推动整合量测技术发展的因素

　　半导体工业界已将整合量测技术作为一种解决复杂控制问题的重要手段，并已对其投入了极大的关注。按照上文提供的定义，整合量测技术显然是实现晶圆至晶圆控制的最佳量测手段。在前馈晶圆至晶圆控制方案中，在处理之前就要将每一块晶圆送到整合量测单元上进行测量。然后针对那块晶圆对具体的方案进行修改以便把即将发生的变化解释清楚；对正在进行处理的本批次中的所有（或一些子件）晶圆重复上述的工艺步骤。在使用这种方法时，假设量测数据的精确度完全相同，这样整合量测单元就不会在采用独立量测的晶圆级控制上增加任何额外的控制值。在前馈情况下，与晶圆级控制相比，整合量测所特有的最大优点是，在综合单元上测量晶圆的效率得到改善，虽然它们还有待在实际工艺中得到应用。对预先量测来说，它不会在单独的工艺步骤上浪费循环时间或独立的能量。

　　而另一方面，就反馈晶圆至晶圆的控制而言，整合量测技术却十分符合应用的要求。为了能及时收到反馈以便对批次内进行校正，由于时间安排和物流原因，就不可能将晶圆转移到独立的量测单元中进行测量，并及时将测量结果送至控制系统以便对同一批次做一些调整。不过即使是对整合量测而言，要做到这一点也是很不容易的。首先，整合量测单元的速度必须很快，足够达到测量晶圆，并能及时产生结果以便做出调整。量测设备供应商对影响产值的这一问题十分清楚，他们正在进行重大的工程改革以期达到与工艺设备同步发展的目的。但是要获得较高的整合量测生产率是需要付出一定代价的，既包括整合量测设备的实际价格也包括隐含的灵敏度损失等。如果整合量测单元还在同一工艺步骤中用于前馈晶圆至晶圆的控制，那么对量测单元的容量限制则会更糟。当这些整合量测的逻辑方案不得不进行一系列的数据折衷时，晶圆至晶圆控制技术所具有的优点也就荡然无存了。

　　即使晶片控制无法实现，整合量测也应该为批量级先进工艺控制系统提供一些有利的条件。在工艺设备上安装量测单元就意味着没有反馈延迟；经过更新的状态已经做好准备对下一批晶圆进行处理。这样就消除了状态改变与量测检测之间的滞后现象，确保了在等候对改变后的批次进行采样时不至于发生下述的危险情况，那就是在按照预改变设置进行处理的同时插入其它的批次。采用独立量测的平均延迟可能会在从第1到第5批次的任何一个位置上产生，这取决于工艺进行的顺序。对于那些采用指数加权的移动平均（EWMA）状态估算法和中等增益的一般先进工艺控制应用来说，降低从3至0批次的量测延迟即可将总的方差减少一半。

　　对控制的要求并不是推动整合量测技术向前发展的唯一因素。整合量测产生的数据量也可用于改进线路和品质的良率。即使是在没有先进工艺控制的情况下，如果整合量测单元能够利用统计工艺控制（SPC）或错误探测系统对每一块晶圆进行实时监测并获得数据的话，那么只需冒最小的风险即可将偏移探测出来并使设备停止工作。同样，在对细微的设备标记或由工艺引起的良率标记进行分析时，采用整合量测数据可以使根本原因分析更加清晰明了。从理论上讲，这两种情况都是合理的，但是却很难根据良率的改善情况而估算出投资的回报率(ROI)，因为对一家特定的工厂而言，它的净效率是特殊线路和品质良率性能的函数。若管理系统对设备周围存在的特别的报废问题十分清楚，或晶圆级良率损耗这一参数特别糟糕的话，那么在这种情况下，采用整合量测技术可能会起到一定的帮助作用。但是一定要牢记对整合量测的资本投入只是总体良率解决方法所耗成本的一部分。必须用在线式误差系统和统计工艺控制系统来接收并发挥限制晶圆级废料产生的作用。必须具备良率分析工具以便获取广泛的晶圆级参考数据并找到有效的标识。如果没有这些系统和分析设备，采用整合量测获得的结果就会成为日益膨胀的工厂数据坟墓中的一部分。

　　除了工艺窗口的限制需要晶圆至晶圆的控制外，也许针对整合量测技术而展开的最激烈的争论都与工厂的效率有关。推动控制工具研发进步的最大工艺需求同时也正在不断增加总的在线量测负担。任何因素都不大可能像量测工具引起的生产瓶颈那样使制造工程师如此恼火，不过正像每一个技术节点都会向常用的静态量测能力提出新的要求一样，损失一定的效率也是在所难免的。没有量测就意味着没有先进的工艺控制手段，没有量测就会使工艺设备停止工作。

　　为了实现整合量测，使之能够真正为独立量测能力提供一些便利条件，我们可以不考虑采用量测和先进工艺控制给工厂带来的低效能。一旦整合量测技术全面实现并能满足一项单一工艺的应用要求，即可大幅度减少在相关的独立量测工序期间采样的次数，乃至完全取消采样。最终的结果是，产品的循环时间得到改善，而且还具有可满足其它需求的额外的独立能力。板上量测还可以消除先进工艺控制诱发的工厂中断的两个最大因素 — 控制设备的危险和小规模试验晶圆。

　　每当控制变量的状态是未知数的时候就会出现先进工艺控制初始化的情况。这种情况一般出现在设备维护之后，采用新产品或者数据超过有效期时。在初始化期间，少数晶圆经常会从引导批次中分离出来，经过处理和测量，并在全部25块晶圆都得到处理之前得到精确的状态评估。尽管小规模试验批次正在得到处理和测量，但其余的晶圆（通常还包括工艺设备）却是被禁止的。如果测量结果是在工艺流程进行期间采集的，那么就没有必要再进行小规模晶圆工艺试验了。先进工艺控制设备能够估算出在引导晶圆上进行整合量测的测量情况，并能在最短的时间内对批次中的其余晶圆做出相应的调整。

　　最后，我们来探讨投资成本的问题 — 在推动整合量测技术进一步发展的所有潜在因素中，投资成本可能是最具争议的问题。销售商声称，整合量测的价格大概是独立量测技术的一半。但他们是如何测量出来的？为了满足控制的需要，一家制造商绝对不可能只是单纯的在一种整合量测技术与一种独立工具之间做出选择。使用“控制成本”的方法时要求，必须根据在一个系统统一控制下的各个独立工艺设备的总数量，而对整合量测和独立量测的成本做出统一的规定，但是这种方法不能说明额外增加的晶圆量测以及工厂的工艺控制情况和产品的良率值，当工艺设备装有整合量测单元的时候，这些额外增加的晶圆量测以及工厂的工艺控制情况和产品的良率值就是由测量每一批次中的每一块晶圆而获得的。这因而使我们想出了计算每块晶圆的设备占有成本的方法。在使用这种方法时，一切都以每块晶圆的成本为基础，但是采用这种方法，对于批次、晶圆和位置采样而言，独立量测单元的灵活性会有所降低。它还会错误地假设采样与数值之间的相互关系是无穷尽的比例关系，而我们知道这是不真实的。工厂从额外增加的晶圆测量中获得的回报越来越少。在达到一个饱和点之后就会获得极少的额外信息，而这一饱和点即量测采样设计的总基础。

无论采用什么方法对整合量测的成本与独立量测的进行比较，一直以来就有种潜在的假设，那就是整合量测不会增加独立量测的负担，而是会取代独立量测技术的负担。当前正在开展的大多数整合量测研究都存在一定的风险等级，因此这一假设是没有根据的。目前，大多数整合量测方法的可制造能力都尚未得到足够的验证，所以说购买整合量测设备取代独立量测方法的时机尚不够成熟。当芯片制造商在获得足够的独立能力并满足其控制需求之后，他们就会将整合量测方法应用于制造中，并对该技术进行评估。整合量测计划的成功可能会对工厂未来的购置模式或技术节点产生冲击，但对当前的生产不会产生丝毫的影响。整合量测技术正面临着不幸的命运，因为需要进行独立测量以验证整合量测数据的正确性，所以采用整合量测方法通常会使总体的生产量测能力有所下降。直到与整合量测相关的风险等级能够成为取代而并非成本增加（这种情况才有可能改变），目前还无法进行适当的比较。