什么是晶圓制程的CPK（Process Capability Index）？

老虎說(shuō)芯|Tiger Chip|

2025-02-04 14:23:01 810

CPK（Process Capability Index）是制程能力的關(guān)鍵指標(biāo)，用于評(píng)估工藝過(guò)程能否穩(wěn)定生產(chǎn)出符合規(guī)格范圍的產(chǎn)品。它通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)衡量制程的中心位置與規(guī)格目標(biāo)的偏離程度，同時(shí)考慮過(guò)程的變異情況。換句話說(shuō)，CPK反映了制程滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的能力，以及制程的性能穩(wěn)定。

CPK 的計(jì)算公式如下：

C P K = min ? ( U S L ? μ 3 σ , μ ? L S L 3 σ )

其中：

USL（Upper Specification Limit）：規(guī)格上限
LSL（Lower Specification Limit）：規(guī)格下限
μ mu ：制程的平均值
σ sigma ：制程的標(biāo)準(zhǔn)差

解釋?zhuān)?/span>

( U S L ? μ ) / 3 σ (USL - mu) / 3sigma ：表示制程中心到規(guī)格上限的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)量。
( μ ? L S L ) / 3 σ (mu - LSL) / 3sigma ：表示制程中心到規(guī)格下限的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)量。
取兩者的較小值是因?yàn)橹灰瞥唐x目標(biāo)的一側(cè)不足，就會(huì)導(dǎo)致Cpk值降低，反映問(wèn)題的嚴(yán)重性。

CPK 的意義

CPK > 1.33：說(shuō)明制程能力*，絕大多數(shù)產(chǎn)品能夠落在規(guī)格范圍內(nèi)。
CPK = 1：制程能力基本達(dá)標(biāo)，缺陷率較高，風(fēng)險(xiǎn)較大。
CPK < 1：制程能力不足，產(chǎn)品大量不符合規(guī)格，需要調(diào)整工藝或設(shè)備。

CPK 與制程能力的關(guān)系

CPK 考慮了制程的中心位置偏移：它不僅評(píng)估制程的變異（如標(biāo)準(zhǔn)差 σ sigma ），還將制程中心與目標(biāo)值的偏移考慮在內(nèi)。如果制程中心沒(méi)有位于規(guī)格范圍的中心，CPK 會(huì)顯著降低，即使變異小也可能導(dǎo)致超出規(guī)格。
與 PPK 的區(qū)別：

CPK 是基于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)下的數(shù)據(jù)計(jì)算的，用于評(píng)估當(dāng)前工藝是否穩(wěn)定。
PPK（Process Performance Index）則是基于實(shí)際所有數(shù)據(jù)計(jì)算的，評(píng)估實(shí)際生產(chǎn)能力。

例子問(wèn)題描述：

光刻的臨界尺寸（CD）目標(biāo)為 100nm，規(guī)格范圍是 100 ± 5 100 pm 5 nm。如果測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值偏移到 101nm，但數(shù)據(jù)穩(wěn)定（波動(dòng)小），CPK 如何表現(xiàn)？

分析：

已知參數(shù)：

USL = 105nm
LSL = 95nm
平均值（ μ mu ）= 101nm
標(biāo)準(zhǔn)差（ σ sigma ）通過(guò)測(cè)量得知（假設(shè)為 1nm）。

計(jì)算上下限的標(biāo)準(zhǔn)差偏移：

上限偏移 = U S L ? μ 3 σ = 105 ? 101 3 × 1 = 4 3 = 1.33
CPK 值：取較小值：

C P K = min ? ( 1.33 , 2 ) = 1.33 CPK = min(1.33, 2) = 1.33

結(jié)果解釋?zhuān)?/span>

雖然制程的標(biāo)準(zhǔn)差小且穩(wěn)定，但由于平均值偏離目標(biāo)值 100nm，CPK 達(dá)到了最低 1.33，僅勉強(qiáng)滿(mǎn)足制程能力要求。

CPK 影響的實(shí)際意義

連續(xù)偏離的風(fēng)險(xiǎn)：

如果每次測(cè)量值都偏離目標(biāo)值（如連續(xù) 101nm），即使 CPK > 1，也可能觸發(fā)工藝規(guī)定的異常報(bào)警。例如 "連續(xù)三次偏離 Target" 違反規(guī)則，需暫停并調(diào)整工藝。

偏移與缺陷率：

偏離規(guī)格中心（如平均值偏向上限或下限），會(huì)增加接近邊界的產(chǎn)品比例，導(dǎo)致缺陷率升高。
六西格瑪分析：CPK < 1 時(shí)，產(chǎn)品超出規(guī)格范圍的概率會(huì)大幅增加。

總結(jié)。CPK 是評(píng)價(jià)工藝制程能力的重要指標(biāo)，綜合考慮了制程中心與目標(biāo)的偏離程度以及制程變異。在生產(chǎn)過(guò)程中，CPK 的高低直接影響產(chǎn)品的合格率與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)（如控制均值、降低變異），可提升 CPK 值，保證生產(chǎn)的高效性與穩(wěn)定性。

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