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電子加工新聞

晶圓廠如何簡化半導(dǎo)體設(shè)計與制造流程

星之球科技 來源:36kr2017-04-12 我要評論(0 )   

晶圓廠商們希望簡化半導(dǎo)體設(shè)計和制造的流程,但創(chuàng)新的分析工具會提供他們需要的解決方案嗎?

晶圓廠商們希望簡化半導(dǎo)體設(shè)計和制造的流程,但創(chuàng)新的分析工具會提供他們需要的解決方案嗎?由麥肯錫帶來的這篇商業(yè)分析,可能會帶給我們答案。在本文中,麥肯錫采訪了高級分析公司Motivo的首席執(zhí)行官Bharath Rangarajan,為我們帶來了一些深刻的見解。
 
高級分析、機器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用,正在使傳統(tǒng)的制造和運營方法遭受沖擊。雖然半導(dǎo)體制造公司在應(yīng)用這些技術(shù)方面有些限制,但可能很快就會有所改變——并且它們也有很好的理由去改變?,F(xiàn)在,要想將一款新的集成電路推向市場,所需要的時間在每個節(jié)點上都在逐漸上升。新的設(shè)計和制造技術(shù),是造成這個問題的一個原因。但是,更復(fù)雜的檢查、測試和驗證程序,也是產(chǎn)生延誤的原因。
 
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的現(xiàn)狀表明,晶圓廠需要多個領(lǐng)域的共同協(xié)助。在過去幾年的設(shè)計過程中,測試和驗證時間增加了50%。新產(chǎn)品引進和升級,現(xiàn)在通常需要12到18個月的調(diào)試和調(diào)整。類似地,組裝和測試過程中30%的資本支出,都是不給產(chǎn)品增加任何價值的測試。芯片進入市場后,問題也不會停止:客戶可能會遇到意想不到的性能問題,并要求半導(dǎo)體公司幫助解決這些問題 ——這是一項艱巨的任務(wù),因為廠商們沒有辦法追蹤芯片從生產(chǎn)到使用的所有過程。 此外,許多晶圓廠沒有有效地記錄生產(chǎn)過程中遇到的問題,也沒有采取措施來嘗試解決這些問題。
 
在許多情況下,出現(xiàn)問題的原因,是因為盡管有一定程度的自動化,重要任務(wù)仍然需要頻繁的手動操作干預(yù)。為了改進這一流程,許多技術(shù)公司正在創(chuàng)建分析工具。這些工具,可以幫助晶圓廠用基于事實的知識、模式識別和結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí),來代替猜測和人類的直覺。除了減少錯誤、精簡生產(chǎn)和降低成本之外,這些工具甚至可以幫助晶圓廠發(fā)現(xiàn)新的業(yè)務(wù)模型,并獲取額外的價值。
 
盡管這些分析工具才剛剛開始獲得晶圓廠的關(guān)注,但半導(dǎo)體制造商已經(jīng)有很多選項可供選擇。因為,許多技術(shù)人員最近已經(jīng)開發(fā)出專門的解決方案,來簡化芯片制造過程。我們從大量創(chuàng)新者中選出了三家公司,作為新生攪局者的代表性例子。我們訪問了他們的業(yè)務(wù)部門和技術(shù)部門的領(lǐng)導(dǎo),以進一步了解其能力。我們的目標(biāo)不是選擇性地認(rèn)可某一家公司,而是為可能不熟悉新產(chǎn)品的半導(dǎo)體公司,提供不同的新興解決方案。
 
主動防止錯誤,進而優(yōu)化產(chǎn)量
高級數(shù)據(jù)分析,可以在虛擬或數(shù)字設(shè)計文件中,測試和標(biāo)記出可能的故障點,為晶圓廠提供了極大的方便。不需要測試成品,半導(dǎo)體公司就可以提前糾正物理設(shè)計中的錯誤,提高產(chǎn)量和可靠性。 晶圓廠商還可以使用相同的技術(shù),來生成和運行虛擬芯片進行測試 ,從而允許他們識別和消除邊際效應(yīng)的同時,進行流程優(yōu)化。最后,高級數(shù)據(jù)分析可以讓晶圓廠將來自傳感器的數(shù)據(jù)大量輸入,與廣泛的流程級信息相結(jié)合,創(chuàng)建豐富的多變量數(shù)據(jù)集。然后,它們可以快速診斷芯片或設(shè)備故障的可能來源,從而為潛在的問題提供早期警告。這些工具,可以從先前的設(shè)計中進行初步學(xué)習(xí),并隨時間增強檢測故障的能力。為了更多地了解這些防范錯誤的新工具,我們與Motivo首席執(zhí)行官Bharath Rangarajan進行了訪談。Motivo是一家高級分析公司,通過使用專有算法、機器學(xué)習(xí)和人工智能,來增強預(yù)測分析能力,從而提供更多的有洞察力的診斷,防止復(fù)雜的芯片故障產(chǎn)生。
 
麥肯錫:你能談?wù)勎覀兛吹降男酒a(chǎn)中的一些問題,特別是錯誤檢測問題嗎?
Bharath Rangarajan:每個工廠都有數(shù)千個工藝步驟,而這些步驟又有數(shù)千個參數(shù)可以用于不同的組合。因為有這么多的因素,所以才導(dǎo)致了很多芯片故障或缺陷。但是每個誤差的頻率往往非常低,因為在設(shè)計和生產(chǎn)過程中,參數(shù)很少會是一樣的。這使得,即使是最強的工程團隊,也難以預(yù)測發(fā)生問題的地點和時間。
 
由于晶圓廠傳統(tǒng)上幾乎沒有分析工具,所以他們試圖通過制作模型、運行測試晶片和執(zhí)行基本分析來發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)較多的問題。換句話說,他們會改變一個設(shè)計或過程,看看是否消除了一個常見的錯誤。在僅需要改變幾個參數(shù)的情況下,這種方法會降低一些高頻問題,但這并不能幫助晶圓廠識別出更廣泛存在的、更難發(fā)現(xiàn)的低頻和中頻誤差。它也不能識別只能通過改變許多參數(shù)來解決的高頻誤差,而這些錯誤,很多時候是產(chǎn)量降低的原因。
 
傳統(tǒng)的糾錯方法,還存在另外一個問題,那就是很難從過去的經(jīng)驗中進行學(xué)習(xí)。正如我所說,晶圓廠已經(jīng)能夠通過調(diào)整多個參數(shù)來消除缺陷,但這僅僅有助于他們處理當(dāng)前批次的產(chǎn)品。他們的測試方法,并不能讓他們了解導(dǎo)致問題的內(nèi)在原因。我的意思是,他們沒有顯示出改進的確切變化,所以可能會在將來重復(fù)同樣的錯誤。許多設(shè)計團隊和負(fù)責(zé)流程的工程師之間存在溝通問題,他們在描述問題、甚至共享過去故障信息的方式上并不相同。我可以理解為什么會發(fā)生這種情況 —— 很多時候,設(shè)計和流程人員甚至都不在同一個地點辦公。他們使用不同的語言,有些甚至可能不知道已經(jīng)存在一些問題。

麥肯錫:你的工具如何工作?
Bharath Rangarajan:首先,我們分析客戶的物理設(shè)計 —— 通常是圖形數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)II(graphic-database system  Ⅱ)或開放藝術(shù)品交換系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)文件(Open Artwork System Interchange Standard File) —— 這些文件類型,是當(dāng)前集成電路分布系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我們的工具從簡單的幾何圖案和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)圖案中,提取出所有的特征和組合。然后我們再確定這些之間是如何相互鏈接的。
 
處理完這些信息后,我們可以在拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)映射中,識別出導(dǎo)致故障的單點或節(jié)點。例如,我們的圖例中,將顯示故障節(jié)點是如何連接到普通節(jié)點的,進而找出問題所在。我們的圖例還幫助客戶確定要測量和測試的特征和節(jié)點,這有助于優(yōu)化產(chǎn)量。現(xiàn)在的測試都是隨機選擇節(jié)點來進行分析,而我們在這個基礎(chǔ)上做了優(yōu)化,有助于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和測試的效力。最終,廠商會得到很好的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
 
一些較舊的基于物理的模型,在找到錯誤方面仍然存在一定的作用。但還沒有任何一個老舊的模型,可以預(yù)測在先進的制造過程產(chǎn)生的所有可能的結(jié)果。而且由于芯片復(fù)雜度的增加,它們所能做的還不夠。
 
麥肯錫:晶圓廠在這個領(lǐng)域可以期待什么樣的結(jié)果?
Bharath Rangarajan:通過先進的數(shù)據(jù)分析,我們有潛力大幅改變現(xiàn)有的范式?,F(xiàn)在,晶圓廠所制造的多批晶圓,經(jīng)歷了多次昂貴的迭代循環(huán),以消除問題。由于處理硅晶片所需的長周期,該方法也是非常耗時的。如果公司在芯片設(shè)計方面更加開放一些,那么它們可以縮短產(chǎn)量上升的爬坡期,并將大幅縮減流程問題所需的迭代次數(shù),將新產(chǎn)品的流程效率提高十倍。這將對產(chǎn)品生產(chǎn)時間表和硅片消耗產(chǎn)生重大影響。在測試中,兩家半導(dǎo)體公司都發(fā)現(xiàn)了故障和相關(guān)故障的模式,用時從幾個季度縮短到了幾個星期。
 
加強晶圓檢查
半導(dǎo)體設(shè)計和制造的檢測工具越來越專業(yè)化,每個工具的使用場景都都只是工藝流程中的一小部分。 晶圓廠可能需要十幾個的大型、昂貴的機器,來完成在晶片生產(chǎn)過程中的的數(shù)百個步驟。這使得資本預(yù)算和用地條件都十分捉襟見肘。但最值得注意的,是工具本身的技術(shù)限制:設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸、增加工藝流程、上新設(shè)備來檢測問題,可能都很困難。在許多步驟中,人工的檢查員必須經(jīng)常審查工具中的數(shù)據(jù)—— 這可能需要將數(shù)百或數(shù)千個晶圓運送到檢測室和實驗室,但這增加了損壞的風(fēng)險,并且無法實時進行過程控制和獲取產(chǎn)出數(shù)據(jù)。Nanotronics公司負(fù)責(zé)構(gòu)建包含人工智能的自動顯微鏡。為了了解晶圓檢測的新技術(shù),我們與Nanotronics的兩名官員進行了交談,:首席營收官Justin Stanwix和首席技術(shù)官Julie Orlando。
 
麥肯錫:請告訴我們,貴公司的技術(shù)如何在芯片檢測中使用呢?
Julie Orlando:我們的顯微鏡將納米級、微觀和宏觀成像與機器學(xué)習(xí)、人工智能相結(jié)合。他們可以自動發(fā)現(xiàn)新的缺陷,并通過網(wǎng)絡(luò)共享這些信息。這使得像圖像標(biāo)記一樣的——通常必須手動完成、容易出錯的流程不再必要。我們的顯微鏡還有一個便利因素,那就是晶圓廠可以將它們用于晶體生長、光刻、蝕刻和其他工藝,而不是像原來一樣,使用很多不同的工具來完成這些檢測。另一個變化是顯微鏡可以檢查透明、半透明和不透明的芯片,以及微處理器單元、MEMS(微機電系統(tǒng))器件和封裝的晶片。
 
麥肯錫:你可以在一些細(xì)節(jié)上描述手工檢查的差異嗎?
Julie Orlando:我們的顯微鏡可以在幾分鐘內(nèi)分析100,000個芯片,而手動檢查員可能需要30分鐘才能查看50個芯片。如果使用我們的顯微鏡,晶圓廠也可以檢查到更多的芯片層,而不是手動檢查。我們與一家公司合作,之前他們?nèi)斯た梢詸z查25層,但用顯微鏡將其增加到了300層。然后,晶圓廠從人工檢測轉(zhuǎn)向顯微鏡時,處理量和產(chǎn)量也都會增加。
 
麥肯錫:您的軟件如何讓顯微鏡共享數(shù)據(jù)?
Justin Stanwix:我們的軟件,可以連接晶圓廠或晶圓廠網(wǎng)絡(luò)中的所有顯微鏡。因此,工程師可以開發(fā)新的算法,來找出那些問題的識別數(shù)據(jù),和工具里過程參數(shù)之間的相關(guān)性。然后,他們可以通過更新軟件立即將新算法納入顯微鏡網(wǎng)絡(luò)。我們的開放式軟件平臺和API接口使這一切成為可能,因為它們允許我們的顯微鏡連接到其他工具,包括晶圓廠可能已經(jīng)擁有的工具。
 
連接半導(dǎo)體和電子供應(yīng)鏈
想要提高質(zhì)量的產(chǎn)品工程師,通常會遇到一個嚴(yán)重的阻礙:難以從產(chǎn)業(yè)鏈上的其他廠商那里獲取數(shù)據(jù)。他們經(jīng)常收集存在于系統(tǒng)或應(yīng)用程序芯片中的不完整信息,但找不到解決問題的重要部分。我們與Optimal Plus(一家專門從事大數(shù)據(jù)分析軟件的公司)討論了分享信息的更好策略。下面是對Optimal Plus的首席技術(shù)官Michael Schuldenfrei和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Yitzhak Ohayon的采訪。
 
麥肯錫:告訴我們一些貴公司的技術(shù)。
Michael Schuldenfrei:我們創(chuàng)建了一個跨行業(yè)的平臺,用于將原始設(shè)備制造商(OEM)與供應(yīng)鏈中的半導(dǎo)體公司相連接。它可以跟蹤單個產(chǎn)品的所有數(shù)據(jù),包括制造的地點和時間、功能和電氣測試的每條信息、制造設(shè)備的數(shù)據(jù)以及使用條件 、 濕度水平或操作閾值等因素。因此,基本上,工程師可以查看全套有關(guān)產(chǎn)品及其組件的信息,從而更容易發(fā)現(xiàn)問題。我們的平臺還允許工程師配對和匹配來自特定制造環(huán)境的設(shè)備。這可以真正提高許多用戶端應(yīng)用可靠性的方法。

麥肯錫:你能告訴我們你的平臺如何工作嗎?
Yizhak Ohayon:第一步,我們清理和規(guī)范化數(shù)據(jù)。它必須在所有地點和產(chǎn)品中完整、準(zhǔn)確和一致。然后,我們將數(shù)據(jù)輸入平臺,幫助客戶克服最重要的數(shù)據(jù)斷開之一:芯片制造商和電子OEM之間的信息交流不足。芯片制造商負(fù)責(zé)晶圓的分類測試,電子OEM中又分為主板用戶和系統(tǒng)用戶,負(fù)責(zé)最后的測試。在通過我們的平臺比較來自這些測試的數(shù)據(jù)后,同意交換數(shù)據(jù)的電子產(chǎn)品銷售商和半導(dǎo)體供應(yīng)商,可以確定結(jié)果是否與特定芯片高度相關(guān) —— 結(jié)果可能是該芯片運行良好,或者該芯片存在差異。例如,芯片制造商可以使用其電子產(chǎn)品客戶的數(shù)據(jù),來確定哪些測試信號預(yù)測了下游存在的故障、哪些信號不影響最終產(chǎn)品。這意味著芯片制造商可以調(diào)整其篩選參數(shù),進而優(yōu)化產(chǎn)量。換句話說,改進篩選條件之后,會減少那些潛在具有問題的設(shè)備的數(shù)量。
 
麥肯錫:你們的平臺有什么樣的結(jié)果?
Yayhak Ohayon:在2016年,我們分析了超過500億臺芯片。我們已經(jīng)看到測試所需時間、運營效率、產(chǎn)量和測試結(jié)果都有所改善。
 
有一次,我們與一家電子設(shè)備OEM合作,希望將一款主板級設(shè)計迅速推向市場。該公司遇到了很多芯片問題,并提供給供應(yīng)商所有的相關(guān)數(shù)據(jù),以換取有限的芯片信息。將這些測試數(shù)據(jù)與原始組件供應(yīng)商的芯片數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)后,我們找到了出問題的地方。這些發(fā)現(xiàn)減少了客戶分析故障所花費的時間。結(jié)果是該產(chǎn)品的產(chǎn)量有了顯著的提高,上市時間提前。
 
一家電子產(chǎn)品OEM報告說,使用這一技術(shù),它們已經(jīng)將量產(chǎn)所需的時間減少了一半。該廠家也減少了“錯誤”芯片的數(shù)量,在重新測試中將錯誤率降低了百分之五十。這些芯片是客戶報告存在問題的批次,通常是與其他芯片組合使用中存在問題。但是當(dāng)制造商自行重新測試時,這些芯片工作正常。了解產(chǎn)品故障所需的時間,從三個月下降到了一周。新技術(shù)也提高了測試效率,因為OEM們少了很多不得不進行大量測試的芯片。
 
麥肯錫:你看到使用技術(shù)或類似技術(shù)有任何障礙嗎?
Michael Schuldenfrei:信息交流上有一些障礙。從我們技術(shù)的角度出發(fā),我們需要半導(dǎo)體公司及其客戶將比現(xiàn)在更自由地分享信息。說服供應(yīng)商分享信息可能很難,因為他們可能會懷疑客戶是否會在談判中使用他們的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。希望我們的平臺,可以通過作為供應(yīng)商和客戶之間的第三方中介,來減少一些擔(dān)憂。他們不必直接交換信息,當(dāng)我們共享數(shù)據(jù)時,它們都是非常受控制的。當(dāng)問題出現(xiàn)時,我們只會發(fā)布信息 —— 通常是質(zhì)量問題 —— 并且將數(shù)據(jù)交換降至最低。我們還看到一些情況,電子產(chǎn)品制造商通過反向整個過程,向其供應(yīng)商提供測試數(shù)據(jù)來解決問題。這是另一種可能的解決方案。
 
向前邁進將需要什么
愿景是明確的:將產(chǎn)品和流程更快地轉(zhuǎn)換到晶圓廠的生產(chǎn)環(huán)境中,縮短新芯片設(shè)計的上市時間,降低由更高、更可預(yù)測的產(chǎn)量帶來的總體成本,以及通過供應(yīng)鏈的可追溯性用于預(yù)測單個芯片。想要使這些成為現(xiàn)實,將需要在我們的能力范圍之內(nèi)進行技術(shù)創(chuàng)新。但是在我們看來,半導(dǎo)體行業(yè)至少要在四個維度上進行實際的工作。
 
天賦
我們正在經(jīng)歷半導(dǎo)體行業(yè)的人才干旱。只有少數(shù)具有數(shù)據(jù)分析功能的新畢業(yè)生,將半導(dǎo)體作為為他們所選擇的領(lǐng)域。而他們之中,只有更少的人仍然相信這是一個難以置信的、會取得重大創(chuàng)新進展的機會。放眼整個北美,只有不到1萬名認(rèn)證的數(shù)據(jù)科學(xué)家。其中絕大多數(shù)人,只針對有限的領(lǐng)域進行研究,其中大部分涉及改善廣告或營銷內(nèi)容的個性化。這種扭曲的分布,對于希望將機器學(xué)習(xí)和高級分析應(yīng)用于其操作的半導(dǎo)體公司而言,是一個問題。為了吸引和保留合適的人才,半導(dǎo)體公司必須創(chuàng)造出令人信服的工作環(huán)境。數(shù)據(jù)科學(xué)需要被認(rèn)可、獎勵和給予與其他技術(shù)人員相同的尊重。
 
組織
功能和組織邊界會帶來更清晰的前景,但這也是掣肘很多公司的原因。例如,許多晶圓廠正在努力優(yōu)化芯片設(shè)計和工藝技術(shù),但是它們?nèi)狈φ麄€流程的制造工藝,難以發(fā)現(xiàn)問題并支持更快的產(chǎn)量爬坡。他們需要通過讓設(shè)計者和開發(fā)者組織在共同領(lǐng)導(dǎo)下更緊密地結(jié)合起來,朝著同一個目標(biāo)努力,進而打破邊界。否則,即使是最有吸引力的高級分析方法,可能也無法提供需要的結(jié)果。
 
投資
工程是晶圓廠和芯片設(shè)計組織的核心,而不是數(shù)據(jù)科學(xué)。這就是為什么晶圓廠只能對高級分析進行有限的投資,盡管有數(shù)十億美元之多。當(dāng)半導(dǎo)體公司創(chuàng)建數(shù)據(jù)分析組時,他們傾向?qū)⑵錃w入信息技術(shù)或制造技術(shù)的領(lǐng)域,很少將其視為一大功能領(lǐng)域。這需要改變。如果半導(dǎo)體公司,沒有對包括機器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用在內(nèi)的分析領(lǐng)域進行大量投資,那這一產(chǎn)業(yè)就將要落后。
 
合作與伙伴關(guān)系
分析和機器學(xué)習(xí)供應(yīng)商,往往對進入半導(dǎo)體市場很猶豫。除了擔(dān)心客戶群體正在固化,許多人認(rèn)為半導(dǎo)體公司喜歡內(nèi)部開發(fā)解決方案。這種看法可能會持續(xù)存在,因為很少的軟件或分析公司正在與半導(dǎo)體廠商合作,特別是在設(shè)計和運營方面。未來,半導(dǎo)體廠商必須與技術(shù)研究公司建立積極的伙伴關(guān)系,以提出新的想法、應(yīng)用和思維方式。過去,半導(dǎo)體行業(yè)通過合作伙伴關(guān)系加強了制造和加工技術(shù),如與國際研究中心SEMATECH和IMEC的合作伙伴關(guān)系?,F(xiàn)在是我們?yōu)楦呒壏治?、機器學(xué)習(xí)和人工智能做同樣事情的時候了。
 
半導(dǎo)體行業(yè)提供了創(chuàng)新和實驗高級分析的獨特機會,因為沒有其他產(chǎn)業(yè)能夠創(chuàng)造出如此多的、可以為整個產(chǎn)業(yè)鏈帶來改進的過程數(shù)據(jù)。許多新公司,包括本文中討論的新公司,已經(jīng)認(rèn)識到這一個機會,并將真正的數(shù)據(jù)科學(xué)帶入半導(dǎo)體領(lǐng)域。使用這些工具,加上在領(lǐng)導(dǎo)層面對數(shù)據(jù)分析的重視增加,可能會使半導(dǎo)體公司成為數(shù)據(jù)分析行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。

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