基于六西格玛DMAIC改进的划片刀弯曲刚度提升研究

笔者针对自制弯曲刚度测量仪，使用 MSA 测量系统分析工具进行了全面评估，通过测量操作人员的影响和测量仪器波动的影响两个因变量分析，判定该测量系统整体是可接受的。使用该自制弯曲刚度测量仪对 Z 公司的划片刀弯曲刚度和过程能力进行了评估分析，并与行业标杆 DISCO 公司同规格产品进行了对比分析，确认 Z 公司划片刀产品弯曲刚度不足的问题现状，并将该产品刀刃弯曲刚度提升作为质量改进的任务目标。然后通过鱼骨图、因果矩阵、FMEA 等工具对可能影响划片刀弯曲刚度的质量特性因素进行了深入分析，发现电镀母液配置不均匀、镍饼含杂质、金刚石含杂质、镀槽漏液、搅拌器生锈、车间尘埃超标和电镀工艺不稳定等问题严重影响划片刀弯曲刚度指标。

1 绪论

1.1 选题背景与意义
近年来，集成电路设计、制造、封装等产业链在国家政策大力扶持下持续增长，伴随着5G、人工智能（AI）、虚拟现实、物联网等领域的兴起，人们对半导体相关产品的需求持续攀升，推动着中国半导体行业快速发展。半导体加工具有较高的技术壁垒，目前国内市场中，高品质半导体器件加工过程中所使用的耗材主要依赖于国外进口，这种行业现状为我国半导体行业的发展带来了很多问题：一是，对国外产品形成依赖，这会使我国半导体行业受制于人，加重芯片危机；二是，长期使用国外产品，国内厂商不能得到历练，面临淘汰，不利于行业整体发展；三是，国外产品的价格昂贵，对于国内用户来说成本较高，不利于国内产品竞争[1]。随着国家对半导体行业扶持力度的逐渐加强，以及外国对相关先进技术的保护，要想促进国内半导体行业整体快速发展，相关耗材势必要全面国产化。因此，国内掌握核心技术，具有较高产品质量的半导体行业相关企业将会获得巨大的发展机会。
晶圆划片刀主要应用于半导体行业集成电路和分立器件制造过程中的开槽与切断，主要切割材料有硅晶圆、半导体化合物晶圆（GaAs、GaP等）、氧化物晶圆（LiTaO3等）、玻璃、陶瓷、石英、半导体复合材料等。目前代表着划片刀制造技术国际领先水平的主要是日本DISCO公司，占据着中国70%的市场份额。
Z公司在划片刀产品加工过程中存在着断刀率高、切缝蛇形弯曲、槽形倾斜等诸多问题，直接影响划片刀产品的切割质量和使用寿命，对客户造成了不良使用体验。大家解决问题凭借的是研究所项目研发的相关经验，管理粗放、不准确、不系统。当遇到质量问题或新产品需求时，往往是制作多种样品通过试错实验的方式，来解决一些产品质量问题的改进或新产品的研发。这种做法有时看似快速有效，但是存在着不定因素和过程波动，时常会反复出现问题，并不能实现稳定生产，长远来看却是导致了资源的大量浪费。
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1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 划片刀改进研究现状
划片刀生产方式主要有电镀法和烧结法两种，其中电镀法生产的划片刀具有厚度薄、精度高、刚度好等优点，目前国外使用电镀法生产划片刀的厂家有日本 DISCO 公司、美国 K&S 公司，国内还处于起步阶段，仅有少数公司正在进行研究开发工作。近年来随着半导体市场的快速发展，国内外学者对划片刀划切性能提升的研究越来越多。
方莉俐等[2]分析了划片刀研究现状，探讨了电镀工艺参数对镍复合镀层质量的影响规律；Koji 等[3]在划片刀配方添加了带孔的玻璃材料，制备出蓝宝石切割用超薄划片刀，在切割过程中伴随玻璃材料的磨损，刀片表面不断露出新的金刚石，保持了划片刀的切割能力，达到了更长了切割寿命；庞零[4]指出可以通过对划片刀配方进行适当的选型试验来改善硅晶圆切割过程中的使用性能；Zhou 等[5]使用研制的超薄电镀金刚石刀片对硅片进行了高速划片试验，实验表明改变刀片的微观结构可以显著提升切割质量；刘定斌等[6]指出较小磨料粒度的划片刀切割硅晶圆正面崩裂尺寸小，软结合剂强度的划片刀切割硅晶圆背面崩裂尺寸小，低磨料浓度的划片刀切割硅晶圆背面崩裂尺寸小，可根据不同切割质量要求选择不同配方的划片刀来提升使用性能；Lin 等[7]使用两种不同金刚石粒度的划片刀切割硅片，研究了划片刀表面特性与切削用量之间的关系，发现划片刀表面状况是影响切割质量的重要因素，且磨粒高度趋于均匀时切割质量最优；闫伟文等[8]介绍了划片机的划切原理，并对划切过程中影响划切质量的关键因素进行了系统分析研究，发现刀刃露出量是刀刃厚度 20～30 倍、划切深度是刀刃露出量的 1/3~1/2 时划片刀的使用性能最佳；郎小虎等[9]通过试验发现 4800#磨料粒度比 3500#划切砷化镓晶圆的正面边缘更光滑，指出可以通过划片刀粒度选型来提高切割使用性能；李东亚等[10]通过振动分析仪器试验分析找出划片刀不同倾角状态下的频谱曲线图，得出使用性能最佳时的划片刀倾角数值；尹韶辉等[11]通过单因素试验法研究了装夹紧固方式、划片刀种类、切割水流量对 K9 光学玻璃划切性能的影响。上述研究有一个共同特征，均是针对划片刀某一质量特性来展开优化，并最终取得一定规律，证实了通过优化划片刀质量特性可以提升划片刀的使用性能。
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2 六西格玛 DMAIC 理论简介

2.1 六西格玛管理理论概述
西格玛质量水平是将过程输出的平均值、标准差与质量要求的目标值、规格上下限联系起来进行比较，是对过程工艺满足质量要求能力的一种度量。西格玛水平越高，过程满足质量要求的能力就越高；西格玛水平越低，过程满足质量要求的能力就越低。100万次出错机会中不超过 3.4 个缺陷代表了六西格玛最高质量水平[37]。
20 世纪 70 年代中后期，美国在汽车、电子等行业受到了日本强有力的挑战，逐步丧失了市场主导地位。1987 年摩托罗拉开始全面推行六西格玛，自此点燃了六西格玛管理发展的火种，此后，许多学者开始进行六西格玛管理的相关研究，在全面质量管理基础上进行了创新和发展。六西格玛管理以兼容并蓄、博采众长的方式完美融合了各理论的优势，发展演变而成的一种企业综合性、战略性、全面性的管理方法[38]。从 1987 年到 1997 年的 10 年间，摩托罗拉销售额增长了 5 倍，年利润增加 20%，实施六西格玛管理所带来的收益累计达 140 亿美元，效果十分显著。1992 年联合信号公司也引入了六西格玛管理方法，公司收益在短短 6 年内翻了两番，同时六西格玛管理方法得到了充血，大量关于领导力提升、企业文化变革方面的内容更新到六西格玛管理方法中[39]。此后，得克萨斯仪器、通用电气等一系列公司先后引入了六西格玛管理方法，同样取得了令人瞩目的成绩。
今天，六西格玛管理方法的应用已经从摩托罗拉走向了世界，从制造业走向了服务业。六西格玛管理方法开始被全世界的企业所关注和接受，其中包括了英特尔、微软、三星、LG、东芝、西门子、爱立信、福特、3M、惠而浦、杜邦等跨国公司。
六西格玛走过近 30 年的发展历程，其理论和方法体系在不断地完善。如今六西格玛已经由原来的最高质量水平标准发展成为一种高水平管理模式，六西格玛管理由原来的主要解决过程质量能力扩展为解决系统整体业务流程的优化改进和优化设计，六西格玛方法由单一的统计技术特性发展为与精益生产、平衡计分卡、TRIZ 创新设计等理论和方法的整合[40]。

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2.2 六西格玛 DMAIC 简介
六西格玛改进过程即为 DMAIC 过程，DMAIC 代表六西格玛改进活动的五个阶段：界定（Define）、测量（Measure）、分析（Analyze）、改进（Improve）和控制（Control）。六西格玛改进的作用是消除过程的缺陷和无价值的作业，从而提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，达到客户满意，增强产品竞争力[45]。
各阶段的主要工作内容包括：
界定阶段（D）：通过客户的声音深入挖掘核心问题，找出改进理由，确认客户的真实需求，识别产品或流程需要改进的不足之处。充分认识产品质量现状和过程能力水平，对标绩优竞争者并作为改进目标的基准目标。调查研究问题严重程度、问题特征，为设定改进目标提供依据，对预测的改进目标进行修订，制定充分可行的改进目标。成立六西格玛改进项目组，编写相应的项目改进计划任务书，确定改进过程中需要面对的关键质量特征[46-48]。
测量阶段（M）：针对关键质量特征选定测量仪器量具，制定测量标准，通过对测量系统进行 MSA 分析，充分验证测量系统的有效性。如果测量系统有问题需要进行校正，最终确保测量结果的真实性和准确性。如果测量系统验证有效，可对产品现有工艺进行过程能力分析，评判产品现有工艺的可靠性。只有过程能力足够，过程产出的产品才能满足技术要求；如果过程能力不足，就应从改善关键质量特征入手[49-50]。
分析阶段（A）：如果产品现有工艺过程能力指数偏低，说明现有工艺存在不稳定性，需要对关键影响因素进行改进。对生产工艺流程进行分析，找出过程中的关键影响工序。通过头脑风暴、鱼骨图等方法对关键影响工序进行理论分析，确定过程输出的可能影响因素。使用因果矩阵、失效模式与效应分析等工具对可能影响因素进行量化分析，确定最终关键影响因素[51-53]。
改善阶段（I）：通过对上述关键影响因素的深入分析，制定各自具有针对性的改进方案，并落实到各相关小组，严格按照项目计划进度完成实施，最大程度的减小关键影响因素对项目指标的影响，从而减小过程的缺陷或过程变异，最终保证改进方案能够满足或超过项目质量改进目标。通过改进前后效果对比和客户端验证，评价改进措施是否达到预期目标，若没有达到目标，则需进一步查找原因重新制定改进措施[54-56]。
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3 Z 公司划片刀质量现状分析及改进目标界定 ...................12
3.1 划片刀生产工艺流程介绍.................................... 12
3.2 Z 公司划片刀质量现状分析 ......................... 13
4 划片刀测量系统分析及质量特性影响因素识别...................20
4.1 弯曲刚度测量方法........................... 20
4.1.1 测量参数.................................. 20
4.1.2 测量步骤.......................... 20
5 关键工艺过程的工艺参数优化.........................29
5.1 实验模型的建立.................... 29
5.2 实验模型的调整.................... 32

7 标准化控制措施制定

7.1 标准化措施
本文完成了新的划片刀生产制造必不可少的电镀母液配置、镍饼除杂、金刚石除杂、镀槽安装维护、车间无尘处理、电镀工艺参数优化及弯曲刚度检测技术等工艺参数和检测方法研究。
为保证新工艺和新方法在划片刀生产制造过程中的有效执行，制定了相关的生产工艺质量文件。镀液配置：根据电镀母液处理工艺的基本流程，对镀液成份比例、加热温度、搅拌速度、电解电流密度、电解时间等电镀母液配置的关键参数进行了优化实验。最终确定了电解法除杂和提升 pH 值的工艺参数，并制定了《电镀母液配制工艺操作规程》工艺控制文件。
镍饼除杂：将镍饼原材料使用酸洗的方法进行除杂，并将除杂工艺及检验方法写入《原材料检验规程》。金刚石除杂：将金刚石原材料依次使用酸洗、碱洗、水洗的方法进行除杂，并将除杂工艺及检验方法写入《原材料检验规程》。
镀槽防漏：采用先将槽底圆环板与圆柱形桶焊接，最后再进行槽底密封圈槽的精车加工处理，增加了电镀槽与密封圈的配合尺寸精度，保证了镀槽漏液问题不再发生，并将电镀槽加工工艺要求写入《电镀槽组装与维护操作规程》。
车间无尘处理：建造了万级无尘车间，并将无尘车间尘埃测试方法、抽检周期和测试标准写入《无尘车间管理规程》。

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8 结论与展望

8.1 结论
本文采用 DMAIC 方法(界定、测量、分析、改进、控制)，通过对六西格玛管理理论方法进行深入研究学习，以 Z 公司划片刀产品作为案例对象，现有生产工艺流程为基础。针对自制弯曲刚度测量仪，使用 MSA 测量系统分析工具进行了全面评估，通过测量操作人员的影响和测量仪器波动的影响两个因变量分析，判定该测量系统整体是可接受的。使用该自制弯曲刚度测量仪对 Z 公司的划片刀弯曲刚度和过程能力进行了评估分析，并与行业标杆 DISCO 公司同规格产品进行了对比分析，确认 Z 公司划片刀产品弯曲刚度不足的问题现状，并将该产品刀刃弯曲刚度提升作为质量改进的任务目标。然后通过鱼骨图、因果矩阵、FMEA 等工具对可能影响划片刀弯曲刚度的质量特性因素进行了深入分析，发现电镀母液配置不均匀、镍饼含杂质、金刚石含杂质、镀槽漏液、搅拌器生锈、车间尘埃超标和电镀工艺不稳定等问题严重影响划片刀弯曲刚度指标。
Z 公司实施六西格玛管理项目后，对上述相关影响因素进行了优化改进，改进后生产制造的同规格划片刀产品完成了预期的技术指标，各指标完成情况如下：
①弯曲刚度平均值由改进前 4.038 gf/10μm 提升至 6.113 gf/10μm，提升了 51.4%，超额完成弯曲刚度 6.0 gf/10μm 技术指标的要求，达到或接近 DISCO 同规格产品水平；
②弯曲刚度过程能力指数 Cpk由改进前 0.72 提升至 1.46，提升了 103%，完成了 Cpk＞1.0 的技术指标，过程能力充分；
③切割槽型倾斜量 XMAX＜10μm，XAVG=7.65μm；
④通过内部测试和客户端验证，切缝蛇形弯曲的质量问题得到彻底解决。
本文制定了相关的工艺操作规程、检测规程等标准控制文件，并在多个工序实施了SPC 统计过程控制图，可以通过单值—移动极差控制图（I-MR）对生产过程中的工艺参数和质量检测信息进行实时监控。从生产工艺源头和质量监控两方面彻底解决了因弯曲刚度不足导致的划片刀产品切缝蛇形、断刀、槽型倾斜等质量问题，为划片刀的市场推广应用提供了质量保证。
参考文献（略）