半導體晶圓廠 即時模型

你負責一座 300 mm 晶圓廠的微影區段:八台掃描機、一間無塵室,以及一個必須維持在規格內的配方。晶圓排隊等候,機台會故障,微粒會飄入,每個決策都會影響良率。

你將學到什麼

模擬器

時間 0 h
機台可用率 100% · 在製品 20 · 無塵室 ISO 等級 3.4S1⚙S2▶S3▶S4▶S5▶S6▶S7‖S8‖WIP 20▶ 34 wph
  • 生產
  • 待機
  • 工程
  • 停機(維修)
  • 空氣中的微粒

控制項

每小時投入區段的晶圓數。

分配給實驗晶圓批次、讓製程累積經驗的曝光機時間比例:目前產出減少,之後缺陷更少。

每位技術員一次只能修一台機台。

換氣次數愈多,微粒被稀釋得愈多;風扇功率隨轉速的立方增加。

每位穿著無塵衣的人仍會產生微粒。

每小時量測的晶圓數:SPC 圖更靈敏,產能略微下降。

需時 3 h,作業期間無塵室內增加 2 人。

以一半產能運作 2 h,之後製程回到目標值。

指標

良品晶粒產出
19547/h
良率
89.8%
正常
無塵室 ISO 等級
3.4
正常
區段週期時間
1.6h
正常
機台可用率100 %
機台使用率71 %
工程時間10 %
已投片晶圓數34 wph
在製品20 wafers
缺陷密度0.110 /cm²
製程能力 Cpk1.25 · 警告
超出規格(晶圓當量)0.0 wph
區段耗電1339 kW

趨勢

良品晶粒產出: — /h250000

SPC 樣本(CD 偏移)

SPC 樣本(CD 偏移): 0 ⚑+3σ−3σ

危機情境

第 1 級 · 微粒偏離

行動晶片產線的一個例行班次。區段上方某處的一個天花板濾網即將失效。要讓無塵室維持在等級內、保護良率,而且風扇不要全速運轉超過必要的時間。

  • 結束時 ISO 等級回到 ≤ 3.6
  • 第一小時之後始終不超過 4.55 級
  • 偏離最初幾小時內平均良率 ≥ 87 %
  • 後半段區段平均耗電 ≤ 1,380 kW

第 2 級 · 掃描機當機

區段以每小時 38 片投片量滿載運轉。三台掃描機即將同時停機。要在修復它們的同時,防止佇列暴增,並且仍然交付良品晶粒。

  • 結束時 WIP ≤ 60 片晶圓
  • 當機後週期時間始終不超過 3.5 h(等候時間窗)
  • 48 h 內至少 900,000 顆良品晶粒
  • 48 h 內至少投片 1,600 片晶圓(投片計畫:每小時 34 片)

第 3 級 · 配方漂移

昨晚上線了新的配方版本。目前還沒人知道它會緩慢改變關鍵尺寸。請盯緊 SPC 圖:在晶圓超出規格之前發現漂移並回復。

  • 超出規格的晶圓當量合計最多 12 片
  • 結束時 Cpk ≥ 1.2
  • 至少 620,000 顆良品晶粒

第 2 級 · 新產品量產爬坡

一款大型加速器晶片帶著不成熟的製程投產:缺陷密度很高,而 600 mm² 的晶粒毫不寬容。產線以每小時 42 片的投片量運作。你有 14 天。要在今天的產出與明天的學習之間取得平衡。

  • 第 14 天缺陷密度 ≤ 0.08 /cm²
  • 14 天內至少 660,000 顆良品晶粒

依據:數字背後的模型

模擬器使用的每一個關係式及其來源。標示為假設的常數是示意校準值。

設備狀態遵循 SEMI E10:生產、待機、工程、計畫性停機與非計畫性停機。
Availability = up tools / 8 · Utilization = productive tool-hours / total[1]
機台隨機發生故障,故障前時間服從指數分布;維修要等有空閒的技術員。
P(fail in Δt) = 1 − e^(−Δt/MTBF), MTBF = 250 h; repair ~ Exp(mean 6 h) once a technician is free[17][1]假設:各量級(MTBF、產生率、k、τ)皆為示意校準值,並非真實晶圓廠的資料。
利特爾法則把在製品、產出率與週期時間連結起來。
CT = WIP / TH = T0 + queue / TH, T0 = 1 h[6][5]
在穩定的產線中,產出等於投片速率,所以沒有投出去的一片,就是永遠出不來的一片。在站與站之間等太久的晶圓,會超出等候時間窗。
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]假設:3.5 h 的週期時間上限代表等候時間窗(Q-time);實際的時間窗由製程工程逐站設定,超出時間窗的晶圓通常會報廢。
金曼近似:排隊時間以 u/(1−u) 增長,使用率接近 100 % 時會暴增。
CTq ≈ ((ca² + ce²)/2) · (u/(1−u)) · te[5]僅為幫助直覺理解而顯示:模擬器中的佇列來自隨機到達與隨機產能,而不是這個公式。
粒徑為 D 的微粒之 ISO 14644-1 等級限值;在 0.1 µm 時,等級是濃度的對數。
Cn = 10^N · (0.1/D)^2.08 ⇒ N = log10(C≥0.1µm)[2]
充分混合的房間:濃度 = 產生量 ÷(換氣次數 × 體積 × 過濾效率)。
C = G / (ACH · V · η)[13][11]假設:各量級(MTBF、產生率、k、τ)皆為示意校準值,並非真實晶圓廠的資料。
風扇相似定律:功率隨風扇轉速的立方上升。
P_fan = P_max · (speed)³[10]
負二項良率:缺陷會成群出現,所以良率的下降比卜瓦松模型預測的更慢。
Y = (1 + A·D/α)^(−α), α = 2 (α→∞: Y = e^(−A·D))[3][4][15][14]
良率學習:隨著投入工程時間,缺陷密度朝成熟水準衰減。
D(t+Δt) = D∞ + (D − D∞)·e^(−Δt/τ), τ = 120 h · (0.10 / engineering share)[15][18]假設:τ 相較於業界報告的學習速率(每月 4–6.5 %,Leachman)壓縮了約 100 倍,讓 14 天的情境能呈現出這個效果。
落在晶圓上的微粒,會依空氣濃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假設:這是示意常數,真實晶圓廠會依自己的檢測資料校準致命缺陷率。
參數良率:正常製程落在規格界限內的比例;Cpk 衡量裕度。
Y_param = Φ((USL−μ)/σ) − Φ((LSL−μ)/σ), Cpk = min(USL−μ, μ−LSL)/(3σ)[7][8][19]
SPC:n 個樣本的平均值,附 ±3σ/√n 管制界限與區域規則。
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]
模型使用的其他運轉常數。
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 %假設:各量級(MTBF、產生率、k、τ)皆為示意校準值,並非真實晶圓廠的資料。
面積為 A 的晶粒在每片 300 mm 晶圓上的毛晶粒數。
DPW = π·d²/(4A) − π·d/√(2A), d = 300 mm[9]

隨機性:帶種子的 mulberry32 產生器;使用的分布包括均勻分布、指數分布(反 CDF)、常態分布(Box–Muller)與卜瓦松分布(Knuth)。種子會顯示出來,並且可以分享。

來源

  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

誰在從事這份工作

教育模型,不可用於實際營運決策。真實場域會依自己的設備與資料校準每一個常數。