所有行业 › 半导体晶圆厂 💠 半导体晶圆厂 实时模型 你负责一座 300 mm 晶圆厂的光刻工段:八台光刻机、一间洁净室,以及一个必须保持在规格内的配方。晶圆排队等候,设备会出故障,颗粒会飘入,每个决策都会影响良率。
你将学到什么 为什么让一组设备的利用率接近 100 % 会使队列暴增(利特尔定律、金曼公式)。 空气中的颗粒如何变成致命缺陷,以及芯片面积如何改变良率(负二项模型)。 SPC 控制图如何在配方漂移造成晶圆报废之前把它揭示出来。 实时模拟器需要 JavaScript。下面的所有内容(模型、公式和来源)无需它也可以阅读。
模拟器
设备可用率 100% · 在制品 20 · 洁净室 ISO 等级 3.4 S1 ⚙ S2 ▶ S3 ▶ S4 ▶ S5 ▶ S6 ▶ S7 ‖ S8 ‖ WIP 20 ▶ 34 wph 控制 产品 移动芯片(100 mm² 芯片)
移动芯片(100 mm² 芯片) 加速器芯片(600 mm² 芯片) 派人封堵过滤器泄漏 耗时 3 h,作业期间洁净室内增加 2 人。
回退配方并重新认证 以一半产能运行 2 h,之后工艺回到目标值。
指标 设备可用率 100 % 设备利用率 71 % 工程时间 10 % 已投片晶圆数 34 wph 在制品 20 wafers 缺陷密度 0.110 /cm² 工艺能力 Cpk 1.25 · 警告 超出规格(晶圆当量) 0.0 wph 工段功率 1339 kW
趋势 图表指标 良品芯片产出 良率 洁净室 ISO 等级 工段周期时间 设备可用率 设备利用率 工程时间 已投片晶圆数 在制品 缺陷密度 工艺能力 Cpk 超出规格(晶圆当量) 工段功率 良品芯片产出: — /h 25000 0 SPC 样本(CD 偏移) SPC 样本(CD 偏移): 0 ⚑ +3σ −3σ 危机场景 第 1 级 · 颗粒偏离 移动芯片产线的一个常规班次。工段上方某处的一个天花板过滤器即将失效。要让洁净室保持在等级内,保护良率,而且不要让风机全速运转的时间超过必要。
结束时 ISO 等级回到 ≤ 3.6 第一小时之后始终不超过 4.55 级 偏离最初几小时内平均良率 ≥ 87 % 后半段工段平均功率 ≤ 1,380 kW 第 2 级 · 光刻机宕机 工段以每小时 38 片投片量满负荷运转。三台光刻机即将同时停机。要在把它们修好的同时,防止队列暴增,并且仍然交付良品芯片。
结束时 WIP ≤ 60 片晶圆 宕机后周期时间始终不超过 3.5 h(排队时间窗口) 48 h 内至少 900,000 颗良品芯片 48 h 内至少投片 1,600 片晶圆(投片计划:每小时 34 片) 第 3 级 · 配方漂移 昨晚上线了新的配方版本。目前还没人知道它会缓慢改变关键尺寸。请盯紧 SPC 图:在晶圆超出规格之前发现漂移并回退。
超出规格的晶圆当量合计最多 12 片 结束时 Cpk ≥ 1.2 至少 620,000 颗良品芯片 第 2 级 · 新产品爬坡 一款大型加速器芯片带着不成熟的工艺投产:缺陷密度很高,而 600 mm² 的芯片毫不容错。产线以每小时 42 片的投片量运行。你有 14 天。要在今天的产出与明天的学习之间取得平衡。
第 14 天缺陷密度 ≤ 0.08 /cm² 14 天内至少 660,000 颗良品芯片 依据:数字背后的模型 模拟器使用的每一个关系式及其来源。标注为假设的常数是示意性校准值。
落在晶圆上的颗粒会按空气浓度的比例增加致命缺陷。 D_total = D_learn + k · C, k = 4·10⁻⁶ cm⁻² per particle/m³假设:这是示意性常数,真实晶圆厂会根据自己的检测数据校准致命缺陷率。
模型使用的其他运行常数。 8 scanners × 6 wafer-starts/h · metrology −0.5 % capacity per sampled wafer/h · rollback: 2 h at half capacity + 4 wafer-equivalents reworked · drift 0.25 nm/h · crash repair 18 technician-hours · leak crew +2 people for 3 h · tools 150 kW busy / 60 kW idle, fans 150 kW at 100 %假设:各量级(MTBF、产生率、k、τ)均为示意性校准值,并非真实晶圆厂的数据。 随机性:带种子的 mulberry32 生成器;所用分布包括均匀分布、指数分布(逆 CDF)、正态分布(Box–Muller)和泊松分布(Knuth)。种子会显示出来,并且可以分享。
来源 SEMI E10 — Specification for Definition and Measurement of Equipment Reliability, Availability, and Maintainability (RAM) and Utilization — SEMIISO 14644-1:2015 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration — ISO, 2015C. H. Stapper, F. M. Armstrong, K. Saji — Integrated circuit yield statistics — Proceedings of the IEEE 71(4), 1983J. A. Cunningham — The use and evaluation of yield models in integrated circuit manufacturing — IEEE Trans. Semiconductor Manufacturing 3(2), 1990W. J. Hopp, M. L. Spearman — Factory Physics (3rd ed.), ch. 7–8: Little’s law, Kingman (VUT) equation — Waveland Press, 2008 J. D. C. Little — A Proof for the Queuing Formula L = λW — Operations Research 9(3), 1961D. C. Montgomery — Introduction to Statistical Quality Control (x̄ charts, process capability Cpk) — Wiley, 2019 NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods — 6.3 Univariate and Multivariate Control Charts; 6.1.6 Process capability — NISTDies-per-wafer estimate DPW = πd²/(4S) − πd/√(2S) (de Vries, “Investigation of gross die per wafer formulas”, IEEE TSM 18(1)) — IEEE, 2005Fan affinity laws: flow ∝ speed, pressure ∝ speed², power ∝ speed³ — U.S. DOE — Improving Fan System Performance: A Sourcebook for IndustryEN 1822-1:2019 High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) — classification (U15 ≥ 99.9995 % at MPPS) — CEN, 2019 Western Electric Statistical Quality Control Handbook (1956) — zone rules for control charts — Western Electric / NIST e-Handbook 6.3.2W. Whyte — Cleanroom Technology: Fundamentals of Design, Testing and Operation (2nd ed.), ch. on dispersion of particles from people; well-mixed room dilution equation — Wiley, 2010 Yu. I. Bogdanov, N. A. Bogdanova, V. L. Dshkhunyan — Statistical Yield Modeling for IC Manufacture: Hierarchical Fault Distributions (§2 Compound Poisson distribution, after Eq. (17), p. 4 of the arXiv PDF — large-area clustering negative binomial model: the cluster parameter’s “typical values approximately range from 0.3 to 7”) — arXiv physics/0303039, 2003R. C. Leachman — Yield Modeling and Analysis (Poisson, Murphy, Seeds, negative-binomial models; §8: SMLY survey with C. N. Berglund for International SEMATECH, 2002–03 — yield loss fitted as YL(t) = YL(0)·e^(−λt), Table 2 averages 4.4 / 4.0 / 6.5 %/month at 350 / 250 / 180 nm) — UC Berkeley, IEOR 130 course notes (unpublished), 2014 A. Klemmt, L. Mönch — Scheduling jobs with time constraints between consecutive process steps in semiconductor manufacturing (time windows set by process engineering against native oxidation and contamination; jobs that violate them are scrapped) — Proceedings of the 2012 Winter Simulation Conference, 2012NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods — 8.1.6.1 Exponential distribution (constant failure rate) — NISTC. Weber — Yield learning and the sources of profitability in semiconductor manufacturing and process development — IEEE Trans. Semiconductor Manufacturing 17(4), 2004M. Abramowitz, I. Stegun — Handbook of Mathematical Functions, 26.2.17 — NBS, 1964 教育模型,不可用于实际运营决策。真实站点会根据自己的设备和数据校准每一个常数。