質量成本控制
——減少硅外延電阻率測試頻次的實驗研究

李 楊，薛 兵，唐發俊

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

質量成本屬于經濟學分支——質量經濟學范疇，它包括確保和保證滿意的質量時所發生的費用，以及未達到滿意的質量時所造成的損失[1]。質量成本一般包括：為確保與要求一致而作的所有工作叫做一致成本，以及由于不符合要求而引起的全部工作叫做不一致成本，這些工作引起的成本主要包括預防成本、鑒定成本、內部損失成本和外部損失成本[2-3]。其中預防成本和鑒定成本屬于一致成本，內部損失成本和外部損失成本又統稱為故障成本，屬于不一致成本。

鑒定成本是按照質量標準對產品質量進行測試、評定和檢驗所發生的各項費用，是在結果產生之后，為了評估結果是否滿足要求進行測試活動而產生的成本，包括部門行政費、材料工序成品檢驗費、檢測設備維修費和折舊等用于評估產品是否滿足規定要求所需各項費用。

為了進一步降低質量成本，提高單位效率，針對PE-LPE3061D設備生產硅外延片電阻率測試采用正片的問題，統計了 2019年 8臺該設備全年電阻率測試片使用情況，匯總分析了近一年主流產品的電阻率測試及調控數據，提出了相應的改進方法、管控措施和風險評估。

1 實 驗

1.1 實驗材料及方法

沉積硅外延設備為意大利洛佩詩(LPE)公司生產的 PE-LPE3061D平板式硅外延爐，基本結構如圖1所示。該硅外延爐采用高頻感應加熱方式，具有維護簡單，生產效率高的特點，是目前各硅外延制造企業主流的 6～8in(in＝25.4mm，下同)硅外延片的生產設備。此設備為單圈平板爐，每爐殼生產 6in產品8片。

圖1 LPE3061D平板式硅外延爐結構圖Fig.1 Structure of PE3061D plate-type epitiaxial reactor

1.2 硅外延工藝

本文采用常壓硅外延工藝，反應室壓力維持在0.1MPa。采用高純度三氯氫硅(SiHCl3)作為硅源，腔內反應化學式如下：

反應氣體 H2經過純化器的純化，純度可以達到6N以上，生長溫度保持在 1150℃。在該過程中，通入摻雜氣體磷烷(PH3)進行電阻率控制。批量生產過程進行合格拋光片滿布裝片，按照測試頻次要求進行電阻率破壞性測試。

2 結果與分析

如表1所示，抽取8臺LPE3061D設備進行生產統計，全年裝片數 385842片，共計使用電阻率測試片13066片，測試片占比2.97%。以上測試片均為正片，假設全部按照 5in產品計算，折合產值約為150萬元。

針對上述質量成本，本文分析的主要為 5、10、20μm厚度規格硅外延產品，占LPE3061D總產量的80%以上，且涵蓋了主要硅外延工藝。以上產品均為3爐 1測電阻率，在這種測試頻率下總結出的規律，可作為縮減電阻率抽測改進的依據。以這 3種厚度規格產品進行分析，改變摻雜劑用量為控制電阻率的方法。

表1 2019年LPE3061D設備電阻率測試片使用情況(片)Tab.1 Usage of LPE3061D equipment resistivity test wafer in 2019(wafer)

2.1 5μm厚度規格產品

5μm厚度規格產品在8臺LPE3061D設備上均進行過生產，圖2統計的是2019年44個生產批次中各批次生產過程中摻雜的最大變化量，其中單批次摻雜劑用量變化＜0.5sccm的占 68%，摻雜劑用量變化＜1sccm 的批次合計占比 89%。按照摻雜調節1sccm對應電阻率變化 0.01Ω·cm的現行調節規范，那么 90%左右的批次其電阻率調節變化范圍不超過0.01Ω·cm，而該產品電阻率檢驗容限范圍是0.04Ω·cm。可見，該產品在長期生產過程中，電阻率調控所引起的電阻率變化遠小于產品容限。這是縮減電阻率抽樣頻率的基礎。

另外，各批次產品在生產過程中，主要的摻雜調節都發生在前3爐；如果判斷電阻率達到穩定是按照“摻雜劑連續 8爐不變”為標準，那么該產品電阻率在前 3爐就達到穩定的批次占 100%。也就是說，摻雜的調節重點是前 3爐，后續爐次的調節次數較少，且幅度不大。如上表中 44批次生產，其中 9批在整批過程中未進行任何調節，11批的過程調節少于2次，其余批的調節次數主要分布前 8爐次。由此可見，在眾多煮水測試的爐次中，進行調節的爐次較少，所以降低抽樣頻率可行。

2.2 10μm厚度規格產品

如圖 3所示，10μm 厚度規格產品與 5μm 厚度規格產品雷同，35批生產中摻雜劑用量變化＜2sccm的批次占 97%，對應的電阻率變化為 0.055Ω·cm，該產品電阻率檢驗容限范圍是 0.1Ω·cm，電阻率調節幅度小于管控范圍；另外，摻雜劑用量變化超過2sccm的只有1次占3%，其值為2.63sccm，這次調節是由于測試設備不穩造成的調節幅度過大，而非外延爐摻雜效率不穩。

圖2 5μm厚度規格產品摻雜劑用量變化統計圖Fig.2 Statistical chart of dopant amount in products with a thickness of 5μm

圖3 10μm厚度規格摻雜劑用量變化統計圖Fig.3 Statistical chart of dopant amount in products with a thickness of 10μm

2.3 20μm厚度規格產品

從表2可以看出，該產品由于電阻率控制范圍為9.45～9.95Ω·cm，在前 3爐實驗之后，基本不用再進行摻雜調節。

表2 20μm厚度規格產品摻雜劑用量變化統計Tab.2 Statistical table of dopant amount in products with a thickness of 20μm

3 結 論

通過上述產品電阻率調控過程的分析，得出以下結論：

①產品在正常生產過程中，整批次的摻雜劑用量調節幅度相對較小，由其引起的電阻率變化不會大幅度超出控制線。

②摻雜劑用量在前3爐調節較多，批次內后續爐次較為穩定。

③上述前3個產品以往數據表明，批次內電阻率變化小于內控線。

根據以上結論，將現行的電阻率測試規范進行如下改進：由每 24片測試 1片更改為每 48片測試1片。自 2020年 1月實施改進，截止目前，生產平穩，未出現質量問題。按產能計算，每年可節省硅拋光片4000片左右，降低鑒定成本約40萬元，并且提高了硅外延出片率。