Актуальность работы. В настоящее время, прерывистое производство и выпуск продукции малыми партиями являются характерными для широкой номенклатуры электрорадиоизделий (ЭРИ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). При этом требования к качеству и надежности ЭРИ и РЭА продолжают повышаться. В первую очередь это относится к изделиям микроэлектроники, в том числе интегральным микросхемам (ИС). Это обусловлено особенностями развития полупроводниковой технологии, в частности, уменьшением проектных норм, ростом интеграции и функциональной сложности ИС. Со снижением проектных норм до малых значений, ИС становятся все более сложными в производстве.
Обеспечение, управление и постоянное повышение качества ИС на всех этапах жизненного цикла (разработка, производство, применение) — актуальная проблема, наиболее эффективный путь решения которой на стадиях разработки и производства — разработка и широкое применение статистических методов.
Ввиду постоянного возрастания функциональной сложности изделий микроэлектроники, роста номенклатуры и, вследствие этого снижения уровня унификации, для современной полупроводниковой промышленности стало характерным изготовление изделий под заказ и выпуск продукции малыми партиями.
Данная тенденция отражает одну из целей Всеобщего Управления Качеством (TQM), а именно, уменьшение размеров партий до минимально возможных для лучшего удовлетворения потребностей заказчика [1].
Кроме того, сокращение потребностей в изделиях микроэлектроники узкоцелевого назначения, в частности ИС для РЭА военного назначения обусловило их выпуск малыми партиями и вследствие этого прерывистый характер производства.
— 9 В этом случае поставки изделий, как правило, осуществляются малыми партиями различного объема, что, однако, не только не снижает требования к их качеству и надежности, но и создает сложности в их обеспечении.
При возникновении перерывов в производстве или изменении номенклатуры выпускаемых изделий, предприятию-изготовителю ИС необходимо проводить корректировку технологического процесса (ТП) для обеспечения нормального функционирования производства. При этом ввиду длительности технологического цикла, частые переналадки ТП являются крайне нежелательными.
Таким образом, проблемы, связанные с контролем ТП при прерывистом и мелкосерийном производстве становятся актуальными для предприятий-изготовителей ИС. В большей степени это касается отечественных предприятий при производстве больших и сверхбольших ИС.
В вышеупомянутых условиях осуществление управления качеством ТП при помощи существующих статистических методов контроля [2,3,4,5,6] является невозможным из-за недостаточного объема статистических данных.
Система менеджмента качества предприятия-изготовителя ИС не может быть достаточно полной и эффективной, если в ее составе отсутствуют методы, позволяющие осуществлять статистический анализ и регулирование ТП при изготовлении партий любых, в том числе малых объемов и прерывистом характере производства.
Вместе с тем в существующей нормативной документации (НД) [7,8,9] отсутствуют положения, регламентирующие порядок статистического контроля и управления качеством ТП изготовления ИС при прерывистом и мелкосерийном производстве.
Целью работы является разработка научно-методических основ управления качеством ИС для стандартизации и применения методов статистического контроля и регулирования ТП при изготовлении изделий малыми партиями и прерывистом характере производства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— провести анализ существующих методов статистического управления качеством ТП, особенностей производства ИС и разработать рекомендации по порядку применения данных методов для обеспечения качества ИС на различных этапах производства;
— провести анализ ТП производства ИС и определить состав критичных технологических операций (ТО) и контролируемых параметров для проведения статистического контроля и регулирования;
— уточнить формулы для оценки статистических характеристик по результатам контроля партий ИС с различными объемами контролируемых значений параметра при прерывистом производстве;
— провести оценку возможности применения толерантных границ для контроля качества ИС по малым выборкам и разработать метод контроля и регулирования ТП по результатам испытаний ИС с малыми объемами выборки;
— разработать метод статистического контроля ТП изготовления ИС для партий малого объема при прерывистом производстве и порядок его применения в сочетании с существующей НД;
— провести обработку экспериментальных данных контроля критичных параметров ТП изготовления ИС для подтверждения эффективности разработанного метода на конкретных примерах.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
— теоретически обосновано применение толерантных границ при проведении статистического контроля ТП для малых выборок;
— разработана методика осуществления статистического контроля при мелкосерийном и прерывистом производстве;
— уточнены формулы для оценки статистических характеристик среднего арифметического значения и среднего квадратического отклонения по результатам контроля партий ИС с различными объемами контролируемых значений параметра;
— разработан метод оценки толерантных границ для контролируемого параметра по результатам испытаний ИС с малыми объемами выборки (п.
— предложен алгоритм для анализа и сравнения результатов расчета толерантных границ со значениями контролируемого параметра и полем допуска;
— на основе проведенной оценки возможности и особенностей применения существующих методов статистического контроля и регулирования ТП даны рекомендации по условиям и порядку их применения для обеспечения качества ИС на различных стадиях производства. Практическая значимость работы.
1. Применение разработанной методики статистического контроля ТП изготовления ИС при мелкосерийном и прерывистом производстве позволяет более эффективно проводить оценку качества и анализ ТП производства ИС при следующих условиях:
— на начальной стадии производства и в период освоения новой продукции, при неритмичном характере производства и возникновении перерывов в производстве;
— при осуществлении поставок продукции партиями различного объема и использовании существующих статистических методов с учетом иерархической структуры статистических характеристик ИС.
— при осуществлении поставок продукции малыми партиями, в частности, при изготовлении больших и сверхбольших ИС и, соответственно, малых объемах выборок значений контролируемого параметра (п > 5).
— 122. Результаты проведенной оценки возможности и особенностей применения методов статистического контроля и регулирования ТП позволяют обоснованно:
— осуществлять выбор критичных ТО и соответствующих межоперационных параметров ТП и параметров ИС для статистического контроля;
— оценивать возможность применения и эффективно использовать при управлении ТП существующие статистические методы контроля и регулирования для обеспечения качества ИС на различных стадиях производства.
3. Разработана функциональность на основе электронных таблиц MS Excel 2000, позволяющая производить автоматизированную обработку и статистический анализ состояния ТП производства ИС по данным межоперационного контроля от 1 до 5 параметров.
4. Проведены статистический анализ и оценка состояния ТП по данным контроля толщины защитного слоя окисла Si02 и удельного поверхностного сопротивления на ряде предприятий-изготовителей ИС с применением разработанного и существующих статистических методов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Метод статистического контроля ТП изготовления ИС для партий малого объема при прерывистом производстве и порядок его применения, включая:
— формулы для оценки статистических характеристик по результатам контроля партий ИС с различными объемами контролируемых значений параметра;
— метод оценки толерантных границ для контролируемого параметра по результатам испытаний ИС с малыми объемами выборки;
— порядок анализа и сравнения результатов расчета толерантных границ со значениями контролируемого параметра и полем допуска.
— 132. Рекомендации по условиям и порядку применения методов статистического контроля и регулирования для обеспечения качества ТП изготовления ИС на критичных ТО.
Реализация и внедрение результатов работы.
1. Результаты анализа состояния ТП использованы в процессе апробации положений ОСТ 11 14.1011 [8] при выполнении НИР «Осень-5» и «Осень-6», реализованных 22 ЦНИИИ МО РФ в 1999 г.- разработанная методика статистического контроля ТП изготовления ИС для партий малого объема при прерывистом производстве будет включена в качестве приложения в ОСТ 11 14.1011 [8].
2. Метод статистического контроля ТП изготовления ИС для партий изделий малого объема при прерывистом производстве и рекомендации по применению методов статистического контроля и регулирования ТП использовались ОАО «Ангстрем» и ОАО ЦКБ «Дейтон» при осуществлении статистического контроля ТП производства ИС.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях: Юбилейной 50-й Научно-технической конференции МИРЭА, г. Москва, 2001 г.- 51-й Научно-технической конференции МИРЭА, г. Москва, 2002 г.- Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию» «Молодые ученые — 2003», г. Москва, 2003 г.- Международной научно-технической школе-конференции «Межфазная релаксация в полиматериалах» «Полиматериалы — 2003», г. Москва, 2003 г.
Публикации.
Основные результаты диссертации представлены в 6 научных работах общим объемом 34 страницы, 4 работы написаны совместно с другими авторами.
4.3 Выводы.
Проведенные расчеты и оценка состояния ТП по данным контроля толщины защитного слоя окисла Si02 и удельного поверхностного сопротивления с применением толерантных границ, а также с помощью известных статистических методов наглядно показывают порядок и особенности их применения для контроля качества ИС, а также доказывают эффективность их применения как по отдельности, так и в комплексе.
Анализ ТП свидетельствует, что результаты оценок состояния ТП с помощью коэффициентов Ср и Срк и показателей настроенности, точности и стабильности хорошо соответствуют друг другу.
Оценка на основе показателей настроенности, точности и стабильности является более точной и информативной, с помощью коэффициентов Ср и Сркприближенной и менее трудоемкой.
Контрольные карты регулирования не всегда являются применимыми, так как эффективны только при достаточной точности и стабильности ТП.
Расчеты и построение диаграмм для сравнения значений контролируемого параметра с толерантными границами показали эффективность практического применения разработанного метода для статистического контроля при производстве малых партий различного объема, а также высокую наглядность и информативность данного метода при относительной простоте его применения.
Проведенная оценка состояния ТП по статистическим данным предприятий-изготовителей ИС позволяет сделать вывод о том, что практическое применение методов статистического контроля и регулирования ТП изготовления ИС является эффективным как на стадии установившегося производства, так и при освоении производства. В последнем случае, может использоваться оценка показателей настроенности, точности и стабильности ТП, поскольку данные показатели учитывают объемы выборок.
Однако, существующие методы неприменимы при изготовлении ИС малыми партиями и недостаточной ритмичности производства, в частности при прерывистомхарактере производстве, для которого характерно изготовление продукции партиями различного объема.
Показано, что в последнем случае, оптимальным является комплексное применение разработанного статистического метода вместе с известными методиками. При этом переход к применению показателей настроенности и точности ТП или коэффициентов Ср и Срк для статистического контроля должен осуществляться при положительных результатах предварительного контроля с помощью применения толерантных границ.
Сопряжение программной функциональности, разработанной для статистического анализа экспериментальных данных контроля, с испытательным оборудованием позволит улучшить точность и оперативность обработки данных, также информативность получаемой информации для принятия решений по регулированию ТП.
Результаты расчетов и полученные оценки состояния ТП использовались при апробации положений ОСТ 11 14.1011−99 «Микросхемы интегральные. Система и методы статистического контроля и регулирования технологического процесса».
— 112-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Возможность осуществления эффективного статистического контроля и управления ТП имеет большое значение для обеспечения качества ИС при мелкосерийном и прерывистом производстве. Действительно, выпуск изделий малыми партиями и неритмичность производства характерны для современной микроэлектроники.
В диссертационной работе в соответствии с поставленной целью разработаны научно-методические основы управления качеством ИС при мелкосерийном и прерывистом характере производства: разработан метод статистического контроля ТП изготовления ИС при производстве партий малого объема и различных объемах контролируемых значений параметра, предложен порядок его применения в сочетании с существующей НД.
В рамках работы при решении поставленных задач были получены следующие результаты:
1. В результате анализа статистических методов применительно к контролю и управлению ТП изготовления ИС проведена классификация методов статистического контроля и регулирования ТП и определены методы, наиболее применимые для обеспечения качества ИС на этапе производства.
2. На основе проведенного анализа распределения отказов по операциям ТП изготовления ИС определены составы критичных ТО и параметров для проведения статистического контроля при осуществлении управления ТП и сертификации производства.
3. Благодаря проведенной оценке особенностей существующих статистических методов применительно к производству ИС, разработаны рекомендации по условиям и порядку их применения, которые были апробированы на ряде предприятий-изготовителей ИС. Результаты исследований использованы при разработке и апробации положений ОСТ 11 14.1011 [8].
4. Уточнены формулы для оценки статистических характеристик по результатам испытаний партий ИС с различными объемами контролируемых значений параметра. Полученные формулы также могут быть использованы при расчете показателей настроенности, точности и стабильности ТП в соответствии с ГОСТ РВ 20.57.412 [7], а также границ контрольных карт в соответствии с ОСТ И 14.1011 [8].
5. Теоретически обоснована возможность применения толерантных границ при проведении статистического контроля ТП для малых выборок (п > 5) и разработан метод оценки толерантных границ для контролируемого параметра по результатам испытаний ИС с малыми объемами выборки. Предложен порядок анализа и сравнения результатов расчета толерантных границ со значениями контролируемого параметра и полем допуска.
6. Проведены расчеты и оценка состояния ТП по экспериментальным данным контроля толщины защитного слоя окисла Si02 и удельного поверхностного сопротивления с применением толерантных границ, а также с помощью известных статистических методов, демонстрирующие порядок и особенности их применения для контроля ТП производства ИС. Показана эффективность и информативность применения разработанного метода статистического контроля ТП с помощью толерантных границ в комплексе с существующими методами управления качеством ИС.
Есть основания предполагать, что в перспективе, с учетом возрастания объемов производства ИС под конкретные цели, разработанный метод может занять главенствующее положение ввиду снижения количества заказов на изготовление ИС большими партиями и преобладания выпуска продукции малыми партиями различных объемов.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н., проф. Дорошевичу Казимиру Казимировичу за внимание, поддержку и любезно предоставленную необходимую информацию. Считаю своим приятным долгом поблагодарить к.т.н., с.н.с. Попова Владимира Николаевича за идею использования толерантных пределов, проявленный интерес и полезные обсуждения.
