专利名称：工艺过程加工能力的估计方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及工艺过程的控制技术，更具体地说，涉及工艺过程加工能力的估计方法及装置。
背景技术：
对于生产型的企业，比如制造业企业来说，需要关注其生产工艺过程和最终产品的质量以及运行情况。长期以来，理论加工能力率Cp和实际加工能力率Cpk被用来表示工艺过程的加工能力，因此，理论加工能力率Cp和实际加工能力率Cpk是用于度量一工艺过程或者其产品符合其预定标准的能力的指标。
对于计算加工能力，即理论加工能力率Cp和实际加工能力率Cpk，通常通过下面所示的公式进行计算。目前，绝大多数用于估计加工能力的工具，比如商业统计软件都是利用这些公式进行计算。
对于理论加工能力率Cp 其中，USL是工艺过程预定标准的上限，LSL是工艺过程预定标准的下限，σ是工艺过程偏差。
对于实际加工能力率Cpk，由以下的两个公式进行计算 Cpk1＝Cp(1-k)(1) 其中，T是工艺过程的目标值，μ是工艺过程的实际平均值，因而参数k也称为偏离因子(off-target factor)。
当工艺过程的目标值T正好位于工艺过程预定标准上限USL和下限LSL之间时，USL-T＝T-LSL，于是，公式(1)得到的结果Cpk1和公式(2)得到的结果Cpk2在算术上是相等的。
对于具有双边工艺过程标准，并且符合正态分布的工艺过程，在获得了工艺过程的实际平均值和实际偏差之后，能够通过上面的公式计算理论加工能力率Cp和实际加工能力率Cpk。在应用中，通常还会计算另外一个参数DPPM，即每百万单位中落到工作过程预定标准之外的缺陷部分的值(defective parts per million)。
但是，实际的工艺过程中，完全符合正态分布的工艺过程十分罕见，绝大多数的工艺过程都会有比较大的偏斜(skewness)或者有长尾(longtail)。于是，基于理想状态的上述公式所得到的Cp、Cpk和DPPM可能是不可靠的。此外，在许多的制造业领域中，比如半导体制造业，所有的产品都是100％经过检测的，也就是说，不能有有缺陷的产品流到客户的手中，于是，通过Cp、Cpk得到DPPM参数这个功能在这些领域中几乎不会被使用。
Cp、Cpk也被开发了许多新的应用功能，比如，上面提到的工业产品(制造业)用户会使用Cp、Cpk的值来评价其工艺过程的效率以及产品的稳定性。Cp、Cpk还可以被用作持续的改进度量(continues improvementmetrics)。这些工作的目的都是为了减小工艺过程中的偏差，并更好地对准工艺过程的目标值。通过对上述的公式(1)和(2)的观察，可见在算术意义上，减小工艺过程偏差σ能够增加理论加工能力率Cp，并同时减小偏离因子k。
基于上述新的应用的角度来考虑现有的Cp、Cpk的估计方法，将会发现现有的估计方法已经不能满足这些新的要求，由于设计时的角度不同，因此使用现有的估计方法得到的Cp、Cpk在这些新的应用领域中有很大的偏差。于是，就需要对Cp、Cpk的估计方法进行改进，以符合这些新的需求。
发明内容
本发明旨在提供一种改进Cp、Cpk估计的方法。
根据本发明的一方面，揭示一种加工能力的估计方法，包括根据预定标准，确定工艺过程的标准上限USL、标准下限LSL。根据工艺过程的实际应用，确定工艺过程偏差σ和目标值T。检测并获取工艺过程的实际平均值μ。根据控制要求，从第一模型和第二模型中选择一个作为估计加工能力的估计模型，其中该第一模型和该第二模型中对于不处于LSL和USL中间位置的T，所得到的加工能力估计值在T的两侧成比例地对称。之后根据所选择的模型，使用所获得的参数USL、LSL、σ、T和μ计算理论加工能力率Cp和实际加工能力率Cpk。根据所获得的Cp和Cpk对工艺过程进行控制或者调整。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于实现上述方法的装置，包括预定参数获取组件，用于根据预定标准获取预定的参数，包括根据预定标准确定的上限USL、下限LSL，根据工艺过程的实际应用确定的工艺过程偏差σ和工艺过程目标值T；运行参数获取组件，用于获取工艺过程运行过程中的参数，主要是实际平均值μ；加工能力估计模型，包括第一模型和第二模型，加工能力估计模型根据具体的控制要求选择其中的一个模型，其中该第一模型和该第二模型中对于不处于LSL和USL中间位置的T，所得到的加工能力估计值在T的两侧成比例地对称；加工能力估计装置，根据加工能力估计模型提供的模型，在预定参数获取组件获取的参数USL、LSL、σ、T以及运行参数获取组件获取的参数μ的基础上对加工能力Cp和Cpk进行估计；工艺过程控制装置，根据加工能力估计装置估计的Cp和Cpk对工艺过程进行调整和控制。
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中， 图1示出了根据本发明的加工能力的估计方法的流程图； 图2示出了根据本发明的加工能力的估计装置的结构图。
具体实施例方式 为了改进Cp、Cpk的估计方式以满足新的应用的要求，首先需要分析一下Cp、Cpk的属性。
通过一个最简单的例子，来研究Cp、Cpk的属性。
实例1LSL＝0，USL＝6，T＝3，σ＝0.5。
根据公式得到理论加工能力率 根据公式Cpk1＝Cp(1-k)和可以获得在不同的工艺平均值μ下实际加工能力率Cpk，参考表1所示 表1 通过上述的实例1，可以得到有关Cp、Cpk的下述属性 (A)Cp独立于工艺过程的目标值T。
(B)Cpk的最大值等于Cp，当工艺过程偏差σ为常数，并且工艺实际平均值μ等于目标值T时，Cpk获得该与Cp相等的最大值。这意味着，当工艺实际平均值μ等于目标值T时，工艺过程的全部能力被利用，没有任何的损失，达到了最高的效率。
(C)当工艺实际平均值μ等于预定标准的下限LSL或者预定标准的上限USL时，Cpk＝0。在这种情况下，预定标准区间(specification width)，即(USL-LSL)覆盖了正态分布区域50％的范围。对于实际工艺流程来说，这是不能接受的，因此，当预定标准区间(specification width)覆盖正态工艺过程分布区域的范围小于50％时，此时的Cpk被定义为0，表明该工艺流程没有工艺能力(incapable)。
(D)当工艺实际平均值μ符合下述的条件μ-LSL＝3σ或者USL-μ＝3σ时，Cpk＝1。这意味着，在这种情况下，预定标准区间(specificationwidth)覆盖了至少工艺过程分布区域99.7％的范围。
(E)当σ为常数时，Cpk的值关于目标T是对称的，即Cpk(μ＝T-a)＝Cpk(μ＝T+a)，其中a表示从目标值T的偏移。
(F)当σ为常数时，在目标值T的两侧，随着|T-μ|或者k的增加，Cpk呈线性地降低。
从制造和客户质量控制的观点来看，因为对于Cp和Cpk的应用是为了使得整个工艺过程更加有效率，最终的产品更加稳定，因此，属性(B)是最被看重的，其反映了Cpk应用的基本概念，属性(C)到(F)解释了一些特定Cpk值和它们所暗示的物理意义之间的关系，或者表示Cpk变化的功能。
实例2LSL＝0，USL＝6，T＝2，σ＝0.5。
由于T＝2，因此目标值T不处于预定标准上限USL和预定标准LSL的中间。
根据公式得到理论加工能力率 根据公式Cpk1＝Cp(1-k)和可以获得在不同的工艺平均值μ下实际加工能力率Cpk，参考表2所示 表2 通过表2可见，在实例2的情况下，当目标值T不处于预定标准上限USL和预定标准LSL的中间时，Cpk1和Cpk2的值不再是相等的。继续参考表2，可以发现在表2中，Cpk2的值与表1中的Cpk是一致的。这说明，公式(2)计算得到的Cpk2是与工艺过程的目标值T不相关的，或者说，是独立于工艺过程的目标值T的。当σ为常数时，不管目标值T的位置在哪里，公式(2)计算得到的Cpk2是总是会在工艺实际平均值μ等于实际预定标准上限USL和预定标准LSL的中间值时获得最大值。因此，一个问题出现了，公式(2)不具有实际应用中最重要的属性(B)，而且不巧的是，绝大多数的情况下，目标值T都不处于预定标准上限USL和预定标准LSL的中间，因此，如果出于制造和客户质量控制的观点，公式(2)得到的结论具有很大的误导可能，实用价值不高。
继续参考表2，Cpk2(2<μ<4)>Cpk2(μ＝2)，这意味着公式(2)计算得到的Cpk2表示实际平均值μ偏离目标值T的情况下，偏离的Cpk2比达到目标值的Cpk2更好。同样，表2中的Cpk2＝1.33有两处，分别是μ＝2和μ＝4，其中，μ＝2表示实际平均值μ等于目标值T，而μ＝4表示实际平均值μ偏离了目标值T达到了4σ。但是通过公式(2)计算得到的Cpk2表示，两者的加工能力是一致的。这明显是不符合逻辑的结论。也就是说，出于制造和客户质量控制的观点，公式(2)计算得到的Cpk2值有比较严重的误导情况存在。
现在来看由公式(1)计算得到的Cpk1值，其不具备上述的属性(C)和(D)。尤其危险的是，在实际平均值μ等于LSL时，实际上该工艺过程已经不能被实现了，但是Cpk1＝0.67表示其仍然具有最大加工能力1/3的能力。这显然是不能接受的错误。而当μ＝5时，Cpk1＝0，指示该工艺过程不具备加工能力，实际上此时该工艺过程尚具备5/6的加工能力。
通过实例1和实例2可见，公式(1)和公式(2)都是基于T位于USL和LSL的中间点的位置上所作出的假设。但是，实际情况中，T基本上不会位于USL和LSL的中间点上。此时，无论是公式(1)得到的Cpk1还是公式(2)得到的Cpk2，都存在着明显的缺陷，无法被应用于控制整个工艺过程的效率和最终的产品稳定性。
因此，必须对上述的估算方法作出修正，使得修正后的估算方案得到的Cp和Cpk能够经可能多的包括Cp和Cpk的属性，尤其是最为重要的属性B。
Victor.E.Kane于1986年提出了一种改进的Cp和Cpk估算方案，详见“加工能力指数”(“Process Capa bility Indices”)，发表于Journalof Quality Technology，1986年1月，No.1，Vol.18。
Kane的方案牺牲了属性(A)，即理论加工能力率Cp不在是独立于目标值T的。
Kane的估算方法如下 Cpk3＝Cp(1-k) 其中， Kane同时还给出了上述的公式(2)的替代计算方法 Cpk3′＝min(CPL，CPU) (CPL＝0 if|T-μ|>T-LSL)(3) (CPU＝0 if|T-μ|>USL-T) 将公式(3)应用于实例2，可以得到下述的Cpk值，参考表3所示 表3 在表3中，由于在目标值T的左侧，T-LSL＝2，因此，通过对称的方式，右侧也仅仅扩展了μ-T≤2的范围，当超出这一范围之后，即μ≥4的情况下，Cpk3的值直接被截断。于是，如果将计算的范围缩小到关于T对称(即T位于中间值)的情况，Cpk3所表达的情况与公式(1)和(2)所计算得到的结果是一致的(在缩小的范围内)。Cpk3虽然有效地修正了T不位于USL和LSL中间的情况下(即大多数实际工艺过程的情况)，Cpk2值所表达的错误的信息，即偏离T情况下Cpk的值反而好于对准T的情况。也修正了Cpk1的危险区域，即当μ＝LSL时，Cpk还是不等于0。应该说，Cpk3是对于公式(1)和(2)的有效的修正，但是Cpk3也存在缺陷，公式(3)实际上是将可用的范围缩小了，公式(3)直接将LSL和USL于T之间距离近的一个的范围对称地映射到另一侧，所以实际上有一些可用的范围被截断了。在上面的实例(实例2)中，在μ＝4-6的范围内，实际上工艺过程还是可以进行的，比如，当μ＝4时，预定标准区间(specification width)覆盖了至少工艺过程分布区域99.7％的范围，但是Cpk3已经变成0。
于是，本发明旨在进一步提高对于例如上述μ＝4-6范围内Cpk的指示能力，更扩展地说，将离目标值T较为大的一侧的Cpk的指示能力提高。
为了做到这一点，本发明需要设法将上述的属性(E)修正为当σ为常数时，Cpk的值关于目标T是成比例对称的，即 Cpk(μ＝T-a)＝Cpk(μ＝T+γ＊a)，其中a表示从目标值T的偏移。
将上述改进的方案用于实例2，由于在实例2中T是向LSL一方偏移的，因此很显然地，在LSL一方Cpk对于偏移量a比USL一方更加敏感和显著。为了使得Cpk关于目标值T“成比例地对称”，必须使得 Cpk(μ＝0)＝Cpk(μ＝6)，Cpk(μ＝0.5)＝Cpk(μ＝5)，Cpk(μ＝1)＝Cpk(μ＝4)，，其中γ＝2。
通过下述的公式，可以计算获得具有“成比例对称”的Cpk，并因而扩展在整个LSL至USL范围内对于的加工能力的指示功能。
Cpk4＝Cp(1-k) (4) 如果将上述公式(4)中的偏离因子k用于公式(3)中，可以获得下述的公式 Cpk5＝Cp(1-k) (5) 将获得的公式(4)和(5)应用于上述的实例2，可以获得如表4所示的结果，在表4中还示出了参数DPPM的数据。
表4 如果需要了解Cpk值和相关工艺过程落在DPPM的对应情况，可以参考表5所示的情况 表5 考虑通过公式(4)获得的Cpk4和通过公式(5)获得的Cpk5，会发现Cpk3的值在LSL和T之间的范围内(即T所偏向的一侧)有些过大，而在T和USL范围内有些过小。而Cpk5的值都比较偏小。虽然Cpk4的值在T的两侧有些不平衡，Cpk5的值有些低估，但是这两个数据比较真实地反映了工艺过程的性能，避免了误导的情况，也消除了可能的危险数据。
表6示出了上述的公式(1)-(5)所获得的Cpk能反映的Cp、Cpk属性。
表6 可见，公式(3)、(4)和(5)分别符合5条属性，能较好地反映工艺过程的加工能力。其中，(4)和(5)具有比(3)更大的有效范围，因此是对于Cp、Cpk估计方法的有效改进。
对于(4)、(5)各自最佳的应用范围，(5)适用于关注DPPM的应用中，因为(5)的Cpk值被估计地比较小，在其余情况下，(4)更加好一些，因为(4)获得的Cpk值更加易于理解。
基于上述改进的公式(4)、(5)，本发明提供一种对工艺过程的加工能力进行估计的方法及装置。其中，该工艺过程的目标值并不是位于预定标准的上限和下限的中间位置，该方法通过下述的过程获得对于加工能力的估计，参考图1所示 根据预定标准，确定工艺过程的标准上限USL、标准下限LSL(步骤102)。根据工艺过程的实际应用，确定工艺过程偏差σ和目标值T(步骤104)。检测并获取工艺过程的实际平均值μ(步骤106)。根据控制要求，从第一模型和第二模型中选择一个作为估计加工能力的估计模型(步骤108)，其中，该第一模型是指公式(4)，该第二模型是指公式(5)。选取的标准为关注DPPM的应用中选取公式(5)，而在其他应用中，选取公式(4)。之后根据所选择的模型，使用在步骤102、104和106中获得的参数USL、qLSL、σ、T和μ计算理论加工能力率Cp和实际加工能力率Cpk(步骤110)。根据所获得的Cp和Cpk对工艺过程进行控制或者调整(步骤112)。
本发明还提供一种用于实现上述方法的装置，需要说明的是，此处所说的“装置”应当理解为使一个用于实现该方案的工具，该装置可以是硬件实现、也可以是软件实现，比如执行专用指令的通用处理器、载入有专用指令的专用芯片、可编程逻辑阵列等等。此处以功能定义该装置，本领域的技术人员应当理解，其具体实现方式可以采用多种公知的技术实现。
图2揭示了本发明的上述装置的结构图，其应当包括以下几个功能模块、或者说是组件 预定参数获取组件202，用于根据预定标准获取预定的参数，包括根据预定标准确定的上限USL、下限LSL，根据工艺过程的实际应用确定的工艺过程偏差σ和工艺过程目标值T； 运行参数获取组件204，用于获取工艺过程运行过程中的参数，主要是实际平均值μ； 加工能力估计模型206，该加工能力估计模型206包括两个模型，即第一模型(指公式(4))和第二模型(指公式(5))，加工能力估计模型206根据具体的控制要求选择其中的一个模型； 加工能力估计装置208，根据加工能力估计模型206提供的模型，在预定参数获取组件202获取的参数USL、LSL、σ、T以及运行参数获取组件204获取的参数μ的基础上对加工能力Cp和Cpk进行估计； 工艺过程控制装置210，根据加工能力估计装置208估计的Cp和Cpk对工艺过程进行调整和控制。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
权利要求
1.一种工艺过程加工能力的估计方法，包括
根据预定标准，确定工艺过程的预定标准上限USL和预定标准下限LSL；
根据工艺过程的实际应用，确定工艺过程偏差σ和工艺过程目标值T；
检测并获取工艺过程的实际平均值μ；
根据控制要求，从第一模型和第二模型中选择一个作为估计加工能力的估计模型，其中，该第一模型和该第二模型中，对于不处于LSL和USL中间位置的T，所得到的加工能力估计值在T的两侧成比例地对称；
根据所选择的模型，使用在参数USL、LSL、σ、T和μ计算理论加工能力率Cp和实际加工能力率Cpk；
根据所获得的Cp和Cpk对工艺过程进行控制或者调整。
2.如权利要求1所述的工艺过程加工能力的估计方法，其特征在于，
根据第一模型或者第二模型估计得到的Cpk符合
Cpk(μ＝T-a)＝Cpk(μ＝T+γ＊a)，其中a表示从目标值T的偏移；
3.如权利要求1所述的工艺过程加工能力的估计方法，其特征在于，所述第一模型定义为
Cpk4＝Cp(1-k)
4.如权利要求1所述的工艺过程加工能力的估计方法，其特征在于，所述第二模型定义为
Cpk5＝Cp(1-k)
。
5.如权利要求1所述的工艺过程加工能力的估计方法，其特征在于，
在关注每百万单位中落到工作过程预定标准之外的缺陷部分的值DPPM的应用中，选择第二模型。
6.一种工艺过程加工能力的估计装置，包括
预定参数获取组件，用于根据预定标准获取预定的参数，包括根据预定标准确定的上限USL、下限LSL，以及根据工艺过程的实际应用确定的工艺过程偏差σ和工艺过程目标值T；
运行参数获取组件，用于获取工艺过程运行过程中的参数，包括实际平均值μ；
加工能力估计模型，包括第一模型和第二模型，加工能力估计模型根据具体的控制要求选择其中的一个模型，其中该第一模型和该第二模型中对于不处于LSL和USL中间位置的T，所得到的加工能力估计值在T的两侧成比例地对称；
加工能力估计装置，根据加工能力估计模型提供的模型，在预定参数获取组件获取的参数USL、LSL、σ、T以及运行参数获取组件获取的参数μ的基础上对加工能力Cp和Cpk进行估计；
工艺过程控制装置，根据加工能力估计装置估计的Cp和Cpk对工艺过程进行调整和控制。
7.如权利要求6所述的工艺过程加工能力的估计装置，其特征在于，
根据第一模型或者第二模型估计得到的Cpk符合
Cpk(μ＝T-a)＝Cpk(μ＝T+γ＊a)，其中a表示从目标值T的偏移；
8.如权利要求6所述的工艺过程加工能力的估计装置，其特征在于，所述第一模型定义为
Cpk4＝Cp(1-k)
9.如权利要求6所述的工艺过程加工能力的估计装置，其特征在于，所述第二模型定义为
Cpk5＝Cp(1-k)
10.如权利要求6所述的工艺过程加工能力的估计装置，其特征在于，在关注每百万单位中落到工作过程预定标准之外的缺陷部分的值DPPM的应用中，选择第二模型。
全文摘要
揭示了一种估计工艺过程加工能力的方法，包括根据预定标准，确定工艺过程的标准上限USL、标准下限LSL。根据工艺过程的实际应用，确定工艺过程偏差σ和目标值T。检测并获取工艺过程的实际平均值μ。根据控制要求，从第一模型和第二模型中选择一个作为估计加工能力的估计模型，其中该第一模型和该第二模型中对于不处于LSL和USL中间位置的T，所得到的加工能力估计值在T的两侧成比例地对称。之后根据所选择的模型，使用在获得的参数USL、LSL、σ、T和μ计算理论加工能力率Cp和实际加工能力率Cpk。根据所获得的Cp和Cpk对工艺过程进行控制或者调整。
文档编号G05B17/00GK101436036SQ200710048189
公开日2009年5月20日 申请日期2007年11月14日 优先权日2007年11月14日
发明者王邕保 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司