半導体前工程 ( ウェハ加工工程 ) の課題と IT 技術 2007 年 7 月 26 日 NEC エレクトロニクス ( 株 ) 本間三智夫
半導体前工程の課題 目次 これまでの IT 化の歴史 情報連携 機能別情報 階層的情報 IT 化の方法 IT 化の課題 まとめ
ラツキ制御要求微細化ノードバ90nm 半導体前工程の課題 ( 品質 ) バラツキ制御要求の増大を解決するためには 装置メーカとデバイスメーカ間の情報交換の重要性増大 ( 品質制御と装置制御の融合 ) 前世代の関係に基づき 装置側 /DM 側の責任分担決定 65nm AEC: 装置内部の FB/FF 制御 APC: 装置間を跨る FB/FF 制御 APC AEC 装置メーカーの差異化領域 デバイスメーカーの差異化領域 FDC ( アラーム役 ) 45nm 装置の基本性能 (EEQA/EEQM) 装置プロセスの基本性能 32nm 先端プロセス要求性能 Source:2005SoC 製造エンジニアリングに関する調査報告書
30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% <5 <10 <25 <100 <1000 <2000 >2000 オーダーサイズの分布イメージ 半導体前工程の課題 ( コスト ) オーダサイズ ロットサイズの縮小は 装置の有効稼働率 SoC 製造 Fab のロット枚数分布例 OEEを下 Hot-Lot 試作製品 プロセス試作等 SoC では構成枚数の小さいロットの割合が多い げている ( 管理粒度の枚葉化 ) NPW Processing Set-Up ロット数割合 (%) 40% 35% 30% ロット数割合 ( 指数 ) 25% 20% 15% 10% 5% Unscheduled Down SoC 多品種変量対応製造 Fab のロット枚数分布イメージ生産制御技術の必要性を示唆 平均サイズ以下 7 枚以下ロット 45% 平均サイズ 平均サイズ :7 メシ アン 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 フル 12 ロット内枚数ロットサイズ ( 枚 ) ロット内枚数の分布イメージライン Max Lot 枚数 OEE=Equipment Adding value is only 40%! Scheduled down waiting OEE: 装置が加工している時間率 ( 有効稼働率 ) Source - SEMATECH
半導体前工程の課題 ( 納期 ) 微細化により マスク回数 ( 工程数 ) が増加するため 顧客 TAT 要求を満たすために 工程内のサイクルタイムを短縮しなければならない ( 生産性とサイクルタイムのバランス問題解決 ) マスク数TAT:Turn around Time マスクレイヤ当たりのサイクルタイムマスク回数 : 約 40 回工程数 : 約 700 微細化ノード
まとめ生産 半導体前工程の課題 ( フレキシビリティ ) 見込み まとめ生産のリスクをさけるために こまめ生産を実施しなければならないが 低減 搬送時間低減などの対策を実現しなければならない ( 装置観点とウェハ観点の情報統合 ) 工程 1NPW A A A A 工程 2 こまめ生産 工程 1 工程 2 A B NPW: 非製品ウェーハ NPW B B B B NPW C C C C 作りすぎのムダ機会損失工程間の在庫の増大 A NPW C A オーダにあった生産 開発とリンクした生産 B B B C 見込み生産 大きな WIP 納期増大 大きな品質事故 D 徹底した時間の削減 搬送スケシ ュールの高度化 迅速な品質管理技術確立 等 E 新製品 試作品の投入 の増大 品質確認の増大
これまでの IT 化の歴史 それぞれの管理機能の自動化と人支援機能の高度化の IT 化が進んできた AGV/RGV: ロホ ット付自動搬送車 OHT: 吊り下げ式天井搬送車 年代 1985 1990 1995 2000 2005 ウェハサイス 5 6 インチ 200mm 300mm 生産制御 品質管理 生産管理 搬送 全工程条件設定報告 PC 利用による履歴の統計解析 仕掛 実績把握 人手搬送 オンライン化率向上 進度管理実績管理 工程間 AGV 製品完全自動化 管理図管理歩留管理システム化システム APC/FDC 予測管理生産シミュレータ利用 工程間天井搬送 特殊自動化 工程内 AGV/RGV 情報の統合化 指示高度化 ロット単位の枚葉情報制御 高速化 OHT 登場 EES の利用拡大
半導体工場イメージ 装置 OHT: 吊り下げ式自動搬送者
MES H ソフトのプラットフォーム 従来のソフトのプラットフォームは MES が役割を果たしていた (200mm 時代以前 ) (200mm 時代 :1990 年代 ) ホスト集中システム D/B MES 機能分散統合システム A B C M M M セルコントロールシステム MES H D/B BC PC C/T C/C M M M M D E F PC C/C M M M D/B H : ホスト M : 装置 D/B: データベース C/C M M M D/B MES: 工場ホスト ( ネットワークを含む ) C/C : セルコントローラ PC : データ出力ターミナル C/T : 通信端末 BC : 他システムとのネットワーク A~F: 各種機能サーバー ( 条件の指示, 報告の収集, 品質情報管理, 稼働情報管理, 順序の指示, 搬送コントロール etc)
情報連携の課題 ( 階層を跨る情報連携 )(1) 階層を跨った情報連携により バラツキ制御を行う また 装置状態と連携したディスパティングを行う仕組み作りが必要 生産管理情報 Factory System 品質管理情報 ( プロセス制御情報 ) Equipment group 装置管理情報 Equipment Copyright 2000 by Masato Fujita, Selete/Panasonic Inner equipment module parts
階層的品質管理ー装置 プロセス制御装置 プロセス制御ー 日本が得意な装置 プロセスの品質管理技術を製品の品質に結びつける技術開発が重要 EEQM 装置単体出来栄え品質 プロセス結果 出来映え 膜厚などの保証 装置 機能品質 Temperature Pressure Gas 機能の Quality 保証 制御の精度 (Offset Linearity など ) 制御逸脱の予測 パーツレベル品質 Heater TC B. Valve CM MFC FM Component の Quality 保証 オフセット ドリフトの検知 寿命予測 プロセス結果 ( 出来栄え ) は装置の各機能によって支えられる 装置の各機能は各パーツによって支えられる
御流量フィート ハ ック制御電圧制階層的装置管理 実例 レヘ ル例内容図解 ハ ーツ レヘ ル マスフロー メータ 関係曲線のト リフトを監視し ト リフト量が規格に達すると 装置が自己診断してアラームを発する それにより マスフローが故障する前に変更する マスフローメータ制御 オフセットとト リフトを監視ト リフト 規格 自己診断 5.5 機能 レヘ ル ウェハ ステーシ ウェハステーシ の上下移動時間を監視し 異常な時間分布がでてきたら メンテナンスを実施し 故障前に処置をとる ウェハステーシ の上下移動 Operation time) 5 4.5 4 3.5 3 12/14 12/15 12/16 12/17 12/18 12/19 12/20 12/21 12/22 Calendar date Source 2002 e-manufacturing workshop ULVAC
2 つのラインバランス 1 装置能力の違いによるラインバランス ネック設備の能力以上の能力を持つ設備はムダに能力を持っていることになる 大規模ラインほど台数の調整で 設備のムダ能力が小さくなる ( ラインバランスがよくなる ) 装置能力の違いによるラインバランス Equipment Group Capacity(%) 45,196 51,063 51,079 51,079 54,188 54,275 55,150 55,988 57,435 57,606 57,930 57,992 58,106 58,452 58,604 60,063 64,731 64,731 65,776 65,791 71,541 73,663 74,136 78,786 投資効率のロス 82,404 82,743 82,890 86,507 95,622
掛ロット数工程仕2 ジョブフローラインの仕掛の脈流によるラインバランス 装置の台数が異なる生産では 工期を一定レベルに設定すると ラインのスループットが犠牲になる 設備が不安定だったり 多品種化で専用設備が多くなると さらに生産能力低下が大きくなる 仕掛が工程のよりバラツキ時間経過とともに変化する Lead time Relation between WIP and Lead time/output Lead time with equipment trouble Lead time Min EES Single wafer control APC/IM Integrated equipments Lead time Output Max Output 0 Output Output with Equipment trouble A WIP B
IT 化の方向 IT 化するドメイン ( 機能と階層 ) を限定する リソースをそのドメインで利用できる構造にモデル化する 再利用化できる構造化を図る リソースを利用する業務者を決める ( 場合によっては自動化を考える ) その後 リソースモデルを集合した新たなコンポーネントを作る この コンポーネントをベースに機能別の判断ルールや業務フローなどを個別に決定し コンテンツ化する
工場の能動的可視化と俊敏な実行体制 工場の変化する状況を戦略的に分析し 解決施策を導き出す リソース 能動的な可視化 解決 実行 Device Quality Assurance 製品 QA in process condition control Process conditions parametric assurance (such as FDC @factory level) Data spec 装置 人 Copyright 2000 by Masato Fujita, Selete/Panasonic Event Begin Item Task Tool activity QA QA of process actuators End Eent Generation Operation Item Consumption Utilization loading Resource Order Lot WIP 再利用 / 構造化 プラットフォーム化 モデル化 階層化 戦略に従った分析 検討 責任と権限 専任部隊 固有技術者 Source:STRJ/FITWG
IT 化の課題 コンテンツを以下に特許や著作権で守れるかの研究が不十分 技術移転できるものと秘密として秘匿しなければならないものの区別が難しい 例 : プロセスレシピーは特許になるのか 設計情報と販売情報の連携は どのようにして実現すればいいのか
ECM とSCM の融合 設計情報と販売情報は流れるように連携する必要がある Process development ECM Pilot production e-mfg Mass production SCM Engineering data Process develop customer design Hierarchical Quality Assurance DFM mask Sales data RosettaNet Wafer Fab YMS PCS EES APC AEC MES MCS PV Agile-Mfg DFM :Design for Manufacturing Assemble TEST Fab YMS :Yield Management System MES :Manufacturing Execution System MCS: Material control system PCS : Process Control System
まとめ 半導体前工程は 微細化と多品種化の進展にともない 情報量の爆発的増大と業務領域を跨る情報の連携のニーズが増大 これまでの IT 化は 機能毎のシステム開発 今後は 機能化や階層間を跨る IT システムの開発が重要 今後の IT システムは ドメインの最適化と再利用できるコンポーネントの作成がプラットフォーム作成で重要 コンテンツの特許化 著作権化の研究が重要 ECM と SCM の統合化を指向