SPC在半导体功率器件生产的应用

摘要：统计过程控制（SPC）是应用数理统计分析来监控生产过程，提升过程能力的工具，主要强调过程的预防，适用于各行业的质量控制过程。本文简述SPC在VDMOS功率器件制造过程中的应用，以对生产过程中发现的问题提出预警，及时解决，恢复过程稳定，从而提高和控制产品质量。

关键词：SPC；过程控制；功率器件

前言：美国的休哈特博士在1924年提出将3Sigma原理运用于生产过程当中，并发表著名的“控制图法”，对过程变量进行控制，为统计质量管理奠定了理论和方法基础。从二十世纪八十年代起，美国汽车工业大规模推行SPC，如通用汽车公司、福特汽车公司等。至今，各生产加工类企业纷纷积极推广应用SPC，如食品加工行业运用于优化薯条切割流程，烟草行业用于改善卷烟制丝生产等，均有效提升生产工艺质量。

一、统计过程控制的原理及作用

统计过程控制(简称SPC)是一种借助数理统计方法的过程控制工具。在生产过程中，产品加工参数的波动是不可避免的，也是由生产中的人、机器、材料、方法和环境等基本因素的波动影响所致。当有随机波动时，过程处于受控状态；而存在异常波动时，过程会失控，对产品质量影响很大。仅有随机波动时，过程的质量特性是呈现正态分布的（如图1），反之过程失控，其分布将发生改变。SPC正是利用过程波动的统计规律性对过程进行分析控制。

图1

多数质量管理方法是对加工完成的产品，或半成品进行检验，判断产品是否合格，再通过对不合格的产品分析，发现设计与制造的中的问题，以找出提高产品质量的途径和方法，这是一种“事后”的补救性的方法。SPC则与这类方法不同，它是在生产过程的各个阶段对产品质量进行实时的监控与评估，是一种预防性方法。尤其是在半导体功率器件生产制造过程，全检无能力且不经济，抽检又无法保证产品质量，在这种情况下用SPC监控产品的过程质量，及时发现生产过程中的异常情况，采取措施进行改进，把质量隐患消灭在萌芽，真正达到防患于未然。

二、半导体功率器件的产品特点

公司生产的半导体功率器件产品需满足GB、GJB和公司企业标准，包括不同电压、电流平台的各种VDMOS产品，TVS产品，MEMS产品，IGBT产品等。

功率器件生产加工流程通常与产品种类和所使用的技术有关，但基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、刻蚀、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。制造过程

工艺涉及光刻、刻蚀、扩散、薄膜等多种类型，关键工艺参数的质量要求高，如炉管生长的栅氧厚度、薄膜淀积的金属层厚度等。

三、SPC在功率器件生产中的应用

1、SPC功能需求分析

为了充分发挥其监控评估过程的预防性功能，使SPC在功率器件生产质量控制的应用中，能够将测量得到的数据信息迅速有效的反馈工作人员，对系统性因素做出处理，并迅速采取相应的有效措施消除负面影响，以保障生产过程在受控和有能力的状态下运行，从而达到生产过程稳定，产品满足工艺要求。具体需求分析展开为以下四个方面：

（1）实时监控生产：能够全面、实时地监控制造过程关键工序的指标和参数，尽快发现工艺异常。

（2）及时警报失控：及时对生产过程中的异常信息进行预警和提醒，并督促相关人员跟踪处理失控点。

（3）分析处理数据：分析收集到的数据，并生成过程能力分析图、趋势图、运行图等。

（4）提供高质量的数据报告：提供各种丰富的图形和报表。通过这些报告，管理人员可以掌握整体质量状况和潜在的质量问题，为质量改进提供实时数据依据。

2、SPC管理在生产中的开展流程

第一，确定SPC的关键控制过程和参数规格。并非所有的过程都采用SPC来控制，可以邀请质量工程师、工艺工程师、产品工程师、班组长、管理层代表以及客户参与，对关

键过程制定控制计划，包括过程名称、生产设备、控制特性、规格、测量设备、采样方案等。

第二，选择合适的控制图。根据过程性质选择控制图。常用的如均值－极差图，均值－标准差图等。

第三，数据采样。控制计划中的测量仪器都要考核，测量仪器是准确、稳定的，测量数据才有效。

第四，收集数据，判异调整控制图。每个控制参数至少采集25组数据，剔除异常点，将非稳态的过程调整到稳态。经过校核后处于统计控制状态的控制图，才可供控制使用。

第五，确定过程能力指数。控制图受控后，计算工序过程能力指数（Cp或Cpk）。过程能力指数是指过程能力与过程目标相比较的定量描述的数值，即表示过程满足控制规格的程度。

第六，过程控制和改进。经过一段时间的运行，要对各控制过程进行能力评定，评定的标准是：过程处于统计稳定状态（控制图正常）；过程能力指数满足要求如Cpk大于1.33或1.67。既要考虑提高质量，又要考虑质量成本，如质量状况较稳定，可适当减少抽样频率。

3、目前公司关于SPC的应用实践

公司策划了每季度对各关键参数进行CPK检查工作，包括以售后问题改善或新产品特殊特性为切入点，针对影响其关键过程及产品的特性，考量其工序过程能力，要求CPK≥1.67或1.33， 通过CPK检查与改善，确保产品制程的持续稳定与健康。

SPC方法还可以对生产过程或生产设备的参数进行控制，控制方法类同。也可以用于来料检验中，利用检验数据来做控制图，从而观察供应商的产品质量是否稳定、是否有下滑趋势、是否需要改进，参考这些结果作为以后对该供应商进行抽样方案选择的依据。

统计过程控制的方法是生产制造企业产品质量管理的一个核心工具，企业应更加重视统计过程控制方法的应用，控制图可用于直接控制与诊断过程，是质量管理七大工具的重要组成部分，Cpk是工艺推进和改善结果有效与否的验证工具。SPC成功的必要条件，是要摒弃“产品只要符合规格就行”的理念，是每一个与产品相关的人员都要了解偶然偏差、系统偏差，工艺相关人员都要懂控制图和调整改进的方式方法。以预防为主的质量过程控制必将逐渐取代以检验为主的传统质量控制模式，作为更有效的质量过程控制技术。