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📕APC系列经典回顾：👉带你轻松了解半导体CIM系统之APC (一)

👉带你轻松了解半导体CIM系统之APC (二)

APC系统是计算机技术结合产业界的创造性应用，在生产芯片的过程中APC系统对提高芯片良率与生产效率发挥了关键作用。产研需相结合，今天，我们学习下学术界关于APC系统介绍的一篇论文，借此来增进对APC系统的了解。

摘要

先进过程控制（APC）已成为当今半导体制造业不可或缺的基石。该技术起源于化工流程，不仅在半导体制造业中得到了验证，还有望提升光伏等相关行业的良率。本文简要介绍了先进过程控制，包括其核心要素，进而阐述了先进过程控制在半导体制造业中的应用案例与成功经验。基于这些应用实例，本文总结了相关经验教训，并推导出先进过程控制在光伏领域的应用潜力。引言半导体制造包含数百道工艺步骤，从裸晶圆到封装芯片的整个器件加工时间通常需要六至八周。图1展示了通用半导体制造工艺的示意图。为了满足器件质量要求并保持高良率，生产线上需要对每一道工艺步骤进行严格控制并落实相关措施。

图1. 半导体制造工艺

光伏器件，尤其是薄膜电池以及单晶硅和多晶硅电池，同样具有相当复杂的多层结构。各类制造工艺通常与半导体生产流程存在相似之处，其目标是实现理想的层厚度、均匀性与成分，同时确定决定电池性能的晶相和晶体结构。即便是最微小的工艺波动，也会对电池结构产生影响，更关键的是，还会改变电池的性能。随着对产品质量和电池效率的要求不断提高，再加上巨大的价格压力，光伏产业需要极高的工艺稳定性，以及针对工艺波动与漂移的快速响应机制。因此，正如半导体制造业的发展趋势一样，严格的工艺控制将逐渐成为光伏行业的关键要素，以建立并维持高质量、高效率且高良品率的生产模式。

APC导论

半导体行业与制造业其他分支一样，一直通过提升过程控制来采取措施保障高质量的生产效率。常见方法包括统计过程控制、神经网络的应用——尤其是在高维问题中，以及先进过程控制（APC）。先进过程控制（APC）的核心目标有两个：一是获取更贴近工艺过程的过程控制测量数据，二是实现控制操作的自动化。图2展示了在出现错误时，半导体晶圆价值的提升如何可能导致更大的损失。为了将损失降至最低，尽早应用恰当的测量与控制方法至关重要。

图2. 错误检测时间与损失发生之间的相关性

“先进过程控制（APC）的基本目标有两个：获取更贴近工艺过程的过程控制参数，并实现控制操作的自动化。”

APC包含直接作用于工艺过程的控制方法。其中最主要方法可归纳如下：

• 统计过程控制（SPC）方法

统计过程控制是一种成熟的技术，通过统计方法分析过程或产品指标，采取适当措施实现并维持统计受控状态，持续提升过程能力。许多SPC工具均基于所谓的西电规则（美国西方电气公司的《统计质量控制手册》）。

• 故障检测（FD）、故障分类（FC）与故障预测（FP）方法故障检测是对设备或过程数据的波动进行监测与分析，以识别异常的技术。故障分类在此基础上展开，涵盖了故障被识别后确定其成因的各类方法。这两种方法常结合使用，称为“故障检测与分类”（FDC）。故障预测则是对过程数据波动进行监测与分析，在异常和故障实际发生前对其进行预测的技术。

• 批次间控制（RtR）方法

实时调整（RtR）是指在各生产批次之间修改配方参数以提升加工性能的技术。“批次”可以指一批物料、一个批次或单一片晶圆。在串行加工中，该方法仅能在两次测量之间应用。

• 虚拟计量（VM）方法

虚拟计量是一种通过物理模型，从现有制造参数或上游计量数据（例如工艺状态、额外传感器、温度、压力、气体流量等）推导晶圆参数或产品参数的技术。显而易见，这些方法的合理应用高度依赖于整个晶圆厂的数据可获取性。这些数据可能来自制造设备（例如设备健康状况指示、正常运行时间数据）、工艺过程（例如温度、压力）或晶圆本身（例如层厚度、层成分）。为了能够应用控制算法，必须先确定“质量参数”以及“可调节参数”。质量参数用于描述一次生产运行是否成功；可调节参数是指实际可通过调整来适配某一流程的参数。此外，在所有数据采集的场景中，都必须重点关注数据质量（例如准确性、分辨率、准确的时间戳、上下文信息），因为每一项控制措施的效果，都取决于其依赖的数据质量。

图3以抽象的流程图形式展示了先进过程控制（APC）的部分上述要素。这与半导体或光伏制造中的实际实施相互独立，因为流程和产品特性的数据均由传感器及专用计量设备收集。传感器采集的数据会依据某一质量参数是否超出设定限值的已知信息，在流程n阶段用于做出简单的“放行/不通过”决策。流程数据和计量数据均被输入到批次间控制算法中，以调整流程n的可调参数，从而适配后流程阶段检测到的质量参数变化。计量学或先前的计量步骤。根据用于自动调整配方参数的计量步骤，这被称为前馈控制或反馈控制。前馈与反馈相结合的方式也是可行的。

图3. APC系统各要素的相互作用

APC应用的实例与成功案例

APC在半导体环境中成功应用的案例不胜枚举。然而，并非每一个单一应用都能直接迁移到其他生产环境中。以下章节将重点介绍沉积和金属化工艺，这些工艺通常基于等离子体增强技术，是半导体制造和光伏行业中的重要工艺。这两个行业可确定这些工艺的共同质量参数，沉积厚度、层厚均匀性和层组成等特性可作为优化抗反射涂层（ARC）的质量参数。

在半导体行业中，对关键尺寸的严格控制也是一个至关重要的问题。集成计量作为APC的赋能者在一种简单直接的方法中，这些参数可通过独立的计量工具进行测量，而所研究的基板或器件的实测质量参数可作为输入参数，用于控制工艺及相应设备。值得注意的是，尤其是对于大基板面积和高产能的生产工艺，事实证明，在更靠近设备的位置测量可作为控制策略输入的参数，效率会更高（见图2）。

在半导体工艺中，集成计量（IM）已被证明是先进过程控制（APC）的赋能技术，并且在工艺开发和批量生产中均能带来显著效益。要成功且高效地实施集成计量（IM），需满足多项前提条件，包括：传感器或测量设备的机械集成与自动化解决方案的可获取性；能在设备或工艺环境内准确进行测量的分析方法的可获取性；以及与数据框架的高效对接，以支撑整个晶圆厂的先进过程控制（APC）策略。过去，半导体行业已针对不同工艺类别开发了多种集成计量（IM）解决方案，例如等离子体工艺、光刻工艺、热沉积与氧化工艺以及离子注入工艺。集成计量（IM）的改造解决方案可应用于现有设备，但最高效的方式是开发在工艺设备开发初期的IM与APC策略。

示例1：溅射腐蚀控制

在溅射工艺中，阴极材料（靶材）会被等离子体中的加速离子剥离，随后被剥离的材料沉积在晶圆上。在此过程中，靶材会发生侵蚀，因此晶圆上预期的工艺结果会受到该侵蚀的影响。此外，为提高沉积速率而在靶材后方设置的磁阵列（磁控管）会造成不均匀侵蚀，导致靶材表面形成深槽，进而使工艺在均匀性和成分方面的结果难以预测。靶材寿命耗尽还可能导致通过溅射背板污染沉积层。

有多种方法可用于监测靶材侵蚀状态，包括利用运行时长、射频功率等设备数据对靶材侵蚀进行建模。但直接测量靶材侵蚀更具优势，也更为准确。为此，我们开发了一套基于激光三角测量原理的测量系统，用于评估线性动态磁控溅射新设备。该测量系统适配了观察窗，能够对溅射靶材表面进行轮廓分析，并确定操作人员无法直接观察到的表面侵蚀情况（见图4）。

借助该测量系统，我们可以根据当前的目标轮廓控制工艺参数。终点控制的应用实现了昂贵目标材料的最优利用。该测量系统的分辨率为0.1微米，能够将为防止污染而设置的目标厚度安全裕度缩减至原来的三分之一。鉴于该设备使用的靶材极薄，这最多可节省5%至10%的靶材，同时大幅减少停机时间和维护工作量。

图4. 动态线性磁控溅射靶材控制用激光三角测量系统。黑色曲线与红色曲线的差值代表6千瓦时的能耗。

示例2：均匀性与等离子体成分控制

等离子体处理中的一个常见问题是等离子体成分和等离子体均匀性的控制，尤其是在大体积反应器中。多通道光学发射光谱法（OES）是控制这些参数的一种有效测量方法。在光学发射光谱法中，会对等离子体发射的光谱进行分析，并根据特征发射线识别等离子体中的化学物质。通过比较反应器内不同位置的光谱，可以实现对等离子体均匀性的控制。

如图5a所示，一套低成本的OES系统以双通道配置投入使用，为用于薄膜沉积的新型300毫米小批量等离子体炉的工艺开发提供支持。研究人员开发了一种用于光谱仪集成的创新解决方案，以测量堆叠电极组件的间距。利用全内反射原理，等离子体发出的光通过石英棒被引导至光谱仪。光谱仪的控制功能已完全集成到炉体控制软件中。通过应用一种先进的光谱分析算法，通过一个关键参数，可对由两种不同等离子体激发源产生的等离子体进行优化调节，从而控制其在反应器容积内的成分与均匀性。

图5b展示了在电极上方和电极下方记录的、且等离子体成分均匀性已优化的N2/NH3/He等离子体的光谱对比。该测量等离子体成分与均匀性的方法可轻松应用于其他等离子体设备。对于成熟工艺而言，其优势在于可实时控制直接影响薄膜厚度和成分的等离子体成分。等离子体成分与均匀性的偏差可被轻松检测，从而避免后续晶圆出现加工错误。若在工艺开发阶段应用该方法，可实现大幅成本节约。要评估本文所述沉积工艺的电学薄膜特性和加工均匀性，还需对器件结构进行进一步加工。通过两天使用该光学发射光谱（OES）解决方案，共研究了400种工艺参数设置，并从中选出10种工艺用于对器件结构进行进一步工艺评估。

图5. 图(a)展示了将光学发射光谱仪集成到用于薄膜沉积的300毫米小型间歇式等离子体炉中。图(b)中的图表显示了在优化等离子体均匀性的情况下，在上电极和下电极位置测得的发射光谱的重合情况。

示例3：化学气相沉积（CVD）

工艺的稳定化与成本优化工艺开发和实际加工过程中的一个重要问题是以优化的成本实现稳定的工艺条件。在许多工艺中，一个关键因素是避免过长的工艺耗时，并减少前驱体或气体的消耗量。为了在实现这些目标的同时维持工艺效果，精准的工艺知识至关重要。集成计量学的应用为这些目标提供了支持，因为重要的工艺参数可直接在设备上进行测量。例如，研究人员通过在金属有机化学气相沉积（MOCVD）模块中集成质谱分析，优化了用于钌薄膜沉积的脉冲MOCVD沉积模块（见图6a）。通过集成质谱分析，针对由一系列单一步骤组成的复杂沉积工艺，研究人员优化了稳定时间和前驱体注入参数。

“许多工艺中的一个重要因素是避免工艺耗时过长，并减少前驱体或气体的消耗量。”

图6b展示了在钌沉积过程中获取的质谱，该过程使用了 N2,O2,Ar,CO2,H2O以及辛烷及其裂解产物，这可作为对比沉积完成后剩余气体成分来衡量前驱体的指标。通过同时测量反应器中反应性物质的浓度，能够研究重要的沉积机理，并推导出优化的气体和前驱体流量设置。通过优化前驱体和载气的调节以及稳定化时间，可实现在优化的产能下获得优质涂层的工艺。例如，本文研究的工艺缩短了工艺时长通过优化气体调节，工艺时长可缩短高达20%。

图6. 质谱仪接口适配至MOCVD反应器法兰的示意图（a）。（b）中的图表展示了钌沉积过程中以及工艺完成时，前驱体和载气的质谱图。

标准在先进过程控制（APC）中的作用

标准在先进过程控制（APC）中的作用为以具有成本效益的方式应用计量学，使其既成为先进过程控制（APC）的推动因素，也成为实际先进过程控制（APC）系统的推动因素，半导体行业制定了一系列涵盖先进过程控制（APC）不同方面的标准。

国际半导体设备与材料协会（SEMI）负责协调半导体制造和光伏（PV）领域标准的制定、同步与发布，其中部分标准在此予以提及：先进过程控制（APC）标准：

SEMI E133标准定义了先进过程控制（APC）系统的功能，以及它们之间、与晶圆厂环境之间的交互方式。
SEMI E126标准针对蚀刻、化学气相沉积（CVD）、沉积或扩散等各类设备组，定义了与工艺运行成功相关的常用质量参数。
（集成）计量标准：SEMI E127/E131包含了集成计量的通信和接口要求规范。
SEMI E141为集成计量中使用的椭偏仪设备的规范制定提供指导。
设备自动化、数据采集与数据质量标准：
一条SEMI指南规定了用于验证的协议质量、数据质量和测试程序。
SEMI E5/E30标准定义了设备通信中广为人知的“SECS/GEM”接口；多项标准（SEMI PR8/E121/E125/E132）规定了性能更优的“Interface-A”（通常称为“设备数据采集”，简称EDA）。

国际半导体产业协会（SEMI）内部所谓的“光伏（PV）小组”负责光伏行业的标准制定，尤其是设备自动化和工艺控制系统领域的标准，这些标准已在光伏行业中投入使用或正被适配应用于该行业。例如，《光伏设备通信接口指南》SEMI PV2就以部分前述半导体标准为基础。

光伏行业APC的经验教训与潜力很明显，半导体行业的研究成果无法直接照搬到光伏行业中复用。尽管两者的工艺方案和成本方案差异巨大，难以直接套用现有解决方案，但其核心技术、方法与算法是可以应用的。因此可以总结出一些总体的“经验教训”，这些经验教训揭示了先进过程控制（APC）在光伏（PV）领域的应用潜力：

了解你的工艺。要确定表征产品质量的合适质量参数、对其进行测量，并构建用于先进过程控制（APC）可持续管控的模型与算法，就必须深入理解工艺。如前所述，（集成）计量技术有助于深化工艺认知。
利用已有的数据。每个晶圆厂都拥有海量且种类繁多的数据——从传感器、计量设备到装备与物流信息。在新增数据源之前，最好先整合现有数据，以充分挖掘信息价值。
保持操作简单且成本低廉。在讨论的案例中可以看到，质谱仪的快速整合有助于加深对工艺的理解，并能实现工艺参数的优化设定。“成本低廉”在不同的生产环境中无疑有着不同的具体标准，但需要明确的是，仅需一个简单的传感器，就可以替代一套功能齐全的计量设备，来测量一个关键的质量参数并搭建先进过程控制（APC）的能力。
先捡容易实现的目标。就像生活中大多数事情一样，80/20 法则也适用于 APC——经验表明，要找到最终 20% 的解决方案，需要投入 80% 的精力。因此，最好从理解透彻的流程和问题入手，部署简单的传感器，采用线性算法等，然后在这些解决方案取得成功的基础上进一步拓展。
5. 利用标准。聪明人会花大量时间构思各种场景和需求。尽可能采用标准会有帮助为了保持内容的完整性，同时由于使用了合规且可互换的 IM/APC 实体，也能降低实施成本。
重视数据质量。每一项控制措施的有效性和可靠性，都取决于流入其中的数据质量。
到目前为止，人们可能会质疑在光伏生产工艺中实施自动过程控制（APC）的必要性。许多人认为该技术以半导体为核心，且成本过高。但从一开始，关于成本高昂的争议也一直困扰着半导体制造领域的自动过程控制（APC），而如今，每家晶圆厂的生产流程中都已部署了自动过程控制（APC）应用。事实上，光伏领域同样面临着不断变化的政治经济环境、日益严苛的技术要求以及不断收窄的工艺窗口（例如物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）多层薄膜沉积、高温退火，或是激光划刻图案化等工艺），这也将使自动过程控制（APC）成为至关重要的工具，助力企业控制生产成本、提高良品率。
针对光伏产业，我们将开发并应用具体且成本效益高的先进过程控制（APC）解决方案，因为半导体制造中许多成本较高的解决方案无法简单地重复使用。但先进过程控制（APC）从半导体制造向光伏生产的转移并非单向的：许多欧洲小型半导体制造商已开始寻求比大型量产制造商所采用的更廉价的先进过程控制（APC）解决方案。因此，这里有望形成一个庞大的先进过程控制（APC）联合开发、网络构建与互联互通领域，实现技术研发投入与成本的共享。

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参考资料:- M. Schellenberger, G. Roeder, R. Öchsner, U. Schöpka & I. Kasko, Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology, Erlangen, Germany，Advanced process control...

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