晶圓制造中 APQP 提升研發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量的應(yīng)用

0 引言

上海華虹集團(tuán)是國家“909”工程的載體，是以集成電路制造為主業(yè)，面向全球市場，具有自主創(chuàng)新能力和市場競爭力的高科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，肩負(fù)著國家“十一五”集成電路規(guī)劃的重任。集團(tuán)旗下的華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司是為客戶提供包括晶圓設(shè)計，晶圓制造和晶圓測試等一站式全稱服務(wù)。完整的產(chǎn)業(yè)鏈給華虹宏力的質(zhì)量提升給予了更高的要求，客戶們也提出了加強(qiáng)質(zhì)量控制，建立產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃（Advanced Product Quality Planning，APQP）的建議。

根據(jù) KANO 模型分析，這是客戶期望型需求，也是華虹宏力具有完整產(chǎn)業(yè)鏈可以吸引客戶的魅力質(zhì)量需求。公司領(lǐng)導(dǎo)對于客戶聲音非常重視，要求在半年內(nèi)應(yīng)用 APQP 將量產(chǎn)品的項目完成率達(dá)到 70%。研究“如何通過 APQP 在晶圓研發(fā)階段的應(yīng)用提升晶圓制造產(chǎn)品質(zhì)量”具有重要的實踐意義。為晶圓廠創(chuàng)造了魅力價值，技術(shù)突破，客戶滿意度，縮短了從設(shè)計到市場化的周期，為客戶贏得了市場先機(jī)。

APQP 項目的意義在于可以事先做好詳細(xì)的策劃，將所需的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等準(zhǔn)備好。它的目的就在于一次就把產(chǎn)品做好，一次就讓客戶滿意。引導(dǎo)資源，促進(jìn)所需更改的識別，避免后期更改，以最低的成本及時提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品[1-19]。

1 APQP 項目的技術(shù)路線

APQP 小組主要通過項目管理方法，結(jié)合多種質(zhì)量工具，整合應(yīng)用在晶圓產(chǎn)品研發(fā)階段，通過在研發(fā)階段的應(yīng)用，以提升晶圓制造階段的產(chǎn)品質(zhì)量。內(nèi)容偏重于質(zhì)量工具的技術(shù)應(yīng)用，在具體實施過程中遇到哪些問題和如何解決這些問題的方案。通過 APQP 管制與驗證新產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計的品質(zhì)，以確保達(dá)成最佳化的制程生產(chǎn)要求（圖 1）。

2 APQP 項目的實施過程

2.1 APQP 團(tuán)隊設(shè)立，確定項目目標(biāo)及范圍

以質(zhì)量部門牽頭的 APQP 的團(tuán)隊使用了責(zé)任分配矩陣明確了職責(zé)。關(guān)于“如何通過 APQP 在晶圓研發(fā)階段的應(yīng)用提升晶圓制造產(chǎn)品質(zhì)量”，沒有先例可以照搬照套。大部分晶圓制造廠商并不具備完整的產(chǎn)業(yè)鏈，所以并不能在設(shè)計階段運用 APQP 的工具來提高晶圓制造階段的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1.1 問題陳述

相比晶圓制造階段，研發(fā)過程產(chǎn)品的質(zhì)量控制力度不夠，使用質(zhì)量工具也比較少，存在著異常事件或者設(shè)計缺陷無法被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險，在后續(xù)的晶圓制造階段埋下了隱患。這些缺陷往往會在晶圓生產(chǎn)階段產(chǎn)生潛在的質(zhì)量問題，或者為后續(xù)的質(zhì)量提升埋下隱患。

2.1.2 基礎(chǔ)陳述

APQP 是一種結(jié)構(gòu)化的方法，用來定義和建立確保某產(chǎn)品符合客戶滿意所需的步驟。

2.1.3 目標(biāo)陳述

在半年內(nèi)，運用 APQP 以及多種質(zhì)量工具，整合應(yīng)用在晶圓研發(fā)階段，從而提高晶圓制造階段的質(zhì)量管控水平，提高對于設(shè)計缺陷和制造階段會產(chǎn)生的異常狀況的早期預(yù)警能力。目標(biāo)是促進(jìn)涉及的所有人員（相關(guān)方）的聯(lián)系，以確保所要求的步驟按時完成。

2.1.4 制約因素

由于研發(fā)人員普遍聚焦在產(chǎn)品的性能指標(biāo)比如頻率和功耗等等，不熟悉晶圓制造的過程，意識不到后續(xù)大量生產(chǎn)之后會遇到的質(zhì)量問題，對于質(zhì)量工具也不熟悉。而晶圓制造工程人員普遍聚焦在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，對于研發(fā)產(chǎn)品的性能制約因素也缺乏了解。同時， APQP 項目的目標(biāo)時間只有半年，就要將量產(chǎn)品的項目完成率達(dá)到 70%。有效的產(chǎn)品質(zhì)量策劃依賴于公司最高管理層支持，以實現(xiàn)客戶滿意。

2.1.5 溝通

APQP 小組每月開會總結(jié)所有產(chǎn)品的項目情況。在每一個項目節(jié)點完成的時候會進(jìn)行會議討論。

APQP 小組使用 SIPOC 圖來識別項目涉及的主要流程，明確項目范圍。在每次項目溝通會議上， APQP 小組運用質(zhì)量工具進(jìn)行各種分析，列出預(yù)計量產(chǎn)階段的各方面工程數(shù)據(jù)和研發(fā)階段的少批量工程數(shù)據(jù)的差異，制定修改方案，在研發(fā)階段就加以改進(jìn)和調(diào)整，創(chuàng)新地在研發(fā)階段就對晶圓制造中會遇到的問題進(jìn)行解決和優(yōu)化。大大地縮短了晶圓制造過程的產(chǎn)品量產(chǎn)化的周期和良率。

2.2 制定計劃、實施和控制

質(zhì)量工具的使用必須要考慮晶圓研發(fā)的特點，重點應(yīng)該在項目實施過程中應(yīng)用質(zhì)量工具加強(qiáng)質(zhì)量控制。

2.2.1 失效模式與影響分析 FMEA

根據(jù)失效模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）手冊指導(dǎo)在晶圓設(shè)計和制造階段分析每一階段可能發(fā)生的風(fēng)險，加以評估和管控，晶圓制造階段使用的是 PFMEA，晶圓研發(fā)階段使用的是 DFMEA。一般的晶圓制造工廠和晶圓研發(fā)公司分屬于兩家公司，而且基于知識產(chǎn)權(quán)的考慮 PFMEA 和 DFMEA 之間聯(lián)系很少。基本處于晶圓制造工廠不了解晶圓設(shè)計，晶圓設(shè)計公司不了解晶圓制造。很多晶圓設(shè)計方面的缺陷在晶圓制造量產(chǎn)中才體現(xiàn)出來，往往發(fā)現(xiàn)問題已經(jīng)是幾個月以后，此時再修改晶圓設(shè)計為時已晚，即使修改再量產(chǎn)也會錯失產(chǎn)品市場。

APQP 小組對于每一個產(chǎn)品和平臺都制定相應(yīng)的 PFMEA 和 DFMEA，識別出潛在的失效模式，然后根據(jù) FMEA 手冊的指導(dǎo)，綜合評估嚴(yán)重度，發(fā)生度，探測度和綜合風(fēng)險指數(shù) RPN 值。對于綜合風(fēng)險指數(shù) RPN 高的潛在失效項目制定有效措施，以降低綜合風(fēng)險指數(shù) RPN 值。經(jīng)過多次的 APQP 項目小組對 PFMEA 和 DFMEA 的潛在風(fēng)險評估技術(shù)分析，力求將綜合風(fēng)險指數(shù) RPN 值降到最低。

2.2.2 統(tǒng)計制程控制 SPC

制程的統(tǒng)計過程控制（Statistical Process Control，SPC）是通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，運算，分析，改進(jìn)，評估制程的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。在制程的合理范圍內(nèi)，通過統(tǒng)計學(xué)分析，對于制程的異常波動進(jìn)行示警，事先預(yù)測并實施改進(jìn)措施。傳統(tǒng)的SPC是對于既有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，但現(xiàn)代 SPC 提出了對于未來數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測的需求。APQP 要在晶圓研發(fā)階段就對于未來量產(chǎn)階段的產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，有賴于現(xiàn)代 SPC 技術(shù)的發(fā)展。

APQP 小組創(chuàng)新地提出了 SPC 預(yù)測質(zhì)量管控線和制程目標(biāo)值。在 APQP 沒有成功地應(yīng)用于晶圓研發(fā)階段以前，產(chǎn)品在晶圓制造中質(zhì)量管控線一般來自同類產(chǎn)品量產(chǎn)過程中的經(jīng)驗教訓(xùn)和客戶指定的電性指標(biāo)。這些往往出自大量報廢后才能總結(jié)出的，而客戶指定的電性指標(biāo)往往過于寬松。

APQP 小組的目標(biāo)就是要利用 SPC 預(yù)測出一個質(zhì)量控制區(qū)間，質(zhì)量管控線一般窄于客戶指定的電性指標(biāo)和同類產(chǎn)品地經(jīng)驗教訓(xùn)。大部分生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)都會落入此管控區(qū)間中，一旦有數(shù)據(jù)落在區(qū)間外則認(rèn)為出現(xiàn)了異常。質(zhì)量控制區(qū)間為工程師提出了異常數(shù)據(jù)的預(yù)警，一旦數(shù)據(jù)超出質(zhì)量控制區(qū)間，工程師就能即時對晶圓制程進(jìn)行干預(yù)。

APQP 小組成功將 SPC 質(zhì)量管控線應(yīng)用于實踐，這就大大提高了研發(fā)階段產(chǎn)品在晶圓生產(chǎn)階段的產(chǎn)品質(zhì)量，極大地提高了研發(fā)產(chǎn)品在晶圓制造階段早期的小批量生產(chǎn)階段的異常波動，降低了異常發(fā)生造成的質(zhì)量問題。

2.2.3 大數(shù)據(jù)分析

與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)不同，大數(shù)據(jù)是指超出了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)軟件的數(shù)據(jù)采集，存儲，運算和分析等能力以外，最重要的是對于不同的數(shù)據(jù)庫能夠有瞬時聯(lián)動功能，這對數(shù)據(jù)的運算能力，運算速度，存儲量，智能分析能力都是極大的考驗。背后也考驗經(jīng)驗豐富的工程人員對于工程數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度設(shè)定。

不僅僅是對現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)的異常波動做出判斷和預(yù)警，最重要的是能對數(shù)據(jù)未來的走勢做出預(yù)判。大數(shù)據(jù)的分析在先進(jìn)制造行業(yè)的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了APQP在晶圓研發(fā)階段的應(yīng)用提升晶圓制造產(chǎn)品質(zhì)量，而且會隨著時間和技術(shù)的發(fā)展而不斷增長。

2.2.4 間隔時間 Q-time

Q-time（Queue-time）是指不同制程之間的間隔時間的質(zhì)量管控。Q-time 控制在晶圓制程流程圖，控制計劃中都有明確的規(guī)定。針對超出 Q-time 的情況的處置，系統(tǒng)也明確規(guī)定了晶圓的處置是加速運行還是晶圓返工或者擱置做進(jìn)一步工程處置。

2.2.5 程序控制管理 RCM

程序控制管理（Recipe Control Management，RCM）系統(tǒng)是工程部門用于管理控制程序的系統(tǒng)，工程部門修改現(xiàn)有程序或者新建程序都要通過 RCM 系統(tǒng)并記錄所有的更改項目。

通過 FMEA 對于程序的影響做出分析，評估程序，程序調(diào)整的范圍必須在相關(guān)的程序修改文件和流程調(diào)整的界限內(nèi)。工程部門必須嚴(yán)格按照流程和文件來設(shè)定程序。

晶圓制造的步驟長達(dá)上百步，任何一步的錯誤都有可能會導(dǎo)致晶圓的報廢。所以根據(jù)關(guān)鍵程序，APQP 小組展開了討論，根據(jù) FMEA 分析出所有可能的失效風(fēng)險項目，由工程部門收集相關(guān)的工程數(shù)據(jù)。通過分析工程數(shù)據(jù)，APQP 小組討論如何通過調(diào)整和協(xié)同合作，各部門之間相互調(diào)整，使得晶圓設(shè)計階段設(shè)計的工程電性參數(shù)能夠符合客戶要求和工程制造階段的制程能力。

2.2.6 測量系統(tǒng)分析 MSA

測量系統(tǒng)分析（Measurement System Analysis，MSA）是用來對被測特性定量測量或定性評價的儀器或量具，標(biāo)準(zhǔn)，操作，方法，人員，環(huán)境和假設(shè)的集合；用來獲得測量結(jié)果的整個過程。通過穩(wěn)定性（Stability）、偏倚（Bias）、線性（Linearity）、再現(xiàn)性（Reproducibility）、重復(fù)性（Repeatability）來判斷測量系統(tǒng)必須顯示足夠的靈敏性，測量系統(tǒng)是否穩(wěn)定，統(tǒng)計特性是否在預(yù)期范圍內(nèi)應(yīng)該是一致的。

3 結(jié)語

6 個月以后，APQP 小組向公司高層領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行了 APQP 項目總結(jié)報告。公司高度評價了 APQP 項目組成員對于項目的成功所做的努力，通過 APQP 在晶圓研發(fā)階段的應(yīng)用提升晶圓制造產(chǎn)品質(zhì)量。增加了公司的競爭力，縮短了產(chǎn)品從晶圓研發(fā)到晶圓制造的周期，大大增加了客戶滿意度。