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

模拟器

时间 0 h
设备可用率 100% · 在制品 20 · 洁净室 ISO 等级 3.4S1⚙S2▶S3▶S4▶S5▶S6▶S7‖S8‖WIP 20▶ 34 wph
  • 生产
  • 待机
  • 工程
  • 停机(维修)
  • 空气中的颗粒

控制

每小时投入工段的晶圆数。

分配给实验晶圆批次、让工艺积累经验的光刻机时间比例:当前产出减少,之后缺陷更少。

每名技术员一次只能修一台设备。

换气次数越多,颗粒被稀释得越多;风机功率随转速的立方增长。

每位穿着洁净服的人仍会产生颗粒。

每小时量测的晶圆数:SPC 图更灵敏,产能略有下降。

耗时 3 h,作业期间洁净室内增加 2 人。

以一半产能运行 2 h,之后工艺回到目标值。

指标

良品芯片产出
19547/h
良率
89.8%
正常
洁净室 ISO 等级
3.4
正常
工段周期时间
1.6h
正常
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 Cpk1.25 · 警告
超出规格(晶圆当量)0.0 wph
工段功率1339 kW

趋势

良品芯片产出: — /h250000

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。

设备状态遵循 SEMI E10:生产、待机、工程、计划停机和非计划停机。
Availability = up tools / 8 · Utilization = productive tool-hours / total[1]
设备随机发生故障,故障前时间服从指数分布;维修要等有空闲技术员。
P(fail in Δt) = 1 − e^(−Δt/MTBF), MTBF = 250 h; repair ~ Exp(mean 6 h) once a technician is free[17][1]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。
利特尔定律把在制品、吞吐量和周期时间联系起来。
CT = WIP / TH = T0 + queue / TH, T0 = 1 h[6][5]
在稳定的产线中,产出等于投片速率,所以没投出去的一片就是永远出不来的一片。工序之间等待过久的晶圆会超出排队时间窗口。
TH = release rate while u < 1 ⇒ wafers out ≈ Σ starts; queue wait = CT − T0 = queue / TH ≤ queue-time window (3.5 h CT in semi-tool-crash)[5][16]假设:3.5 h 的周期时间上限代替排队时间窗口(Q-time);实际窗口由工艺工程逐道工序设定,超出窗口的晶圆通常会报废。
金曼近似:排队时间按 u/(1−u) 增长,利用率接近 100 % 时会急剧飙升。
CTq ≈ ((ca² + ce²)/2) · (u/(1−u)) · te[5]仅为帮助直观理解而显示:模拟器中的队列源于随机到达和随机产能,而不是这个公式。
粒径为 D 的颗粒的 ISO 14644-1 等级限值;在 0.1 µm 时,等级是浓度的对数。
Cn = 10^N · (0.1/D)^2.08 ⇒ N = log10(C≥0.1µm)[2]
充分混合的房间:浓度 = 产生量 ÷(换气次数 × 体积 × 过滤效率)。
C = G / (ACH · V · η)[13][11]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。
风机相似定律:功率随风机转速的立方上升。
P_fan = P_max · (speed)³[10]
负二项良率:缺陷会成簇出现,所以良率的下降比泊松模型预测的更慢。
Y = (1 + A·D/α)^(−α), α = 2 (α→∞: Y = e^(−A·D))[3][4][15][14]
良率学习:随着投入工程时间,缺陷密度向成熟水平衰减。
D(t+Δt) = D∞ + (D − D∞)·e^(−Δt/τ), τ = 120 h · (0.10 / engineering share)[15][18]假设:τ 相比业界报告的学习速率(每月 4–6.5 %,Leachman)压缩了约 100 倍,以便 14 天的场景能展现出这一效果。
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。
参数良率:正常工艺落在规格限内的比例;Cpk 衡量裕量。
Y_param = Φ((USL−μ)/σ) − Φ((LSL−μ)/σ), Cpk = min(USL−μ, μ−LSL)/(3σ)[7][8][19]
SPC:n 个样本的平均值,带 ±3σ/√n 控制限和区域规则。
x̄ ~ N(μ, σ/√n), control limits ±3σ/√n; zone rules (2 of 3 beyond 2σ, 4 of 5 beyond 1σ, 8 on one side)[8][7][12]
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。
面积为 A 的芯片在每片 300 mm 晶圆上的毛芯片数。
DPW = π·d²/(4A) − π·d/√(2A), d = 300 mm[9]

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

  1. SEMI E10 — Specification for Definition and Measurement of Equipment Reliability, Availability, and Maintainability (RAM) and Utilization — SEMI
  2. ISO 14644-1:2015 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration — ISO, 2015
  3. C. H. Stapper, F. M. Armstrong, K. Saji — Integrated circuit yield statistics — Proceedings of the IEEE 71(4), 1983
  4. J. A. Cunningham — The use and evaluation of yield models in integrated circuit manufacturing — IEEE Trans. Semiconductor Manufacturing 3(2), 1990
  5. W. J. Hopp, M. L. Spearman — Factory Physics (3rd ed.), ch. 7–8: Little’s law, Kingman (VUT) equation — Waveland Press, 2008
  6. J. D. C. Little — A Proof for the Queuing Formula L = λW — Operations Research 9(3), 1961
  7. D. C. Montgomery — Introduction to Statistical Quality Control (x̄ charts, process capability Cpk) — Wiley, 2019
  8. NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods — 6.3 Univariate and Multivariate Control Charts; 6.1.6 Process capability — NIST
  9. Dies-per-wafer estimate DPW = πd²/(4S) − πd/√(2S) (de Vries, “Investigation of gross die per wafer formulas”, IEEE TSM 18(1)) — IEEE, 2005
  10. Fan affinity laws: flow ∝ speed, pressure ∝ speed², power ∝ speed³ — U.S. DOE — Improving Fan System Performance: A Sourcebook for Industry
  11. EN 1822-1:2019 High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) — classification (U15 ≥ 99.9995 % at MPPS) — CEN, 2019
  12. Western Electric Statistical Quality Control Handbook (1956) — zone rules for control charts — Western Electric / NIST e-Handbook 6.3.2
  13. W. 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
  14. 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, 2003
  15. R. 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
  16. 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, 2012
  17. NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods — 8.1.6.1 Exponential distribution (constant failure rate) — NIST
  18. C. Weber — Yield learning and the sources of profitability in semiconductor manufacturing and process development — IEEE Trans. Semiconductor Manufacturing 17(4), 2004
  19. M. Abramowitz, I. Stegun — Handbook of Mathematical Functions, 26.2.17 — NBS, 1964

谁在从事这份工作

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。