Тема №10 (Конспект лекций)

Глава 10. Методы обеспечения качества и надежности в процессе серийного производства ППИ.

10.1. Общие понятия.

Для изготовителей ППИ важнейшим показателем качества служит процент выхода годных. Это объясняется тем, что выход годных изделий определяет в комплексе управляемость и стабильность производства, что, в свою очередь, связано с показателем надежности изделий.

При производстве хорошо разработанное изделие может быть некачественно, некорректно изготовлено, либо изготовлено из некачественных материалов, некачественным инструментом. Некачественное изделие может быть обнаружено производственной системой контроля качества, либо не обнаружено, или обнаружено, но пропущено ею.

В рамках работ по повышению качества большинство изготовителей полупроводниковых изделий во всем мире с начала 1982 года для измерения уровня качества продукции стали использовать такой показатель качества, как количество дефектных изделий на 1млн из всего количества изготовляемых изделий данного типа. Например, в Японии качество ППИ должно удовлетворять следующим требованиям: для полупроводниковых приборов количество дефектных на миллион полученных не должно превышать 10, для ИС малой и средней степени интеграции – 100, для БИС – 1000.

При оценке ППИ используются понятия, характеризующие запасы по тому или иному электрическому параметру по отношению к нормам технических условий. Запасы по электрическим параметрам определяются конструктивными данными и особенностями технологии производства, поэтому используют понятие конструктивно-технологического запаса.

Показатель «ритмичность выпуска изделий» характеризует в определенной степени и качество выпускаемых изделий. Как показали наблюдения, количество дефектов (нарушений технологического процесса) при неритмичной работе в конце месяца может возрасти в 3-5 раз по сравнению со средним значением.

Если практически качество ППИ оценивается данными по входному и выходному контролю на соответствие их требованиям технических условий по электрическим параметрам, то надежность изделий связана с временам сохранением своих параметров в условиях эксплуатации, включая в это понятие и длительное хранение.

Встречающееся мнение о том, что надежное изделие можно изготавливать на ненадежном устаревшем оборудовании, практически не подтверждается. Из-за экономических соображений нередко используют устаревшие технологические процессы, ошибочно считая, что контроль и испытание позволяет получить готовые изделия требуемого качества и надежности.

Предположим, что надежность ИС после его изготовления Р равна надежности схемы, заложенной при конструировании Р_о. При этом всякое отклонение в технологическом процессе, в материалах, допусках, чаще всего встречающееся в начале серийного производства, снижает надежность получаемой ИС на величину ∆Р.

Но если в процессе серийного изготовления было внедрено новое конструктивно-технологическое решение, направленное на повышение качества и надежности изделий, проведена замена оборудования на новое с меньшими допусками или внедрена автоматизация технологического процесса и т.п., то надежность выпускаемых изделий может быть повышена на величину ∆Р относительно величины Р_о. Тогда в общем случае для серийно выпускаемых ИС величина надежности равна:

Р = Р_о ∆Р

Данное положение является основой для работы над повышением надежности ИС в процессе их серийного производства.

Оптимизация конструкции и технологии ИС невозможна без использования данных о надежности, поэтому можно говорить о взаимосвязанной совокупности трех факторов: проектирования, изготовления и надежности (рис.10.1).

Рис.10.1. Треугольник (конструкция – технология – надежность) иллюстрирует взаимосвязь между процессом проектирования, изготовления и надежности ИС

В настоящее время идет процесс замены пластин диаметра 150 мм на пластины диаметром 200 мм, рассматриваются возможности увеличения диаметра пластин до 300 мм. Все это связано с крайне сложными техническими проблемами: необходимостью обеспечения равномерного состава материала по всей толщине полупроводниковой пластины, параллельности верхней и нижней поверхностей кремниевой пластины, отсутствие малейших деформаций пластин увеличенных размеров, с обеспечением равномерности обработки пластин повышенных диаметров и т.п. Несоблюдение хотя бы одного из указанных требований может заметно уменьшать выход годных кристаллов.

Управляемость и стабильность технологического процесса характеризуют его надежность за данный промежуток времени. Управляемость технологического процесса зависит от точности и воспроизводимости отдельных технологических операций.

Функционирование многооперационных технологических процессов производства ППИ сопровождается случайными возмущениями, выражающимися в отклонении показателей. Очевидно, чем позже на стадии производства обнаруживается отклонение этих показателей, тем к большим технологическим потерям это ведет. Чтобы избежать этого, в управляемом технологическом процессе применяется активный метод контроля.

При изготовлении ППИ имеют дело с партиями ограниченного объема, поэтому для получения необходимой информации вводится стопроцентный контроль изделий на ряде основных операций, что дает возможность по абсолютным значениям параметров изделий судить об управляемости и стабильности технологических процессов.

Активный метод контроля предполагает после выяснения причин отклонения процесса от оптимального обязательную обратную связь воздействия на технологический процесс в целях его регулирования или ликвидации нарушений. Поэтому наибольшую надежность обеспечивают регулируемые технологические процессы, в которых имеется возможность обратного воздействия на них по результатам выходных испытаний. Технологический процесс необходимо осуществлять так, чтобы исключить влияние оператора на надежность изготавливаемых изделий.

10.2. Система получения и использования информации при проведении работ по повышению надежности ППИ.

Опыт работы в электронной промышленности позволил разработать систему получения и использования информации при проведении работ по повышению надежности ППИ.

Рис.10.2. Система получения и использования информации при проведении работ по повышению надежности в процессе их серийного производства

10.3. Требования по обеспечению и контролю качества ИС в процессе производства.

В отечественной электронной промышленности существуют директивные документы, которые определяют общие требования к обеспечению качества в процессе производства.

Например, для ИС эти требования сформулированы следующим образом.

На предприятии-изготовителе ИС должны действовать документы, устанавливающие:

1. порядок обучения и аттестации производственного персонала, участвующего в изготовлении и контроле качества ИС по всему технологическому процессу;

2. порядок проверки производственного оборудования, периодичность проверки и, в необходимых случаях, методы его проверки;

3. порядок проверки выполнения требований, предъявляемых к производственным помещениям и рабочим местам (запыленность, влажность, температура, агрессивность среды);

4. порядок проверки технологического процесса;

5. порядок учета, хранения, обращения конструкторской и технологической документации;

6. порядок и методы входного контроля поступающих материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий;

7. порядок проведения анализа дефектных ИС и осуществления мероприятий по устранению причин их появления;

8. порядок организации анализа и учета технологических потерь в производстве;

9. порядок анализа рекламаций и согласования мероприятий, внедряемых в производство по результатам анализа.

В составе технологического процесса должны быть предусмотрены 100%-ные отбраковочные испытания. Перечень обязательных отбраковочных испытаний предусматривается в общих технических условиях на ИС.

Нормы на электрические параметры, устанавливаемые в технологической документации для проверки собранных в копус ИС, кроме функционального контроля, должны быть более жесткими в сравнении с нормами, устанавливаемыми в технологических условиях на ИС конкретных типов.

10.4. Технологические методы повышения надежности ИС в процессе серийного производства.

Процесс изготовления ИС, как правило, делится на три участка: участок формирования структур на пластине, участок сборки и финишный участок, т.е. участок выходного контроля.

Система бездефектного изготовления изделий в большей степени является организационной и не исключает, например, для ИС технических, физико-химических несовершенств технологических операций и процессов. Поэтому широко распространены технологические методы повышения надежности ИС в процессе серийного производства (рис.10.3).

Рис.10.3. Схема реализации технологических методов повышения надежности ИС в процессе серийного производства

Среди многочисленных способов энергетического воздействия на физико-химическую систему кристалла ИС основное место занимает тепловое воздействие, которое практически используется при проведении всех технологических процессов ИС (кроме фотолитографии и травления).

Одним из основных путей повышения надежности ИС является снижение температуры и использование нетермической активации основных физико-химических процессов технологии изготовления.

Например, существенные преимущества дает применение когерентных излучений, обеспечивающих высокую селективность воздействия лишь на отдельные участки. Подобное воздействие осуществляется излучением как в УФ-, так и в ИК-области спектра, а также комбинированным воздействием в обеих областях.

Технологический процесс изготовления ИС состоит из более ста операций. Каждая технологическая операция необходима для последовательного получения структур ИС и схемы в сборе.

Наряду с необходимым положительным качеством технологическая операция может вносить и отрицательные качества, на устранение которых зачастую направлены последующие технологические операции. Но известны технологические процессы, где отрицательные влияния технологической операции на процесс выхода годных, структуру и электрические параметры компенсируются в процессе проведения данной операции. Например, введение хлорсодержащей добавки в инертную атмосферу на операции разгонки при двухстадийной диффузии фосфора приводит к уменьшению дефектности структуры и снижению токов утечки изделий.

Технологию, в которой в процессе проведения технологической операции одновременно проводится процесс, направленный на устранение или значительное снижение отрицательных последствий данной операции на изделие, будет называть компенсирующей технологией.

Как видно из рис 10.3, к технологическим методам повышения надежности ИС относится также применение отбраковочных испытаний и альтернативных методов отбраковки потенциально ненадежных изделий. Эти два метода относятся к методам повышения надежности выпускаемых партий ИС, так же как и метод выравнивающей технологии. Снижение температуры технологических операций и применение компенсирующей технологии относятся к методам повышения надежности каждого выпускаемого изделия.