庫中建立有各個工藝模塊的操作程序和參數指標;工藝流程庫由工藝模塊組成，為某產品所要經歷的具體流程;產品庫內存儲所有產品的基本信息。各部分之間的關系和運行模式如圖1所示。

　　圖1 Wl系統的架構和運行模式

　　在圖1所示的架構中，最主要的部分為工藝流程庫，這也是WI系統的核心。圖2為工藝流程庫，它由各種針對不同工藝的工藝流程所組成的，每個工藝流程可以分為以下幾個層次，從低級到高級依次為：工藝小步、工藝步驟、工藝模塊和工藝流程。其中工藝小步為WI系統中的最小結構單元，含有需要進行測量分析的所有工藝參數。

　　圖2 工藝流程庫的組成

　　在收到流片申請之后，負責流片的工程師首先選擇合適的材料，并編寫選擇相應的工藝流程，進行流片。在圖3所示的操作員終端界面中，可以看到當前所有產品的流片狀況，方便進行工藝生產的管理和控制。在每步工藝開始之前，該工藝操作人員利用操作員終端界面進入系統，查看工藝流程中所定義的工藝條件，并按照該條件作業，實現工藝指導書的功能;在各工藝完成后，操作人員將工藝結果和測試結果輸入到WI中，實現工藝參數的記錄;WI具有歷史查詢功能，包含兩個方面：工藝流程的邏輯查詢和工藝參數的數據查詢，前者主要用于工藝線的生產管理和流片安排，后者主要用于查看流片結果和數據分析。在圖4所示的WI參數歷史查詢界面中，右側列出具體的參數名稱，左側為查詢條件，工程師可以根據自己的需要設置查詢條件進行查詢，查詢結果可以輸出為Excel格式。

　　圖3 WI操作員終端界面

　　圖4 WI的參數歷史查詢界面

　　通過上述的流程，作者所設計的WI實現了三個基本功能：工藝指導書、參數記錄和提取、生產流程管理和歷史查詢。上述功能的實現，能夠將整條工藝線的運作通過WI來進行實時監控和調整，并能夠對數據進行及時的查詢和分析，大大提高了工作效率，促進了工藝線的穩定和發展。

　　2.2 SPC方法的實現

　　據上文所述，WI軟件系統中可以提取出大量的測試結果參數，利用統計學原理對這些參數進行分析處理，從而獲得具有指導意義的信息，是SPC方法的核心。通過查閱國內外有關資料，咨詢數據處理方面的專家，學習成熟的經驗，同時結合具體工藝的實際情況，不斷地進行總結和調整，最終形成了以下解決方案。

　　首先，選擇了制作直觀易懂的柵凹槽腐蝕電流()SPC均值控制圖，如圖5所示，圖中為片號。該類型控制圖含有幾組不同的控制限，其中LSL，USL以及TGT為規范限，一般為客戶要求的規范(或工藝內部規范);LCL，UCL以及AVE為控制限，是使用當前的數據根據35(標準偏差)的方法計算得到的。

　　圖5 柵凹槽腐蝕電流典型均值控制圖

　　在獲得SPC控制圖之后，根據具體圖形對工藝進行監控。正常的SPC控制圖各點應以目標值TGT為中心，在規范限的限制范圍內，無規律地上下波動，如圖5所示。如果出現異常，就需要進行分析判斷，找出原因進行調整。

　　圖6所示為n+凹槽腐蝕電流()的SPC控制圖，可以看出有一個點A超出了規范限。當出現這種情況時，應當立刻停止工藝，分析原因，安排工藝實驗，對工藝條件或者測試條件進行修正，最終使該工藝后續的結果在規范限之內，此為SPC控制圖的基本判斷功能。

　　圖6 n+凹槽腐蝕電流控制圖(A點超出規范限)

　　如果SPC的控制圖上連續7個點都在目標值的同側，如圖7所示，說明當前工藝狀態有所漂移，必須引起注意，立即分析原因并進行調整，使后續的測試結果以目標值為中心上下波動，這就是運用了SPC控制圖的預警功能，以避免出現更為嚴重的問題。

　　圖7 連續7點在目標值同側的控制圖

　　還有一種情況，如果控制圖上的點呈現出規律波動的形態，也應當引起注意。這種情況一般是由于不同的操作人員或者設備等外圍因素引起的，例如不同操作人員操作習慣不同，或者不同時間段的環境影響而導致參數結果有變化，需要對操作人員進行培訓，以保持工藝的一致性。

　　通過分析控制圖，可以對工藝進行改進和優化。圖8所示為一段時間內某電流測試結果的曲線圖，可以看到之前的點浮動范圍較大，對器件的最終測試結果影響很大。于是作者對工藝進行分析，及時調整了工藝條件，使腐蝕后電流的一致性大為提高，從而大大提高了成品率。之后，作者又對規范限及時地進行了調整，使其符合工藝調整后的標準。

　　圖8 利用控制圖對工藝規范限調整的結果

　　均值控制圖作為SPC方法的基本工具，在監控工藝線的統計受控狀態方面發揮著重要作用。通過實施和推廣SPC方法，可以清楚地了解各工藝的受控狀況，將可能出現的失誤減小到最低程度，從而提高工藝質量與生產效率。

　　隨著工藝控制的進一步深入，單獨的SPC均值控制圖已經不能滿足工藝的需要，這時可以引入極差控制圖來監控片內偏差，這樣就構成了均值一極差控制圖。同時，還可以進行工藝能力指數的計算。

　　3 結語

　　通過CAM技術的引入，作者及其同事基本完成了工藝線生產管理的信息化建設，同時以其為載體，實現了工藝線的SPC控制。這兩項技術的應用，極大提高了處理和分析數據的效率，大大縮短了對于工藝異常的反應時間，有力地促進了工藝的穩定和發展，為今后高效率寬帶GaAs微波功率單片的突破提供了堅實的基礎。

　　隨著工藝水平的不斷進步，作者及其同事將進一步完善CAM技術，更深層次、更廣泛地應用SPC方法，從而為高效率寬帶GaAs微波功率單片的持續穩定供貨提供強有力的保證。