半导体及集成电路工艺加工设备的运行管理与技术维护

半导体及集成电路工艺加工设备的运行管理与技术维护李悦【摘要】本文重点介绍有关半导体及集成电路工业生产及相关科研教学单位中使用的工艺加工设备的日常运行管理与技术维护,内容涉及设备在生产总厂完成最终测试后的现场用户技术检验、设备的安装与调试程序(开箱检验与搬入、连接与安装、硬件调试与验收、工艺调试与验收、特殊工艺调试与验收)、设备在保修期内和保修期之外的技术维护等所有环节.明确给出在上述各时期用户与设备生产厂商双方权力与义务、具体工作内容、各项技术要求及相关管理内容，希望能够对从事与半导体及集成电路工艺加工设备相关工作的广大同行有一参考作用.【期刊名称】《现代仪器与医疗》【年(卷)，期】2012(018)001【总页数】5页(P55-59)【关键词】运行管理;技术维护;出厂前检验;安装与调试程序;保修期【作者】李悦【作者单位】北京大学微电子研究院微米/纳米加工技术国家重点试验室，北京100871【正文语种】中文半导体及集成电路工业作为涉及国计民生及国家安全不可缺少的支柱性高科技产业,其技术的高速发展和进步给人们的生活带来日新月异的变化。不论是国防工业的尖端攻防武器，还是日常生活的各种炫目电器，到处都有集成电路身影。如今除传统IC芯片之外，半导体领域的技术及应用更延伸到环保的太阳能光伏领域、平板显示领域、LED领域和微米、纳米机械系统领域，而涉及纳米科技的新材料、新工艺、新器件的研究更是处在如火如荼的进行之中。然而，无论功能超强的电子产品，还是科研领域的杰出成果，不管设计思想如何先进，其最终都是采用基本的半导体工艺步骤，按着预先设计好的流程反复进行加工的结果。因此，作为半导体及集成电路工艺的实现工具——半导体及集成电路工艺专用加工设备在整个半导体及集成电路工业的生产及科研领域里就起着十分关键的作用。半导体及集成电路工艺专用设备领域是半导体和集成电路产业链中的重要一环，它融合约50个学科的高新技术，是基础研究和应用研究共同发展的产物和当代科学技术水平的集中体现，是半导体生产工艺得以完美实现的物质基础。事实上,正是由于专用仪器设备的不断进步使得半导体及集成电路工艺加工技术持续高速发展。半导体及集成电路工艺专用加工设备具有高价格、高消耗、高精密及高产出等特点。不论是在从事大规模生产的工业界，还是在从事科学研究的学术界，用于仪器设备的购置资金约占总资金投入的比例高达70%以上，而日后为维持设备正常运转所需动力（气、水、电、排风）、备件及易耗品也将产生很大的运行支出。与此同时,由于它所从事加工的工艺技术所具有的先进性、精确性、重复性、复杂性及微观性决定加工设备的高精密性。正是基于以上特点，使得针对半导体及集成电路工艺加工设备的安装调试、运行管理、技术管理及技术维护等方面具有自身的、与其他行业应用设备所不同的特点［1］。同时，要求设备使用人员-工艺工程师及维护人员-设备工程师具有较高的理论知识与丰富的实践经验。本文基于本人曾经在半导体工业设备生产厂商及高等院校的工作经历，针对设备从出厂验收到交付使用后各阶段的主要工作内容及日常运行管理做一简单介绍。设备生产厂商在接到用户订单之后即进入原材料的采购及整体组装阶段。基于设备的复杂程度和组件的供货周期不同，设备生产周期也不相同，通常供货期在半年左右。设备在完成总体装配之后将运输到最终测试车间(finaltest)进行出厂之前的最终测试，测试内容涉及设备的所有硬件功能、软件功能及基础工艺。在最终测试完成之后，即设备准备分解、包装及运输之前，通常设备生产厂商的销售人员会陪同用户的技术人员(设备工程师及工艺工程师)到达该设备的最终测试车间现场，与测试现场的技术人员及负责经理共同进行设备出厂之前的检验工作(sourceinspection)。1.1检验工作的目的确认设备的整体状况满足设备的基本技术指标；确认设备主系统(system)及子系统(subassemblies)满足用户及设备生产厂商的技术标准；检查及测试设备的各种配置(configuration)及硬件(hardware)，确认它们满足技术指标；确认基本工艺结果满足技术要求。1.2针对设备的要求所有硬件功能需要满足技术要求；操作系统功能需要满足技术要求；基本工艺结果需要满足技术要求。1.3检验的方式产购双方共同检查、回顾在最终测试阶段中进行的所有测试项目及测试结果，确保针对设备的主系统、子系统、系统配置及基本工艺等的一切测试项目均已完成，且结果均在正常范围之内，并满足用户的采购要求。1.4检验的内容1.4.1以目视的方式检查设备的整体外观，确认采购规格书中所规范的所有硬件都已正确安装并且没有损伤。1.4.2校准检查如有必要，需检查子系统的校准状况，设备生产厂商需要提供有关校准结果。1.4.3安全互锁装置(safetyinterlocks)确认设备上的所有安全互锁装置工作正常。1.4.4子系统的真空密封性如有必要，设备生产厂商需要提供有关子系统的氦质谱检漏结果。1.4.5软件操作系统设备生产厂商通过现场演示，用以证明其控制功能有效。1.4.6工艺测试如果双方事先达成共识，在设备的最终测试阶段，设备生产厂商需要完成所有有关工艺测试的项目，且测试结果需要满足设备采购规格书中的一切技术指标要求。1.5最终测试文件有关设备测试的所有技术文件需要向用户公开，最终测试报告需要随同设备一起运输到用户现场。在验收合格的前提下，用户代表在相应文件上签字验收，设备开始进入分解包装阶段，等待出厂运输。设备的安装与调试过程包括第零阶段（Tire0）、第一阶段（Tire1）、第二阶段（Tire2）、第三阶段（Tire3）和签字验收。顺利的安装与调试应该是按期完成计划中的所有工作内容；所有的技术指标、规范满足采购规格书中的要求，且以用户最终签署设备验收报告为最终结果。专业的设备生产厂商在设备开箱及搬入之前将向用户提供安装与调试计划（GanttChart），其内容包括总体计划；在设备硬件的安装与调试期间每天的工作内容，完成各项工作所需要的时间（以小时为单位）；在设备工艺的安装与调试期间每天的工作内容，各项工作内容所需要的时间（以小时为单位）；最后参加调试的设备工程师及工艺工程师签字为据。在安装调试期间，设备生产厂商的技术人员向用户的相关技术负责人员提供工作日志，以此来汇报每天的工作进展（目前所完成部分约占总工作量的百分比率）、具体完成的工作内容、遇到的问题、拟解决的方案、需要的配合等。同时，每周召开有双方技术人员及相关负责人参加的工作会议，通报当前的工作进展情况、已取得的技术指标、遇到的问题以及具体解决措施，明确实施的具体时间。此外，讨论、协调一切与安装、调试相关的事宜。第0阶段（Tire0）指从设备开箱检验至上电（powerup）之前的时间段和工作过程。设备在经历运输、清关等手续之后到达用户指定地点。在设备生产厂商的代表人员现场见证指导的情况下（非常重要），用户的相关人员将针对所有包装箱进行开箱检验及设备搬入。（设备生产厂商预先向用户提供设备开箱与搬入指南。）检查内容包括：包装箱的数量是否齐全；包装箱的外观是否存在损毁现象；每个包装箱上是否附有装箱单，用以标明设备生产厂商的名称、设备的型号、设备的序列号及包装箱的物品清单；包装箱在运输过程中是否发生过不允许的倾斜与倒置（包装箱上安装有用于鉴别此种情况的装置。）；包装箱内设备的银色防潮包装材料外观是否完好无损。接下来移去设备的防潮包装材料及外层塑料材料，在设备即将搬入超净厂房之前，仔细清洁设备的内层塑料包装（避免颗粒污染超净车间环境）。在上述的检查过程中，如果发现设备在运输中有任何损坏现象，需要以拍照的形式留下证据，并及时通知保险公司以便日后索赔。设备在搬运过程中，操作者应该明确设备的受力点，同时应该注意对设备将要经过的超净车间地面的高架地板采取保护措施。设备拟摆放的位置除应考虑设备自身的尺寸之外，还应充分考虑四周用于日后维修与维护的操作空间。设备就位之后，移去内层的塑料包装材料，对设备的外观进行仔细检查。同时，用户的厂务人员需要马上将设备调至水平状态以减少设备所受应力。在设备生产厂商的工作人员见证之下，依据装箱清单针对如下物品进行项目与数量的清点工作：用于设备安装使用的各种零部件、各种电缆；备件与易耗品；用于设备保养及校准的专用工具；技术指南。技术指南通常包括：《设备安装指南》、《设备功能介绍》、《设备操作指南》、《设备维护指南》（用于日后的保养与校准）、《备件手册》及《电路图手册》。所有技术指南应该包括有适用于超净环境使用及非超净环境使用的两种材料印刷。物品清点完毕之后，用户签字接收。针对备件、易耗品及各种手册进行登记并移入库房。设备移入指定区域之后进入连接与安装阶段。具体工作内容包括：2.1.1动力连接(facilityhook-up)包括气体(压缩空气、普通氮气、高纯氮气、高纯氢气、高纯氧气、高纯氩气、高纯氦气等,依设备种类不同而需要不同)、冷却水、电力(380V、220V)、真空、排风等用户方的动力供给与设备相应端口的连接。此过程参照设备生产厂家提供的《设备安装指南》，由用户的厂务人员或设备技术人员负责完成，其产生的全部费用由用户承担，设备生产厂商只起监督指导作用。2.1.2设备的安装包括主、子系统的安装；各种工艺腔体的安装；显示装置的安装、真空设备的安装、控制面板的安装等。其工作内容根据设备的种类、型号不同而差别很大。上述工作由设备生产厂商的设备工程师全权负责，用户只起配合作用。2.1.3拆除在运输中起保护作用的各种夹具(shippingbracket)，由设备厂商人员完成。2.1.4电线、电缆的连接此连接工作包括设备之间的所有电力线、信号线的连接，由设备生产厂商的设备工程师完全负责，用户只起配合作用。在电缆、电线连接的过程中要注意如下事项：绝对不要将信号线与RF电缆、AC电线捆扎在一起或共用电缆托架(cabletray)；确认电缆、电线上具有标示之后再进行连接；遵从从上到下，从重到轻的原则；不要生拉硬拽以免造成电缆、电线的不必要损伤。第一阶段(Tire1)指设备从通电时开始至各种硬件完成安装及校准、进入工艺调试的时间段及工作内容。第一阶段的全部工作完全由设备生产厂商的设备工程师负责完成，用户只起到配合、监督及管理作用。具体的工作内容依据设备所从事的工艺技术不同而存在差别，但总体大致相同如下。2.2.1设备通电，测试EMO(紧急状态下断开电源)电路是否正常工作。2.2.2确认设备上的所有安全装置(safetyinterlock)正常工作。2.2.3校准机械手的水平及零点。2.2.4校准所有工艺腔体(chamber)及真空锁(loadlock)。针对晶片传输，进行机械手与真空锁、每个工艺腔体之间相对运动、晶片交接动作的校准，以便达到精确配合。此后，进行用以及验证上述校准结果的晶片传输测试。2.2.5清洁设备的相关部件并安装崭新的工艺套件。2.2.6检查设备的本底真空度(basepressure)及漏率(leakuprate)。(适用于真空状态下从事工艺加工的设备)2.2.7进行真空状态下的晶片传输试验，进一步考察机械手与工艺腔体之间、真空锁之间的晶片传输效果以及每个工艺腔体机械部件的运动是否正常。2.2.8工艺腔体、套件的预热(chamberseason)，为正式工艺调试验收创造条件。当安装与调试工作整体完成之后，用户与设备生产厂商需要共同回顾这一阶段的工作内容，检查取得的所有技术参数。如一切顺利且没有遗留问题，硬件安装与调试工作完成，设备可以进入工艺的调试与验收阶段。第二阶段(Tire2)指设备进行标准工艺调试与验收的时间段及工作内容，是针对设备硬件的近一步验证过程。全部工作完全由设备生产厂商的工艺工程师负责完成，用户只起到配合、监督及管理作用。在工艺调试与验收期间，用户需要提供用于调试与验收的所有晶片，其数量与质量需要满足设备生产厂商的相关文件要求，同时，用户需要提供所有工艺调试要求的相关测试设备。工艺调试的工作内容为：2.3.1检查设备中与工艺调试相关的硬件部分，确认工艺腔体处于正常状态。2.3.2输入标准工艺菜单与工艺程序。2.3.3工艺调试针对不同的工艺腔体、不同的工艺技术，逐一调试，以达到所有工艺参数结果满足设备采购规格书中工艺技术要求的目的。2.3.4工艺参数的稳定性测试进行不同批次的工艺加工，得到所有不同工艺参数种类的、不同定义(同一晶片之内、不同晶片之间、不同加工批次之间)的平均值(uniformity)。2.3.5设备的颗粒污染状况检查，分别为工艺之前的检查和工艺之后的检查2种。在上述工作期间，用户的工艺工程师作为未来设备的使用者，需要与厂商的技术人员密切配合，提供如下的帮助：提供工艺测试所需的晶片；在相关的测试设备上建立相应的工艺菜单；协调测试设备的使用时间；协助厂商的工艺技术人员完成相关测试任务。2.4第三阶段(Tire3)指按用户采购规格书的要求、对设备的特殊工艺调试与验收的时间段及工作内容。它是建立在第二阶段工作的基础之上、针对用户要求的标准工艺条件的再优化过程。通过这一过程，使得设备的工艺结果完全符合用户的产品需求，可为用户节省大量的工艺优化时间。在第三阶段的工作中，设备生产厂商与用户双方的责任与义务与第二阶段工作时期完全相同。当针对标准工艺调试的第二阶段工作及针对特殊工艺调试的第三阶段工作结束之后，设备生产厂商的工艺技术人员将向用户提供工艺验收报告，报告应该包括上述阶段中所有的调试内容及所取得的工艺技术参数。2.5设备的验收设备验收时需具备如下条件。2.5.1设备生产厂商提供设备的总体验收报告。报告如实反映有关安装与调试的所有内容，一切相关内容及技术参数满足设备采购规格书中的要求且无任何遗留问题。2.5.2所有备件及工具到齐。2.5.3针对用户完成有关设备方面的所有培训。用户在客户接收书上签字，完成验收手续。设备正式移交到用户手中，进入保修期阶段。保修期是指从用户签字接受设备日期开始计算的一年之内的时间，也定义为设备从厂商测试厂运出日期开始计算的15个月之内的时间。（用户与设备生产厂商另有约定除外）半导体工业生产的特点决定设备生产厂商的工作人员应该具有很快的反应速度、过硬的专业知识与技能、抵抗高压力的心理素质、良好的沟通技巧和以结果为导向的工作方式。保修期内，设备生产厂商需要向用户提供包括人工与备件在内的免费、高质、高效的服务。针对设备的技术维护和各种故障的解决，厂商的技术人员、备件负责人员、销售人员、各级相关领导都具有不可推卸的责任与义务。对于计划中、不同时段的技术维护，需要提前做好自身准备（人员安排、备件储备），同时事前与用户的相关设备技术人员协调沟通以便于用户内部的生产安排。针对导致设备停车的各种硬件、工艺问题，在电话支持无法取得满意效果的前提下，厂商的技术人员应遵循设备采购规格书中规范的服务反应时间，及时出现在用户现场，判断问题所在，订购备件（如需要），解决问题。同时，提供设备维修报告，指出产生问题的原因及采用的解决方案。对于一时无法解决的重大问题，技术人员应马上与总公司的相应负责专家以邮件或电话会议的方式取得联系，共同产生新的解决方案并尽快加以实施。一般来说，当单台、关键设备因故障原因导致无法从事生产活动达3天以上，以致造成待加工产品大量积压的情况发生时，厂商需要迅速派遣公司总部的海外专家飞赴用户现场，以协助当地技术人员尽快解决问题。用户的设备工程师与工艺工程师作为设备的负责人与使用者，需要随时掌握设备的最新运行状态，与设备生产厂商的相关技术人员建立起有效联系，及时反应并协助解决设备的硬件及工艺异常问题，按期完成计划中设备维护、维修工作，同时虚心'向厂商的技术人员学习有关设备的各种知识，不断加深自身对设备的理解与维护维修技能。双方的技术人员及负责经理需要参加定期周会，讨论设备在过去一周硬件及工艺方面的工作情况，分析产生问题的可能原因，产生相对的解决方案。并针对存在在问题，明确落实责任人及拟解决期限，避免互相推诿及无限拖延现象的发生。设备的正常运转是建立在定期、不间断的技术维护基础之上。设备的技术维护包括预防性保养(preventivemaintenance)和校准性保养(correctivemaintenance)，前者是避免设备出现问题的前提，后者是设备正常运转的保证。通常的技术维护包括以下时间点：每天的维护；每星期的维护；每月的维护；每季度的维护；半年的维护及年度维护。其中每天的维护与每星期的维护相对来说工作量不大且技术要求不高，一般由用户的技术人员完成，其余的维护工作则由设备生产厂商的设备工程师负责。实施技术维护时采用项目检查(checklist)的工作方法，维护人员参照项目检查表格来完成设备的维护工作。项目检查表包括：维护人员姓名；维护日期；所需工具；维护所需时间；安全注意项目；具体检查、调整及更换内容、操作指南和工作图表。有关技术维护的具体内容根据设备所从事的工艺种类和设备型号的不同而不相同，所有具体信息都可以从设备生产厂商所提供的《设备维护指南》中获得。保修期外是指设备从保修期结束日期开始至设备报废的相对较长的时间段。与保修期内相比，最大的变化就是设备失去生产厂商的一切免费服务(如没有购买服务协议的情况下)，设备在保修期内进行的一切维护依靠用户自己的设备技术人员与工艺技术人员来完成。通常设备的具体负责人员于每年度末针对未来一年设备所需备件及易耗品的数量制定财务计划，由采购部门统一购买。设备技术