一种根据晶圆移动量精确预测光刻胶日用量的方法

胡秀梅

（上海华力微电子有限公司，上海 200000）

一、概述

随着半导体工业的迅速发展和工艺复杂性的日渐提高，准确预估物料的难度变得更大。而在半导体所有的化学品中，光刻胶是价格最贵的材料之一，但有效期却最短（80%以上的光刻胶进厂后有效期仅有90天）。为了避免不必要的浪费，精确地预测光刻胶的日用量对半导体工厂的正常运行非常重要。

光刻胶的储存有效期一般为六个月的有效期，并要求低温冷藏。通常，在满载的Fab里面需要用到的光刻胶会有30多种。一般地，光刻胶从出厂到运输，经过进境报关和进口报关等一段时间后，剩余有效期仅为4～5个月，这对于安全库存量的设置提出了非常高的要求。当安全库存配置较高时，一旦客户的需求有下降，就可能造成过剩的风险。反之，如果突然接到客户的紧急订单，最先缺料的可能就是光刻胶了。所以，如果有一种方法可以准确地预估每日所需要的光刻胶的使用量，不仅可以对光刻胶的安全库存高低进行管理，同时，还可以清楚地预测到当有新订单增加时，光刻胶的库存会在某天出现供应短缺问题。

二、传统的光刻胶用量计算方法

一般地，光刻胶需求量＝单位晶圆所需要的光刻胶使用量×晶圆数量＋机台保养（Process Maintain，简称PM）所需的量。这种计算方法对于Fab的在制品的量非常稳定时或者满载时是非常有意义的。但是，由于半导体产业存在着周期性波动，产品需求的在不同时间段差别较大，造成了在制品（WIP） 的数量非常不均衡，这种算法大大增加了精确预测光刻胶使用量的复杂度。一般地，为了对这种算法进行修正需参考过去3到6个月的实际用量，但是由于复杂多变的生产状况，修正的结果并不是非常准确。除此之外，传统的计算方法对光刻胶的具体进料时间受算法限制，无法准确估算到需要进料的日期，这对于有效期非常短的光刻胶来说是一种非常大的浪费。

三、精确的光刻胶用量计算方法

在12吋晶圆代工厂中，一般产品制程中大约要经过六百步（Step）到八百步。针对不同步骤，不同机台，不同产品需要有不同的Recipe。在Fab中，Recipe是指机台针对不同的产品和不同的步骤所定义的运行所需要的控制流程。精确预测光刻胶用量的基本方法是根据Recipe所设置的光刻胶的单位用量乘以该机台预计的晶圆移动数（move），并加上机台正常保养所需要的量。要做到这点，必须准确了解以下：（一）准确掌握当前的工厂（Fab）的在制品（WIP）在不同站点的数量；（二）对于未来一段时间内光刻机台的晶圆的移动量（Move）的准确预估；（三）机台正常保养的频率和数量；（四）其它非常规光刻胶使用量的预测。

1 在制品（WIP，Work In Process）的数量和状态

1.1 在制品WIP状态和数量的获得：

精确地统计WIP的数量和状态是保证计算准确的前提。 现代化的半导体晶圆代工厂由于其自动化程度高，生产线都会配置一种MES（Manufactory Execute System，制造执行系统）系统。

由于光刻胶的计算仅和光刻层相关，故经过系统直接导出的WIP的状态需要进行过滤和处理，把所有的WIP 统计成和光刻层相关的数量。这样在进行基本的光刻胶用量设置时也仅需要以光刻层为基点。

1.2 本月预计下线计划：

有了当天的WIP状态和各产品的DPML后，还需要进一步了解本月是否还有需要下线的硅片，针对这部分下线计划同样需要进行按日维护. 一旦有新的Wafer下线，这部分很快就会成为新下线的在制品.

2 晶圆的移动量（Move）的准确预估

2.1 各产品DPML的设置：

有了当天的WIP 状况以后，需要对未来一定时间（可根据实际情况设置，比如30天）的晶圆移动量（Move）进行预测。 这时，就需要引入一个叫DPML（Days Per Mask Layer，每光刻层所需要的天数）的参数。 一般地，DPML是根据Fab的制造能力，每个项目，甚至每个Layer都会有一些不同。在进行后续的WIP状况预测时，必先对该参数进行设置。一般地，进行该参数设置时会考虑到机台实际运行的瓶颈进行接近实际的设置。该参数设置得越小，对物料的需求要求进料时间越短，相应地预留的空间也就越大;反之，就会出现物料紧张的风险.

2.2 根据DPML 对未来一定时期内Move数的预估：

a）.根据表1先针对项目对DPML进行相应的设置：

b）.在表2中，第N天为MES中当前实际WIP 状态值。根据第N天的值对未来若干天之后的WIP状态进行预测：

对于产品A的第ALn层Layer来说，第N＋1天的Move数＝AL（n－1）的move数×1/AL（n-1）的DPML；

有了以上 1 和 2 的结论之后，结合每层Layer光刻胶的使用情况（如表3），就可以快速地计算出某天光刻胶需要的量：

例如: 在第N+1天：

光刻胶P1 预计消耗量=第N+1天AL1的MOVE量*U1+第N+1天AL2的 move量*U1.

3 机台正常保养的频率和数量

3.1 光刻机喷头的固定喷涂：

在光刻机台没有满载时，为防止光刻机喷嘴干涸，需周期性地将光刻胶喷涂以保持喷头畅通；这种周期性喷涂的频率对低使用量光刻胶的影响很大，在机台不满载或者新品研发阶段，这种使用量比正常的生产使用量可能还多；这部分需要根据工艺工程师对参数的设置，进行每月固定用量的设置；

3.2 光刻机固定时间Filter的更换：

一般地，光刻机中的Filter都有固定的寿命，一旦寿命到即需要更换。 在更换Filter时，一般对某种光刻胶会用量较大，这部分需要设备工程师对后续要更换Filter所需要消耗的光刻机进行预估，并把这部分的量加入到日预测的数据中。

4 非常规的光刻胶的使用量预测

除了以上介绍的光刻胶的常规使用情况， 实际操作中Fab还常常会遇到以下几种情况可能需要增加光刻胶的使用量，且这些情况一般比较难于预测，如:

a光刻机末端过滤器的更换；

b硅片可能的返工率；

c为防止光刻机喷嘴干涸，需周期性地将光刻胶喷涂以保持喷头畅通，这种周期性喷涂的频率对低使用量光刻胶的影响很大，在机台不满载或者新品研发阶段，这种使用量比正常的生产使用量可能还多；d为了解决硅片缺陷问题，经常需要吹洗光刻增加控挡片的使用，增加光刻胶的用量来排查缺陷;

5、月差异系数的修正

为了减少以上3.4所述非常规情况下的使用量对整体预测的波动， 一般地，系统需要每月根据实际使用情况和月初预测的情况进行对比分析， 列出其中的差异原因进行分析比对.根据最近3个月的差异情况相应地进行加权平均得出一个系数来进行修正。

如:最近三个月Yn-1，Yn， Yn+1三个的实际使用量，相对应的当月MOVE数分别为Mn-1，Mn， Mn+1， 而实际使用量分别为Wn-1，Wn， Wn+1， ，

（以上系数的修正基于Move数的预测偏差在±2%）

修正后当日光刻胶的使用量即为: wn= x*yn （假定wn为某日用量）。

结语

随着半导体市场的变化多端，针对一些有效期短的材料制定日使用量监控是提高竞争力的重要途径和手段.我们分析了如何根据Fab的实际运行能力设置相应的DPML，并根据该参数进行Move数的预测，并在此基础上进行了光刻胶的日用量预测和在实际操作中对所遇到的偏差进行的相应修正。

[1]赵霁，丁丽丽.半导体制造业主生产计划和物料需求计划模型研究[J].期刊论文.

[2] Willian J，Steven.生产与运作管理[M].

[3]斯塔特勒，基尔戈.供应链管理与高级规划—概念、模型、软件与案例分析[M].北京：机械工业出版社，2005：38-41.