【正文】 中文 5439 字 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )外文資料翻譯 學(xué) 院： 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 姓 名： 學(xué) 號： 外文出處： Journal of Process Control 2020,16:179~191 附 件： ； 。 指導(dǎo)教師評語： 簽名： 年 月 日 (用外文寫 ) 附件 1：外文資料翻譯譯文 半導(dǎo)體制造過程控制和監(jiān)測：工廠全框架 摘要 半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)開始了從 200 毫米到 300 毫米的晶片技術(shù)的過渡，以提高制造效率，降低制造成本。這些技術(shù)變革展出現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)下一代工廠控制系統(tǒng)的獨(dú)特的機(jī)會。 本文首先提出為 300毫米設(shè)備和計(jì)量工具和材料處理高度自動化的系統(tǒng)在全工廠范圍分 層控制的框架?，F(xiàn)有相關(guān)運(yùn)行的技術(shù)在工廠控制范圍內(nèi)通過了審查和分析。過程和計(jì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測，通過是舉例來說明的。缺失的部分，作為未來研究和發(fā)展的方向而被指出。結(jié)束語附在文章末尾。 2020 年由 Elsevier 有限公司出版 關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體制造 波段范圍內(nèi)的控制 電氣參數(shù)控制 運(yùn)行控制 故障檢測和分類 計(jì)量數(shù)據(jù)監(jiān)控 1 導(dǎo)言 半導(dǎo)體行業(yè)已開始從 200 毫米的技術(shù)過渡到 300 毫米轉(zhuǎn)換，以提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。隨著這種轉(zhuǎn)變， 300 毫米的資金的開支為 200 毫米的一倍。（一個生產(chǎn) 200毫米廠的 費(fèi)用超過 10 億美元，而 300 毫米晶圓廠的費(fèi)用超過 20 億。）其他技術(shù)變革包括： ?單晶片加工能力，而不是批量業(yè)務(wù)營運(yùn)能力； ?全自動化物料處理系統(tǒng)（ AMHS）的跨海灣和內(nèi)灣運(yùn)輸； ?綜合計(jì)量，以便及時(shí)控制； ?過程控制和故障診斷的高度自動化。 由于新時(shí)代的工廠資本高度密集，工廠的關(guān)鍵是保持高效率的運(yùn)作，減少設(shè)備停機(jī)的時(shí)間，優(yōu)化高品質(zhì)產(chǎn)品的產(chǎn)量。國際技術(shù)路線圖 [42]明確說明工廠的信息和控制系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的技術(shù)，是減少周期時(shí)間提高利潤。技術(shù)變革預(yù)示著為新時(shí)代工廠優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程控制系統(tǒng)的獨(dú)特機(jī)會。 缺乏現(xiàn)場傳感 器提供的反饋控制和優(yōu)化晶圓狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息是半導(dǎo)體制造控制業(yè)長久的挑戰(zhàn)。但幸運(yùn)的是，近期計(jì)量技術(shù) [44]的發(fā)展提供了改進(jìn)及時(shí)性和測量數(shù)據(jù)的作用性的機(jī)會。通常一個現(xiàn)代化的工廠，在半導(dǎo)體制造持續(xù)的挑戰(zhàn)控制是至關(guān)重要的現(xiàn)場傳感器提供的缺乏，晶圓的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息反饋的控制和優(yōu)化。最近，推進(jìn)計(jì)量技術(shù) [44]提供 了一個機(jī)會，改善及時(shí)性和實(shí)用性測量的數(shù)據(jù)。通常一個現(xiàn)代化的工廠具有相當(dāng)多的的測量數(shù)據(jù)可供分析和控制： （ 1）在工具層面，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反映了設(shè)備的健康狀況和提供反饋并實(shí)時(shí)控制 。 （ 2）綜合測量和在線測量數(shù)據(jù)的幾何尺寸可 進(jìn)行后期處理，有輕微的計(jì)量延遲 。 （ 3）樣品和最終電氣測試（電子測試）提供數(shù)據(jù)與中期或長期的電性能時(shí)間延遲，但他們最重要的信息制造業(yè)的成效。 先進(jìn)的控制手段與優(yōu)化方法應(yīng)盡量在所有的信息的使用綜合等級的高效率生產(chǎn)和嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量控制。 監(jiān)測和控制的半導(dǎo)體制造 程序已經(jīng)在一些美國的大學(xué)和工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出來。 作為代表的有 [28,32]對統(tǒng)計(jì)建模與控制等離子蝕刻機(jī)，密歇根實(shí)時(shí)運(yùn)行多變量控制 [22]，以及麻省理工學(xué)院在不同的傳感器和控制技術(shù) [7,8]。由于缺乏現(xiàn)場傳感器大部分控制開發(fā)工作從運(yùn)行（ R2R）控制策略 [12,41]。在馬里蘭大學(xué)研究小組貢獻(xiàn)的運(yùn)行區(qū)控制 [2,5,53]。領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商協(xié)會 SEMATECH 發(fā)布了在等離子設(shè)備故障檢測和診斷的幾種基準(zhǔn)問題 [4]。自適應(yīng)非線性 R2R 控制問題被提出。模型預(yù)測適用于 R2R 控制并具有額外的處理能力，可以明確的設(shè)定系統(tǒng)參數(shù) [19]。美國德州大學(xué)奧斯汀分校，我們已經(jīng)開發(fā)（一）穩(wěn)定的條件和多變量 EWMA 的調(diào)整方針雙控制 EWMA 的計(jì)量延誤[20,21]，（二）多元統(tǒng)計(jì)監(jiān)測的區(qū)域貿(mào)易協(xié)定和蝕刻機(jī) [52,51]，（三）多元統(tǒng)計(jì)控制從光刻技術(shù)的計(jì)量數(shù)據(jù)光盤 [14]。其他新的發(fā)展，控制和故障檢測是在最近由 Sematech 組織的 Spie會議和 AEC/APC 的專題討論會上由德爾卡斯蒂略和赫爾維茨 [15]和莫恩等總結(jié)的 [34]。制造公司，像 AMD，英特爾，摩托羅拉，德州儀器和小的應(yīng)用廠商像 Applied Materials, BrooksPRI Automation, and Yield Dynamics 是使用 APC 的技術(shù)生產(chǎn)線的領(lǐng)頭人。 在本文中，我們說明如何區(qū)分半導(dǎo)體類比制造工廠和化學(xué)工廠并提出一個分層優(yōu)化控制系統(tǒng)半導(dǎo)體晶圓廠控制。示意圖如圖 1，這個理論是由秦和桑 德曼首先提出的 [38]。裝備水平控制涉及的工具自動反饋控制參數(shù)和小規(guī)模運(yùn)行控制使用的綜合計(jì)量。第二個層次的運(yùn)行控制涉及在線測量的前饋使用和反饋控制。第三個層次是島嶼控制。層次結(jié)構(gòu)的頂層是工廠全控制，這是最高級別的優(yōu)化，通過重新計(jì)算所需的最優(yōu)幾何目標(biāo)而把消耗控制在劑量較低的水平。 該文件的組織如下。我們首先提出為 300 毫米設(shè)備和計(jì)量工具和材料處理高度自動化的系統(tǒng)在全工廠范圍分層控制的框架?，F(xiàn)有相關(guān)運(yùn)行的技術(shù)在工廠控制范圍內(nèi)通過了 審查和分析。過程和計(jì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測，通過是舉例來說明的。缺失的部分，作為未來研究和發(fā) 展的方向而被指出。結(jié)束語附在文章末尾。 2 一個工廠的框架范圍內(nèi)的控制 幾乎所有現(xiàn)有的發(fā)展都是以基于裝備水平計(jì)量數(shù)據(jù)的 R2R 控制為基礎(chǔ)的。這些被稱為島嶼控制如圖 1 的下部所示?，F(xiàn)有的控制策略都不能檢測協(xié)調(diào)多個制造步驟，從而提高電氣參數(shù)方面的總體質(zhì)量。 R2R 控制器的漂移補(bǔ)償通過計(jì)量設(shè)備反饋，但他們無法彌補(bǔ)計(jì)量漂移和不確定性。這里提出的電氣參數(shù)直接控制可以彌補(bǔ)計(jì)量漂移和幾何測量低于 SPC 限制的系統(tǒng)誤差。據(jù)認(rèn)為，控制和電氣參數(shù)優(yōu)化代表半導(dǎo)體制造控制系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品，因?yàn)樗苯涌刂葡录?R2R 控制器的使用。當(dāng)市場需求數(shù)量一定時(shí)，電氣參數(shù)的控制和優(yōu)化將最大限度地高檔產(chǎn)品產(chǎn)量或降低運(yùn)營成本。 如圖 1 所示工廠全控制框架提供優(yōu)化和加強(qiáng)協(xié)調(diào)，逐步減少變性，返工和廢料，從而改善整體設(shè)備效率，降低制造成本。這一框架由秦和桑德曼 [38]在 AMD 上部署許多R2R 控制器并分析更高層次的控制需求后提出。裝備水平的控制涉及工具參數(shù)的自動反饋控制。下一個層次是 R2R 控制采用綜合或內(nèi)嵌計(jì)量，以達(dá)到特定的目的。第三個層次是控制島嶼從多個步驟來執(zhí)行前饋和反饋控制以及工具的性能匹配。層次結(jié)構(gòu)的頂層是電氣參數(shù)控制（ EPC）或工廠范 圍的控制，通過重新計(jì)算對下級的最優(yōu)目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電氣性能。設(shè)備漂移，計(jì)量漂移，和物質(zhì)補(bǔ)償?shù)淖兓窃?EPC 反饋水平，從而改善進(jìn)程，提高可用性，減少計(jì)量校準(zhǔn)器和測試晶圓的使用。 需求檔案 晶圓廠寬控制 設(shè)備模式 數(shù)據(jù)濾波，平滑約束 島的控制 圖 1 作為工廠高層電氣參數(shù)控制范圍控制（ ECD：電化學(xué)沉積 。CMP：化學(xué)，力學(xué)，拋光）。 蝕刻 照片 沉積 這種多層次控制框架類似于已經(jīng)在煉油行業(yè) [39]成功的分層控制框架，但存在重大分歧：（ 1）最低級的控制主要是批量操作 ； （ 2）中層 R2R 的控制，除了干擾幾乎沒有 R2R動力學(xué)過程的動態(tài)特性；（ 3）頂層的 EPC 是一個多步操作的控制，目的是彌補(bǔ)以前的步驟失誤，不考慮絕對誤差，只要分步進(jìn)行計(jì)量的測量結(jié)果是可用的。這使其與模型預(yù)測控制（ MPC）縮小 視野的批處理不同。在化學(xué)和煉油過程中，頂級優(yōu)化是實(shí)時(shí)優(yōu)化 [31]，中等水平的是全面的動態(tài) MPC。 由于 MPC 是一個強(qiáng)大的和成功的技術(shù)，它已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)擴(kuò)展到調(diào)度和生產(chǎn)規(guī)劃 [11,46,47]。該全工廠控制框架也參考 MPC 框架，但重點(diǎn)是優(yōu)化設(shè)備的電氣參數(shù)控制。 電子測試數(shù)據(jù)用來改善設(shè)備模型之間的電子測試數(shù)據(jù)和模型的參數(shù)不匹配。參數(shù)評估進(jìn)行后，估計(jì)參數(shù)被發(fā)送到工廠范圍優(yōu)化器，分配指標(biāo)，以較低級別的控制器，調(diào)節(jié)生產(chǎn)制造過程。隨著新的模型參數(shù)設(shè)置更新，該模型開始用于 EPC 控制。 3 運(yùn)行控制算法 近年來，運(yùn)行 （ R2R）控制技術(shù)已受到半導(dǎo)體制造業(yè)的巨大關(guān)注。莫恩和赫維茨（莫恩等 [34]）定義了 R2R 控制： ―一個離散的過程和機(jī)械控制，其中就某一特定過程的產(chǎn)物易地修改，以盡量減少過程中的漂移，轉(zhuǎn)變和可變性 ‖。為了修改配方，處理過程中漂移，轉(zhuǎn)移和其他變化，目前的工具和晶圓州有必要進(jìn)行估計(jì)。一類廣泛使用的運(yùn)行可以運(yùn)行的是在指數(shù)加權(quán)移動平均（ EWMA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，估計(jì)過程擾動的控制器。 EWMA 已經(jīng)用于長的時(shí)間質(zhì)量監(jiān)測目的 [9]。其使用是作為 R2R 控制的近期應(yīng)用 [40]。如需 easurement {x[n],x[n1], . . .}的時(shí)間序列，其中 N 表示運(yùn)行數(shù)，給出了 EWMA 的遞推公式： X[n]=wx[n1]+(1w)x[n] 最有效的一個操縱 R2R 控制變量是在諸如蝕刻時(shí)間，曝光時(shí)間，處理步驟，處理時(shí)間和平整時(shí)間。在這種情況下的控制變量通常在何種程度下發(fā)展的進(jìn)程處理時(shí)間，如蝕刻和深入的關(guān)鍵方面。 前面介紹的相乘模式不適合典型的線性狀態(tài)空間模型，但可以轉(zhuǎn)換為線性狀態(tài)與過程和測量空間模型，簡單地由對數(shù)測量噪音。因此，本文提出的所有控制算法適用于時(shí)間控制。 4 故障檢測與診斷 數(shù)據(jù)處理工具例如溫度，壓力，氣體流量等將被 應(yīng)用到單晶片或批量的磁盤中。比 如一些典型的加工服務(wù)，包括等離子體刻蝕，薄膜沉積，快速熱退火，離子注入，化學(xué)機(jī)械研磨等。在大多數(shù)的處理步驟中，每一個感應(yīng)器都收集晶圓磁盤或那些數(shù)據(jù)處理的工具。這個數(shù)據(jù)可以制造出先進(jìn)的傳感器平臺，如光發(fā)射光譜中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，簡易的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，其數(shù)據(jù)形式在每次運(yùn)行結(jié)束時(shí)都可用。 數(shù)據(jù)故障檢測與診斷已成功應(yīng)用于其他行業(yè)的開發(fā)和應(yīng)用中 [30,49]。這些驅(qū)動的故障檢測技術(shù)是基于多元統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上來完成的，如主成分分析（ PCA）和局部最小乘積（ PLS）的數(shù)據(jù)和相關(guān)的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制方法 [26]。這些監(jiān)測方法最近的一項(xiàng)審查可參考[36]。 雖然半導(dǎo)體制造的批處理性質(zhì)為申請多路過程監(jiān)控 [35]提供了很多機(jī)會，許多半導(dǎo)體計(jì)量數(shù)據(jù)組織形式被分成三個方面。其中一個是 CD 計(jì)量，它的三個方面是晶圓，站點(diǎn)和參數(shù)。批量數(shù)據(jù)也通?？梢约庸わ@示出批量，時(shí)間和參數(shù)的工具（圖 2）。 多路 PCA 已成功地應(yīng)用于許多不同行業(yè)的批量加工過程監(jiān)控。在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域Yue 等人 [52]提出了通過申請多路 PCA 到等離子蝕刻機(jī)的光發(fā)射譜來擴(kuò)展數(shù)據(jù)的觀點(diǎn)。對于計(jì)量和處理工具的監(jiān)測，數(shù)據(jù)可以通過站點(diǎn)或時(shí)間（每行代表一個晶片上的一個站點(diǎn)或批處理 的一個時(shí)刻）或晶片（每行代表一個晶圓）展開。在這項(xiàng)工作中，晶圓級故障檢測與識別是必需的，所以后者已被選為更好的展開方法（圖 4）。正如后面將要討論的，用站點(diǎn)或時(shí)間分析數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)可以通過實(shí)現(xiàn)多塊做法來體現(xiàn)。 晶圓 批次 參數(shù) 時(shí)間 網(wǎng)站 圖 2 組織網(wǎng)站水平和批量的數(shù)據(jù) 計(jì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測 雖然加工業(yè)務(wù)創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)，但是計(jì)量業(yè)務(wù)使它們擁有了這些特點(diǎn)。計(jì)量測量的一些例子包括發(fā)展檢驗(yàn)關(guān)鍵尺寸（ DICD），最后檢查關(guān)鍵尺寸（ FICD）和薄膜的厚度。計(jì)量測量通常在半導(dǎo)體晶片上多點(diǎn)采樣，在同一點(diǎn)檢測不同特征。故障檢測和識別應(yīng)用到站點(diǎn)級計(jì)量數(shù)據(jù)是為了驗(yàn)證整個晶圓表面建立在 半導(dǎo)體晶片上的結(jié)構(gòu)是否都均勻的在他們該在的位置。 作為一個例子，我們使用 PCA 進(jìn)行故障檢測并用來自得克薩斯州奧斯汀 AMD 的Fab25 DICD 進(jìn)行數(shù)據(jù)鑒定。在光阻材料發(fā)展起來之后，該 DICD 是光阻材料圖案寬度。如圖 3 所示，在各向同性發(fā)展表明各光阻底部和頂部之間的差異很小。該數(shù)據(jù)集由 700片晶圓組成，每個晶圓頂部和底部各有 9 個測點(diǎn)。 圖 6 為分組的所有 9 個站點(diǎn)為兩個參數(shù)合計(jì)，圖 7 重點(diǎn)考慮到每個站點(diǎn)的參數(shù)。這展開 參數(shù) 網(wǎng)站 時(shí)間 網(wǎng)站 時(shí)間 網(wǎng)站 時(shí)間 網(wǎng)站 時(shí)間 晶圓/批次 晶圓/批次 網(wǎng)站 時(shí)間 參數(shù) 圖 4 展開的網(wǎng)站水平和批量數(shù)據(jù) 頂部 頂部 底部 底部 光刻膠 多晶硅 圖 3 發(fā)展檢查關(guān)鍵尺寸（ DICD） 9 個圖可以很容易地識別基于晶片位置的問題。由提供的數(shù)據(jù)顯示，出現(xiàn)的漂移在站點(diǎn)2， 3 和 4 最強(qiáng)，而它是很難在點(diǎn) 6， 8 和 9 強(qiáng)烈漂移。隨著了解每個站點(diǎn)在晶圓上的位置，將有可能使用這些圖和掩蔽工具來解決可能傾斜或焦點(diǎn)問題。 水 水 水 圖 5 DICD 使用 SPEr 故障檢測， T r 的和烏拉圭回合。 底部 DICD 水 頂部 DICD 水 圖 6 DICD 故障識別使用參數(shù)貢獻(xiàn) 網(wǎng)站 1 網(wǎng)站 9 網(wǎng)站8 水