Chpt 01 Introduction to Semiconductor Manufacturing: Processes, Quality, and Historical Development

本课件为《半导体制造与统计工程》第一章内容，涵盖以下要点：

半导体制造简介与发展历史

制造目标：质量、成本、产出率、可靠性

制造业发展阶段：手工生产 → 大批量生产 → 自动化 → CIMS → 智能制造

质量管理演进：从统计质量控制到全面质量管理、6σ理论

强调半导体制造在国家工业与安全中的战略地位

适用于工程类、电子类、工业工程等相关课程教学参考

关键词：半导体制造、质量控制、CIMS、6σ、田口方法、智能制造、工业4.0

1. 1 本 PPT 仅为学校课堂教学或者科学研究目的，供学校内部教学或科研人员使用，但不得以营利为目的使用，不得出版、出售、赠与或其他方式向公众提供本 PPT 的原件或者复制件

2. 参考教材 YEFIM FASSER: AMD 系统与统计工程部主任 DONALD BRETTNER ： AMD 副总裁 2 GARY MAY: 乔治亚理工大学电子与计算工程学院教授 COSTAS SPANOS ： 加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系教授，工程学院主管研究的副主任

3. 主要内容 1. 半导体制造简介 Introduction 2. 概率与统计基础 Statistical Fundamentals 3. 成品率 / 产出建模 Yield Modeling 4. 统计过程 控制 Statistical Process Control 5. 统计试验设计方法 Statistical Experimental Design 6. 半导体制造过程建模 Process Modelling 7. 半导体制造过程智能控制 Intelligent Control 3

4. 第一章 半导体制造简介 本章的主要内容 （ 1 ）制造与先进制造系统 （ 2 ）制造的目标：质量、成本、变化性、产出率、可靠性等 （ 3 ）半导体制造的发展历史 （ 4 ）现代半导体制造 4 制造 Manufacturing : 把原材料转化为最终产品的过程 输入： 半导体材料、掺杂物 (dopants) 、金属和绝缘材料 (insulators) 等 输出： 集成电路 (ICs) 、 IC 封装组件、印刷电路板 (PCB) 以及最终生产的各种商业电子系统，比如计算机、移动电话、数字相机等 制造过程： 包括数百个制造工艺和过程，比如晶体生长 (crystal growth) 、氧化 (oxidation) 、光刻 (photolithography) 、刻蚀 (etching) 、扩散 (diffusion) 、离子注入 (ion implantation) 、平坦化 (planarization) 与沉积 (deposition) 等过程

5. 半导体制造的地位与重要 性 半导体制造是皇冠上的明珠 半导体器件是电子工业的基础，实际上也是整个工业的基础，占比最大、增速最大 一个国家或企业技术水平的体现：技术最尖端、工艺最复杂，国家安全，卡脖子 中国的地位 截至 2022 年 10 月，标准普尔全球市值排名前 100 的半导体企业，中国大陆 42 家、美国 28 家、中国台湾 10 家、日本 7 家、韩国 3 家。中国数量排名世界第一 2020 年中国有 23100 家半导体企业成立， 2021 年暴增到 47400 家半导体厂商注册。 华为、中芯等优秀企业 5 制造业是国民经济的支柱产业 实体经济是中国经济的支柱， 2021 年 中国经济的占比中，工业超过了三分之一的贡献，而美国是十分之一 制造业是中国迈向现代化的必经之路 。 1 8 世纪英国率先完成工业革命，成为了日不落帝国， 美国、德国、日本、韩国也是依靠工业现代化实现了富强 制造弱国 -> 制造大国 -> 制造强国 20 大报告 ： 建设现代化产业体系，坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国等，不断强调发展制造业

6. 制造发展史上的里程碑 6 Taylor 把 科学管理原理引入大规模生产制造 把工作分解成具体的任务 标准化生产和组装 可互换零件 在组装时减少匹配的难度 节约大量时间，提高生产率 ← 统计质量控制的开始

7. 制造业发展历史 7 四个发展阶段 手工单件生产、大批量重复生产、自动化生产、 集成 / 现代集成制造（ CIMS ）、智能制造（工业 4.0 ） 第一阶段：手工单件生产 19 世纪末 ~20 世纪初 法国巴黎 P&L 汽车制造公司的汽车制造过程（ 1890 年） 单件制造方式，年产量 800 台 生产流程：有许多独立的工匠手工完成 没有一台车完全一样， 没有零部件的 互换性 第二阶段：大批量重复生产（工业 1.0 和工业 2.0 ） 20 世纪初， Ford 引入装配线（ 1908 年） 引入 互换性和标准化 概念 生产效率提高，生产成本下降， Ford T 型车生产量达到 200 万辆时，价格降低了 2/3 产品的维护费用下降，维护方法简化

8. 第三阶段 : 自动化生产 8 20 世纪 50~70 年代， PLC 和 PC ，工业 3.0 经典的和现代控制理论的发展，车间控制技术 制造设备自动化水平提高 20 世纪 50 年代 NC 技术发展，使刚性生产线向柔性发展 1952 年第一台 NC 机床（数控铣床）在美国诞生 计算机辅助设计技术应用 60 年代为生产飞机而产生 CAD 技术， 70 年代进入实用阶段 60 年代末 : CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ 新的生产组织模式和理念 MIS/MRP/MRPII/FMS 技术应用 精益生产 ( Lean Production ) 日本丰田即时生产模式（ JIT ， Just in Time ） : 多品种、 小批量 、 零缺陷、零库存。

9. 第四阶段 : 计算机集成制造 (CIMS) 9 计算机集成制造 (Computer Integrated Manufacturing) 20 世纪 80 年，针对的问题 自动化孤岛： 片面提高自动化水平并不能带来企业效益的全面提高 信息孤岛： 孤立的信息单元作用有限 1973 年美国哈林顿（ Horryton ）博士提出了 CIMS 概念 贯穿于产品的整个生命周期 以信息技术为基础，系统 集成与优化 为手段 以提高企业的市场竞争力为目标，致力于全面提高企业的 T ime 、 Q uality 、 C ost 、 S ervice 、 E nvironment 的水平（ TQCSE ） 在各国实施的情况 1980 年美国， 1985 年德国， 1991 年日本， 1993 年美国新版 1986 年 3 月中国提出 863 计划， CIMS 是 863 计划中的一个重要的主题 进一步发展为智能制造（工业 4.0 ） 技术 人 / 组织 管理 CIMS 三要素的集成

10. 质量 核心竞争力： TQCSE = T( ime ) + Q( uality ) + C( ost ) + S( ervice ) + E( nviornmental ) 半 导体制造的目标 成本：原材料和人工等直接成本占 10-15% ，设施、维护等间接成本大于 70% ： 4 美元 /cm 2 产出率 / 成品率 质量（规格 / 标准、变化性、可靠性）；质量是任何制造过程中最重要的因素之一 质量的定义 传统定义： 产品必须满足使用者的要求，即 适用性 （ fitness for use ） 设计质量：设计阶段，比如材料、组件规格、尺寸、重量等 制造质量： 一致性 质量，制造阶段，产品符合设计的程度 ISO 的定义： 反应产品或服务满足明确和隐含需要的 特性 总和，其中： 明确的需要： 在标准、技术要求和其他文件中明确做出规定的需要 隐含的需要： 顾客和社会对产品的期望或者公认的不言而喻的无需明确规定的需要 10

11. 质量 产品的 可变性 / 变化 / 波动 ( Variability, Variation ) 产品固有的，在半导体工业尤其重要；我们希望一致性是可以重复的 产品质量与变化成反比，与成本成正比 质量改进就是减少产品或过程的可变性 产品的 一致性 相对 ( 注意与设计的一致性的区别 ) 举例 福特和马自达的汽车变速箱 11

12. 传统的质量观 满足规格（ Specifications ） 在规格之内的一定好吗？（ A and B ） 仪器精度或检测误差 田口玄一（ Genichi Taguchi ） 质量观 知名的统计学家与工程管理专家， 质量工程的 奠基者 1957 年出版 《 试验设计 》 一书 1970 年发展 质量损失函数 的概念 12 田口方法不仅仅是一种方法，而是一种理念，一种文化：（ 1 ） 精益求精，（ 2 ）仅仅确保产品符合规格或缩小规格范围，是无法实现高质量低成本的

13. 田口损失函数（ Lose Function ） 定义 任何时候只要一个产品的某个特定测量值偏离目标值，都会对系统造成损失，这意味着收益的损失 最小损失出现在标称值上，从任意方向远离标称值会使损失持续增加 举例 灯泡与电池 统计过程控制就是要解决这一问题 13  

14. 6 σ 质量理论（ 6-Sigma ） 零缺陷的概念（ Zero Defect ） Philip Crosby 说：“零缺陷不是一种激励方法，它是一个性能标准。它不只针对生产者，它针对的是每一个人 ” 1987 年 1 月 Motorola 发起了“ 6 σ 质量”计划 五年内整个公司达到接近零缺陷的质量标准 即缺陷为 3.4ppm(Parts per Million) 是其现有水平的 100 倍 如何实现 ? SPC ， Motorola 最终做到了 参考书 六西格玛服务设计 —— 走向卓越之路线图（ Six Sigma, A Roadmap for Excellence ) 14 σ ppm σ ppm 1 σ 690,000 4 σ 6,210 2 σ 308,000 5 σ 230 3 σ 66,800 6 σ 3.4

15. 6 σ 质量理论 3 σ 与 6 σ 过程的比较 第一种情况： 为达到 6  质量而将过程 变化范围 缩小一半 第二种情况：过程平均值偏移 1.5  研究表明，过程偏移 1.5  足以代表最大偏移 6 σ 与规格区间的关系 理论上没有关系，但通常我们在规格范围内实施 6 σ 15 移动前是 1350ppm

16. 质量控制理论的发展 质量检验阶段 （ 20 世纪 20–30 年代） 生产中增加独立的检验环节；事后检验、剔除、重做，不能预防 统计质量管理阶段 （ 20 世纪 40–50 年代） 基于预防缺陷概念：休哈特（ Shewhart ）工序质量控制图： 质量是制造出来的 抽样检验法 全面质量管理（ TQM ： Total Quality Management ） 1961 年，朱兰（ Julan ）：质量控制－ > 产品寿命全周期、全体员工 设计过程、制造过程、辅助过程、使用过程质量管理 操作者自己衡量成绩来促进和树立他对产品质量的责任感 由事后检验 → 事前预防 产品设计阶段质量控制 70 年代， 田口玄一质量理论 ：质量首先是 设计出来的 ，其次是制造出来的 信息集成环境下的质量控制系统 80 年代， CAQ + QIS = CIQS 16

17. 本节结束 谢谢！ 17