Interactions entre les risques des produits, des processus ... · 2 Revue. Volume X – n° x/année 1. Introduction Les usines de production de semi-conducteurs sont soumises à

Revue. Volume X – n° x/année, pages 1 à X

Interactions entre les risques des produits, des processus de fabrication, des ressources par l’utilisation du concept de typologie. Application à une usine de recherche et de production de semi-conducteurs. Samuel Bassetto *,** — Ali Siadat * — Patrick Martin * * Laboratoire de Génie Industriel et Production Mécanique, METZ CER ENSAM de METZ - 4, rue Augustin Fresnel – 57078 METZ Cedex 3, FRANCE

{prénom.nom}@metz.ensam.fr ** STMicroelectronics 850, Rue Jean Monnet - 38920 CROLLES, FRANCE RÉSUMÉ. Cet article s’intéresse aux liens entre les analyses de risques produits – processus de fabrication–machines, dans un environnement manufacturier. Il montre comment ces interactions se traduisent au niveau des analyses et propose un modèle représentatif de ces liens entre les risques. Nous présentons l’utilisation de ces liens pour la mise sous contrôle et le retour d’expérience de moyens de production industriels.

ABSTRACT. This paper deals with links between product, process and tool risks analysis, in a manufacturing environment. It presents business links through a specific model and its correlated links in the risk space. We propose in this paper a model for risks’ links and we present its use for mastering process control and return of experiments in an industrial production plant.

MOTS-CLÉS : Analyse préliminaire des risques, typologies de risques, interactions produits - processus de fabrication – machines, AMDEC, process control.

KEYWORDS: Preliminary risk analysis, risk typologies, product process tool links, FMEA, FMECA, process control.

Auteur de correspondance : SAMUEL BASSETTO Tel : +33(0)4-38-92-25-62

e-mail : [email protected]

2 Revue. Volume X – n° x/année

1. Introduction

Les usines de production de semi-conducteurs sont soumises à des exigences toujours plus fortes : rentabiliser les moyens de recherche, savoir mettre sur le marché de nouvelles technologies1 dans un délai de plus en plus court, avoir un temps de cycle de fabrication en constante diminution, et en terme de qualité : fournir moins d’un produit défectueux par milliard de produits livrés. Ces contraintes et la forte sensibilité des procédés utilisés poussent les industriels à adopter une politique qualité opérationnelle efficace et efficiente. Les outils tels que le contrôle statistique (MONTGOMERY, 2001), (PILLET, 2001) et l’analyse préliminaire des risques (DOD, 1980), sont des standards adaptés et perfectionnés pour atteindre ces objectifs.

Cet article s’intéresse plus particulièrement à la maîtrise des moyens de production par l’APR (pour Analyse Préliminaire des Risques) (MORTUREUX, 2001) vis-à-vis d’objectifs opérationnels : non conformités des produits, le temps de cycle de fabrication, les rebuts, les retours clients. Cette méthode conduit à des plans d’actions permettant la réduction de la sévérité des risques, la réduction de leurs occurrences ou encore leur meilleure détectabilité. Suivant les normes (AFNOR, 2002) et (AFNOR, 2003), l’AMDEC (RIDOUX, 2001) est la méthode employée pour analyser les risques durant les phases de conception des technologies semi-conducteurs.

Pour atteindre les performances attendues en terme de contraintes qualité, les analyses de risques ne peuvent pas être faites uniquement pour la satisfaction des clients comme le dénoncent (KMENTA et al, 2003), (THEOS 2004).Ces analyses doivent permettre la maîtrise des risques du processus opérationnel et être utilisées comme un outil de travail. Dans cet esprit, elles ne peuvent pas se réduire à une réalisation ponctuelle pour prouver qu’une machine, une opération de fabrication ou un produit est sans risque. Si tel était le cas, de nombreux détracteurs seraient oubliés et pourraient venir perturber les objectifs opérationnels. Il est donc nécessaire de déployer cette méthode et de l’employer comme un outil quotidien.

Un premier résultat de nos travaux souligne le déploiement systématique de la méthode APR dans l’organisation. Cette démarche consiste d’abord en la réalisation systématique des analyses de risques, pour les technologies, les processus de fabrication et les machines puis à leur mise à jour systématique lors d’évènements venant dégrader les objectifs opérationnels de l’usine Chaque analyse est mise à jour en fonction des évènements qui se produisent en regard des objectifs

1 Chaque produit semi-conducteur est basé sur une technologie par exemple celle dénommée CMOS090. Une technologie est constituée par des composants élémentaires tels des transistors, des capacités. Ces composants sont employés dans la conception de différents produits : décodeurs DVS, lecteurs MP3, pilotes de disques durs…

Typologie des risques 3

opérationnels (non conformités, rebuts, retours clients…). Cette méthode est ainsi rendue vivante pour les différents corps de métiers2 (BASSETTO et al., 2005).

Dans cet article, nous concentrons nos travaux sur la compréhension des liens entre les AMDEC pour mieux structurer et propager les risques liés à la qualité du produit à toutes les strates fonctionnelles de l’entreprise. Ces risques sont les effets potentiels liés aux défauts de qualité des produits mais également des services vendus aux clients. Ainsi par l’analyse et la traque systématique de ces défaillances, nous espérons favoriser la qualité finale par le partage d’information entre les services et métiers de l’organisation.

L’objet de ces travaux est d’analyser les liens entre les AMDEC et de les utiliser pour mieux répercuter les exigences du client en terme de qualité. Cet article va s’intéresser de manière détaillée aux relations entre les types de risques dus aux liens entre les produits, leurs processus de fabrication et les machines. Il montre comment les analyses de risques sont au cœur de la maîtrise des moyens de production et du retour d’expérience. Cette réalité, souvent mentionnée, n’est en effet jamais associée aux AMDEC.

L’article s’articule en trois parties. La première traite des interactions technologie – processus de fabrication – machines et leurs conséquences sur les risques. La seconde introduit et décrit le concept de typologie des risques. La troisième partie présente le cas d’étude réalisé dans le cadre d’une usine de recherche et de production de semi-conducteurs. Cette partie détaille les résultats opérationnels liés à la gestion des risques, à l’outillage, à l’emploi du concept de typologie et aux observations réalisées dans le cadre de notre expérimentation. Enfin, l’article expose quelques ouvertures possibles de ces travaux et une synthèse.

2. Les liens entre les risques

Les interactions produits – processus de fabrication – ressources sont un concept admis en génie industriel.

Nous commençons ce chapitre par la présentation de la déclinaison de ce concept à notre contexte industriel de fabrication de semi-conducteurs. Dans un second temps, nous présentons la structuration de l’analyse des risques pour les produits, les processus de fabrication, les machines. Puis, nous montrons l’impact des liens produits – processus de fabrication – machines, sur les types d’analyses de risques.

2 Les corps de métiers sont les ingénieurs gammistes, les ingénieurs procédés, les ingénieurs équipements, les équipes en charge du rendement des produits, de la technologie, etc.


2.1. Le modèle produits – processus de fabrication - machines

Bien qu’un circuit intégré se trouve être monobloc, il est architecturé par un ensemble d’élément fonctionnels. On y retrouve par exemple des transistors, des capacités, des résistances, des connexions… Ces éléments sont conçus lors de campagne de conception appelée génération ou technologie. Une technologie est caractérisée par les éléments qu’elle met à disposition des concepteurs de circuits ainsi que par une gamme de fabrication. Cette gamme permet la fabrication d’un produit test, qui sert à l’industrialisation des composants élémentaires constituant la technologie. Les produits se basant sur une technologie ne vont donc différer les uns des autres qu’au prix d’une disposition différente des transistors sur la plaque, de leurs interconnexions et des options sur les matériaux employés. Ces différences sont réalisées lors des opérations de photolithographie durant lesquelles les motifs sont dessinés sur plaques de silicium. Ainsi, les gammes permettant la fabrication de deux produits différents, basés sur une même technologie, sont très peu variables. Ainsi, dans notre étude, nous assimilerons le produit à sa technologie de référence.

Le contexte de production des circuits intégrés est caractérisé par un environnement aux procédés instables et aux machines complexes. Nous recommandons à ce sujet l’ouvrage de S. Wolf (WOLF & TAUBER, 2000).

Les risques liés à la conception des produits ou ceux liés à l’élaboration du processus de fabrication ne rentrent pas dans l’objectif de ce travail. Ils font l’objet d’un processus particulier sortant du champ d’application de cet article. Notre problématique dans cet article se limite à des risques liés à la fabrication. Or comme elle est automatisée, les éléments majeurs intervenant dans les risques de fabrication proviennent des machines. Les humains interviennent essentiellement lors de la conception du processus de fabrication. Ainsi dans cet article, nous réduisons le triplet produit, processus de fabrication, ressources à technologie, processus de fabrication, machines. Un modèle de données illustrant ce triptyque est donné Figure 1.

L’ensemble des modules constitue l’architecture de la technologie au sens architectural du terme comme le mentionne Skotnicki dans (SKOTNICKI, 2001 (a)) et (SKOTNICKI, 2001 (b)). Chaque module est fabriqué par un enchaînement d’opérations. L’ensemble des opérations d’une technologie est assimilable à la gamme conceptuelle de fabrication d’une technologie (FENG et ZHANG, 1999).

Le lien entre les technologies et le parc machine est réalisé au niveau des opérations. Une opération peut être réalisée sur plusieurs machines. Une machine peut réaliser plusieurs opérations. Pour matérialiser ce lien multiple, le concept de carte de visite est utilisé (BERNARD, 2003). La carte de visite fait le lien logique entre la gamme conceptuelle des technologies et le parc machine. Si une machine est hors service, alors une autre machine possédant cette carte de visite peut être employée à sa place de manière transparente pour la fabrication. Ce concept est un


des éléments clefs de la flexibilité des ateliers ainsi qu’un élément charnière entre la gamme conceptuelle et la gamme de fabrication.

Est architecturé par

Est réalisé par

Est faitepar

Est associée à

Contient

Contient

Sont lesconsignes pour

Technologie desemiconducteursTechnologie de semiconducteurs

ModuleModule

OpérationOpération

MachineMachine

Recette de fabricationRecette de fabrication

EtapesEtapes

Points de fonctionnementsPoints de fonctionnements

1

n

nn

1

n

1

1

n

n

n

n

n

nEst possédée par

Technologies

Processus de fabrication

Machines

CapabilitéCarte devisite

1

Est possédée par

n

n

1

Figure 1. Modèle conceptuel des moyens de production des semi-conducteurs.

Chaque opération de la gamme conceptuelle est formée d’étapes elles-mêmes caractérisées par des points de fonctionnements. Ces vecteurs d’état sont appelés dans le métier : recettes. Ce terme est fortement employé dans le milieu du semi conducteur : un exemple en est présenté Figure 2. Aussi nous l’utiliserons dans la suite de l’article. L’emploi d’une recette par une machine, forme une opération apportant de la valeur ajoutée. Chaque machine peut effectuer plusieurs recettes. Une recette peut être appliquée sur plusieurs machines. Chaque recette est un enchaînement d’étapes plus élémentaires appelées séquences. Dans chaque étape de la séquence d’une recette, les consignes des machines sont indiquées. Ce sont les points de fonctionnement de la recette. Chaque point de fonctionnement est un paramétrage particulier d’une machine ou de l’un de ses sous ensembles.


Pressure (mtorr) 50 10 15 35 12TCP RF Power (w) 0 600 600 0 12Bias RF Power (w) 0 0 0 0 5Bias RF Voltage (v) 0 0 0 0 0Bias RF Control Mode Power Disable Disable Power PowerBias RF Expected Power (w) 0 0 0 0 0Bias Power Learned (w) 0.0 0.0 0.0 0.0 99.8Gaz 1 5 0 3 0 0Gaz 2 200 100 200 50 100Gaz 3 0 100 30 80 90Gaz 4 0 50 50 10 100

Etape4 Etape5Description de l'étape→paramètre ↓

Etape1 Etape2 Etape3

Figure 2. Extrait d’une recette de fabrication

Ainsi une gamme conceptuelle est déclinée en vecteurs d’états qui sont physiquement effectués sur des machines en fonction des cartes de visite. Cet enchaînement physique constitue la gamme de fabrication.

Ce modèle permet de souligner les interactions technologie – procédé – machine. Nous désignerons par « élément » de manière indifférenciée une technologie, une recette, une machine. Les analyses préliminaires des risques portent sur chaque élément de ce modèle.

Dans la suite de l’article, nous allons utiliser les interactions décrites dans ce modèle de données pour montrer l’existence d’interactions entre les analyses de risques réalisées sur les éléments des moyens de production. Nous comptons sur ces liens pour répercuter les risques clients au sein de l’organisation de la production.

2.2. L’Analyse Préliminaire des Risques par les AMDEC

L’analyse préliminaire des risques est réalisée sur le site de CROLLES23, par l’emploi des AMDEC. Une présentation des AMDEC est faite par (GARIN, 1994). AMDEC Produit, Process et Moyen sont réalisées dans le même format car les équipes réalisant les analyses se recoupent et il serait déroutant d’employer différents formats. Le format retenu, présenté avec un exemple d’utilisation Figure 3, est issu d’une adaptation interne au site de CROLLE2, de la grille standard (DOD, 1980). Il

3 CROLLES2 est une alliance entre STMicroelectronics, Philips Semiconductors

et Freescale Semiconductors. Elle a pour vocation la recherche et la production des technologies avancées de transistors et de leurs circuits associés.


est composé de quatre zones : la première dédiée à la défaillance, la seconde à la cause de son apparition, la troisième à la détection et la dernière à l’action permettant d’intervenir sur la sévérité, la fréquence d’apparition ou la détectabilité de la défaillance.

La zone dédiée à la défaillance permet de préciser l’objet sur lequel porte l’analyse, le mode de défaillance, son effet. L’évaluation associée est précisée dans la colonne SEV. ‘class’ est une donnée utilisée pour la création des rapports de synthèse.

La zone dédiée à la recherche des causes est au cœur de l’analyse. Elle structure l’identification du mécanisme conduisant à la défaillance. L’évaluation de la fréquence d’apparition du mécanisme de cause est précisée dans la colonne OCC.

La zone dédiée à la détection permet l’évaluation des moyens mis en œuvre pour prévenir et détecter la défaillance. L’évaluation des moyens de détection se fait dans la colonne DET. Les cotations4 des risques sont aidées par l’emploi de grilles de cotations donnant à chaque valeur, une description servant de référence pour les personnes impliquées dans la cotation. Le risque possède une cotation particulière : le RPN(acronyme de Risk Priority Number), produit des trois évaluations, SEV, OCC, DET.

La zone dédiée à l’action permet de structurer les actions correctrices à mener afin de diminuer la valeur du RPN du risque. La description de cette action est realisée dans la colonne « Recommended Action ». L’impact de cette action sur le niveau du risque est placée dans la colonne « Forecasted RPN » et l’action réellement réalisée est placée dans la colonne « Effective action ».

Deux aspects ont été essentiellement modifiés par rapport aux grilles habituellement admises : le premier concerne l’ajout d’une évaluation prévisionnelle du risque suite à un plan d’action. Le second réside dans l’emploi d’un mécanisme de traçabilité des actions au sein du document.

Sur chaque famille de machine, recette et module des technologies de l’usine, les AMDEC sont réalisées de manière systématique au sein de l’organisation. Un extrait d’une analyse de défaillance relative à une recette est donné Figure 3.

4 La cotation est la valeur donnée par un groupe d’experts au risque par le calcul SEV*OCC*DET


1

3 Gas on Gas contamination Defectivity 6Block Hardware Upper chamber

2

4 Gas on No gasAbort process // No incidence

3 Block Hardware Gas control 3

2

SEV

CLASS

Potential Cause/ Mechanism of

Failure

OCC

Item/FunctionPotential /

Failure Mode Potential / Effects

of Failure

Zone dédiée à la défaillance Zone dédiée à la cause

1

Cotation durisque

3 see block HW 6 72

4 " " 1 9

RPN

2

Current Controls Detection

DET

Recommended Actions

Effective Action

Fore

cast

ed

RPN

Current Controls

Prevention

Zone dédiée à la détection Zone dédiée à l'action

Figure 3. Présentation du gabarit des AMDEC, extrait d’une analyse d’une recette.

L’existence de liens entre les différents éléments conduit à des liens entre les défaillances et donc à des liens entre les risques que nous allons détailler au chapitre suivant.

2.3. Conséquence des liens métier sur les risques

Une analyse de risques portant sur un système est en lien avec celui-ci. L’AMDEC peut être abordée de diverses manières : on peut partir des effets de défaillances redoutés et chercher de manière systématique ce qui dans le système analysé peut conduire à ces effets. Il est également possible de considérer les fonctions de ce système et d’en analyser systématiquement les défaillances. Dans ce second cas la colonne Item/Fonction joue un rôle pivot entre le système et l’analyse de risque.

Dans cette partie, nous souhaitons présenter la manière dont les interactions entre les métiers impactent les types de risques.

Nous considérons trois types de risques : ceux liés aux modules, ceux liés aux recettes, ceux liés aux machines. Les premiers sont analysés en mettant dans Item/Fonction chaque opération de la gamme conceptuelle réalisant les modules. Pour les seconds, chaque étape de la recette va être dans Item/Fonction. Enfin dans les troisièmes, chaque Item/Fonction représente une fonctionnalité machine ou un de ses organes. Ces choix sont réalisés par l’expérience des ingénieurs de l’organisation.


Les modules peuvent présenter une défaillance car l’enchaînement des opérations de leur gamme de fabrication conduit à des défaillances ou parce qu’une opération de cette gamme est défaillante.

Une recette de fabrication ne fournit pas les résultats escomptés car les points de fonctionnement et l’enchaînement des procédés réalisant cette recette sont mal paramétrés (consigne trop basse, trop élevée…) ou car il y a une défaillance sur la machine qui réalise cette recette.

Les problèmes issus de la conception des modules, recettes de fabrication sont exclus car ils sont traités par le processus de conception de ces éléments. Ainsi en faisant abstraction des problèmes de construction des gammes et des recettes, les liens entre les types de risques sont :

– Les modes de défaillances des modules sont des effets de défaillances des recettes.

– Les modes de défaillances des recettes sont des effets de défaillances des blocs machines.

Ces liens sont des conséquences des liens du modèle de données. D’autres liens peuvent également exister notamment par la colonne réservée aux causes, (GARIN, 1994). Le couplage avec d’autres méthodes comme les arbres de défaillances (MORTUREUX, 2002), peut alors s’avérer nécessaire pour représenter les analyses. La structuration hiérarchique des AMDEC n’est pas vraiment adapté à la représentation de la combinaison de causes conduisant à un mode de défaillance. Aussi, dans le déploiement de cette méthode sur le site industriel, nous recommandons de la coupler avec l’emploi de l’arbre des causes notamment pour la recherche d’un élément redouté ou pour représenter un arbre de causes.

2.4. Modélisation des liens entre les risques

Représentons le risque comme un vecteur dont les composantes sont les titres des colonnes des AMDEC. Un risque est donc représenté par [Item/fonction, Mode de défaillance, Effet de défaillance, Cause de défaillance, Action préventive, Moyen de détection]. Les deux lignes N°3 et N°4 de la Figure 3 en sont une illustration. Cette définition est une extension de celle de (MORTUREUX, 2001) qui se résume à la gravité, la fréquence et à l’évènement redouté.

Notations : Notons Ei et Ej les ensembles des risques respectifs de deux éléments de l’appareil de production, par exemple les modules et les recettes de fabrication. Ei et Ej peuvent être représentés sous forme de tableaux. Notons k la colonne des modes de défaillance et m la colonne des effets de défaillance. Soit Eki, la restriction de Ei à la composante k, nous le noterons A. Soit Emj, la restriction de Ej à sa composante m, il sera noté B. La relation entre les risques de Ei et Ej écrite en § 2.3,

se traduit par une relation entre A et B que nous notons BARbRa

ba ↔,

, / .


Le lien entre les objets de A et B est une équivalence des composantes des risques. Cette équivalence se représente par un symbole d’égalité car ses composantes de risques sont identiques, mais peuvent être représentées par une syntaxe différente. Ainsi nous écrivons cette relation entre les risques :

=∈∃∈∀=∈∃∈∀

''/',':

/,:

2

1, baAaBbR

baBbAaRR BA . Par extension de A et B, a, a’ sont des

risques de Ei et b, b’, sont des risques de Ej. La Figure 4 illustre ces notations et nos propos. Par cette relation, RA,B est la combinaison de 2 relations :

- La première de A vers l’ensemble B.

- La seconde de l’ensemble B vers A.

Elle amène aux inclusions suivantes :

⊂⊂

ABR

BAR

)(

)(

2

1.

Cette relation se traduit par un comportement de terrain qui consiste à aller vérifier manuellement l’existence de termes dans B qui puissent être pris en compte lors de la construction de A et réciproquement lors de l’analyse de Ej. Cette pratique, décrite dans le paragraphe 4.1, est une forme de « fouille de texte ». Cependant nous voyons que bien que les composantes de risques soient identiques, leur représentation au sein des AMDEC ne l’est pas forcément. Aussi, nous souhaitons harmoniser le risque et sa représentation au sein d’un outil et pour cela nous introduisons les typologies de défaillance.


Ej = Recette

Ei = Module

RA,B

Item/FunctionMode de

défaillance Effet

(colonne m)Cause Prévention Détection Action

HEADER

Temperature offset table: RTO 900 Table which contains inadequate offsets

thickness OOS

wrong temperature offsets leads to inhomogenous temperature on the wafer causing possibly lower oxide thicknesses on the wafer

measurement of every lot

measurement of thickness

Procedure optimisation / Offset range limitsUsage of RTO100 Offset table

HEADER

AutoPreExecute Recipe PREHEAT DRY GO1 after 150s of idle time thickness OOS

Wrong preconditioning of process chamber leeds to reduced thickness of first processed wafer

nonePT measurement leakage current

Activate Neutralization for controlled PREHEAT usage

HEADER

Lamp Pairs OUT fault case: 0 case contains too high values

thickness OOS

too many failed lamps might lead to a inhomogenous heating of the wafer leading to some decreased thickness in region of failed lamps

none

blockhardware Process Chamber /FDC/Thickness measurement

Introduce tool stop by means of FDC

Step 1: PUMP DOWNGas Names and Flow rate: #1 N2 2SLM particles

gas delivery system creates particles: particle filter, MFC, valves, lines

Blockhardware FMEA daily particle check

Step 5: SOR Ramp Rate: 30C/SEC thickness OOS

too large initial temperature distribution does not allow for reducing temperature distribution on wafer

fiber out of range alarm

tool/FDCimproving the open loop power distribution

B


défaillance (colonne k)

Effet Cause Prévention Détection Action

Gate reoxidation

thickness OOS (too thin)

Change in thermal budget.

Equipment failure

Measurement of oxide thickness after regrowth on two wafers per lot.

Gate reoxidation

thickness OOS (too thick)

Change in thermal budget.Desox before GO1 LDD not capable of removing oxide --> dose in Si too low --> performance loss Equipment failure

Measurement of oxide thickness after regrowth on two wafers per lot.Oxide thickness measurement after offset spacer etch just before desox.

Gate reoxidation Particles Yield loss Equipment failure Particle monitoring.

A

Figure 4. Illustration de la relation entre A et B

Le mode de défaillance d’une opération constituant un module est « thickness OOS (too thin ) » ce qui correspond à un effet de défaillance de la recette impliquée dans la réalisation de cette opération. Cet effet est lui annoncé comme : « thickness OOS ». Bien que la syntaxe ne soit pas exactement identique, la sémantique elle l’est, et correspond à « épaisseur hors spécification ».


3. Les typologies des risques

3.1. Introduction du concept pour un élément

Nous venons de voir que les liens entre les éléments des moyens de production engendrent des relations entre les risques.

Un défaut trop souvent vu sur le site industriel a été de considérer que x modes de défaillance des modules ne correspondent qu’à x risques au niveau des recettes. Or cela est tout à fait faux puisqu’il s’agit uniquement d’x effets de défaillance à prendre en compte au niveau des recettes. Cette subtilité signifie que, au niveau des recettes, il doit y avoir au moins x risques analysés ayant les x modes de défaillance des modules pris comme effets de défaillance des recette. Cela ne signifie pas qu’il y en a au plus x, car il peut y en avoir beaucoup plus. Cette subtilité de raisonnement conduit directement aux relations mathématiques R1 et R2, qui ne traduisent que des inclusions. C’est pour transformer ces deux inclusions en égalité que nous introduisons les typologies de défaillance. Pour un élément Ei, deux risques peuvent être différents et pourtant avoir des composantes de signification identique comme illustré Figure 5. Les deux risques sont différents pourtant les termes liés à « Potential/Failure mode » valent : «Maxtime Reached ».

SEV

CLASS

Current Controls Prevention

Potential Cause/ Mechanism of Failure

OCC

Item/FunctionPotential / Failure

Mode Potential / Effects of

Failure

Cu CMP Maxtime reached Scrap 6 Incoming thickness too low 2 Process stopped

Cu CMP Maxtime reached Rew ork 4 Concumable failure (pad, DD) 2 Process stopped

Figure 5. Illustration de l’égalité de termes pour deux modes de défaillance.

Une typologie est une « méta composante de risque ». A chaque composante de la base des risques est liée un espace de dimension 1, que nous appelons espace des typologies de la composante en question vérifiant les propriétés suivantes :

,C∀ composante de la base des risques, ,CT∃ espace des typologies associé à C

vérifiant : 1) Dim TC = 1


2) Tout élément de TC possède au moins un terme égal dans C (surjection de TC dans C)

3) Tout élément de C possède exactement un terme égal dans TC. 4) Chaque élément de TC est unique.


défaillance Effet Cause Prévention Détection Action

Implant predope Dose too low

Isat too low for given Lpoly (performance lack) due to gate depletion

Equipment failureHuman error

Automation on toolDosimetry Xtimes per week

FDC deployment on implanters

Implant predope Dose too high

transistors.Vt shift of PMOS in SRAM (spacing for

Equipment failureHuman error

Automation on toolDosimetry Xtime per week

FDC deployment on implanters

Implant predope Defects Yield loss Equipment failureParticle monitoring Xtimes per week

Dry strip resist Resist residuesbecause subsequent wet strip only removes Equipment failure

Strip rate monitoring.Visual inspection.

Dry strip resist Defects Yield loss Equipment failureParticle monitoring twice a week

Wet strip resist Organic residues Organic residues Equipment failure

No monitoring possible/done.Prefurnace clean removes also organic residues.

Wet strip resist Defects Yield loss Equipment failureParticle monitoring every day

ENSEMBLE DES RISQUES DES MODULES

Dose too lowDose too highResist residuesDefectsOrganic residues

Figure 6. Illustration de l’extraction des typologies.

A peut contenir plusieurs fois le même terme, chacun d’entre eux provenant d’un risque différent de Ei. La propriété 4) assure que dans TA, cela n’est pas possible. Ainsi tout élément de A est représenté une et unique fois dans TA, comme illustré Figure 6. La relation entre l’ensemble A et l’ensemble TA est notée F, de même nous notons G, la relation entre B et TB.

De manière pragmatique, TA est une liste de termes qui sont extraits des analyses des risques de Ei mais qui peuvent également être enrichis directement par les personnes connaissant les dysfonctionnements de Ei. A partir des travaux réalisés à Crolles 2, une liste de typologie de référence est présentée dans la suite du document, paragraphe 4.2.

3.2. Conséquence des typologies sur les liens entre les risques

Les relations entre A et B ont des conséquences sur TA et TB.

Par la relation F, nous avons : atAaTt AAA =∈∃∈∀ /; (2ième

propriété fondatrice de TA).

Par la relation R1, nous savons que baBbAa =∈∃∈∀ '/,' donc en particulier

pour baBbaa =∈∃= /,' .


Par la relation G, nous savons également que : BBB tbTtBb =∈∃∈∀ '/,' (Par la

3eme propriété de TB). Donc en particulier pour BBB tbTtbb =∈∃= /,' .

Ainsi ABBBAA ttTtTt =∈∃∈∀ /, : BA TT ⊂ A et B étant interchangeables,

nous avons par la même démonstration : AB TT ⊂ . Donc AB TT = .

Nous illustrons, par la Figure 7, l’ensemble des espaces en présence et leurs relations.

Figure 7. Illustration des relations entre A, TA, B et TB.

A partir de cette égalité, il est plus simple comme nous allons le présenter dans la partie 4, de maîtriser les interactions entre les risques des moyens de production.

4. Réalisations

Dans cette partie, nous présentons l’expérimentation, ses résultats et les réflexions que nous tirons de l’utilisation de cette égalité.

4.1. Expérimentation

Sur le site industriel où les expérimentations ont été menées, plus de 11000 risques ont été analysés5, sur 5 technologies6, 2657 pour les modules, 4574 pour les recettes, 4217 pour les machines. Trois métiers ont été impliqués : ceux liés à

5 En date du 13 Juillet 2005 6 Pour les technologies C120, C090, C065, C110, D090


l’intégration de la technologie, ceux dont l’expertise porte sur la maîtrise des procédés de fabrication et les experts de machines de production. Au total plus de 500 ingénieurs sont impliqués dans cette démarche d’analyse. Elles ont permis le traitement de plus de 600 risques par des plans d’actions visant à réduire leur sévérité, leur occurrence ou améliorant leur détectabilité. Ces résultats ont servi au passage d’audits clients et ont contribués à la maturation de deux technologies, CMOS090 et CMOS065.

L’analyse de chaque élément a été menée, pour des contraintes opérationnelles, dans des fichiers électroniques stockés sur un disque partagé, dans une arborescence spécifique. Lors de ces travaux, aucune contrainte logicielle n’est imposée pour structurer les typologies et notamment forcer l’égalité des termes. Seule une procédure décrit le mode opératoire à suivre :

« - Lors du traitement des risques des recettes, s’assurer que les modes de défaillance des modules correspondant à cette recette sont pris en compte prioritairement comme des effets de défaillance de ces recettes.

- Lors du traitement des risques des machines, s’assurer que les modes de défaillance des recettes réalisées par cette machine, sont traités de manière prioritaire comme des effets de défaillance des machines analysées. »

Un outil, développé sur la base de nos soins illustré en Figure 8, fournit des rapports dont un extrait est présenté Figure 9.

Figure 8. Extrait de l’outil de synthèse des typologies.


Sur toutes les analyses réalisées, l’outil de synthèse a permis la création des typologies de chaque élément7. Chacune d’elles se présente sous la forme d’une liste de mode de défaillance. Elle est construite par comparaison simple des termes dans la liste et ceux employés dans l’ensemble des analyses de risques de l’élément.

- 563 modes de défaillance différents ont été trouvés pour les modules,

- 561 modes de défaillance différents ont été trouvés pour les recettes,

- 1058 modes de défaillance différents ont été trouvés pour les machines.

Cet outil très rudimentaire ne fait qu’une comparaison syntaxique des mots employés.

FAILURE effect ofRecipe to take inaccount in Modules

Taken into account List of recipes Tool

Workshop

Nb deretours d'expériences BH -> Recettes

Nb deretour d'expérience recettes -> module

Wafer breakage Y FMEA_CMP_PMD_C12CREFA,CREFB CMP 478 507Over-Polish N FMEA_CMP_PMD_C12CREFA CMPNU too high N FMEA_CMP_PMD_C12CREFA CMPUnder-Polish N FMEA_CMP_PMD_C12CREFA CMPNo-Polish N FMEA_CMP_PMD_C12CREFA CMPDefectivity Y FMEA_CMP_PMD_C12CREFA,CREFB,DPCMP,DIEL,METAL

Figure 9. Extrait de la synthèse des typologies.

Seulement 3,55% des termes employés pour décrire les modes de défaillance des modules sont employés pour désigner les effets de défaillance des recettes. Et 15,33% des termes employés pour décrire les modes de défaillance des recettes sont employés pour décrire les effets de défaillance des blocs machines. Ainsi, seulement 0,54 % des modes de défaillances des modules sont répercutés jusqu’au niveau des blocs machines. En sens inverse, 478 effets de défaillance des machines ont été anticipés et non pris en compte lors de l’analyse des recettes. 507 effets de défaillance de recettes sont également à prendre en compte comme modes de défaillance des modules.

Ces chiffres sont issus des analyses de risques obtenues et nous travaillons à leur amélioration notamment pour la prise en compte des synonymes, homonymes et quiproquos.

4.2. Résultat : les utilisations de l’égalité des typologies

Commentaires des résultats :

7 Rappel : un élément est un module, une recette ou une famille de machines


Ces résultats reflètent le fait que l’organisation s’est focalisée sur la réalisation effective d’analyses de risques dans chaque métier. Le concept de typologie et la cohérence des termes sont venus en supplément de ce travail et ont été laissé à l’appréciation de chaque groupe de travail. Une difficulté est venue freiner notre démarche, les métiers étant différents, la signification des termes est parfois ambiguë. Nous retrouvons ce problème au travers de la Figure 9, où nous pouvons voir que l’obtention d’une syntaxe et d’une sémantique partagées procède d’un véritable effort organisationnel. Par exemple, « Overpolish » possède la même signification que « Over-Polish » or le premier terme a été pris en compte alors que le second doit encore l’être : « N » dans la colonne « Taken into account » signifiant que le terme n’a pas été pris en compte. Ainsi, la principale limitation de cette égalité réside dans la difficulté d’obtention d’un vocabulaire à sémantique et syntaxe partagées dans l’organisation. Pour cela la création d’une ontologie serait certainement adaptée au problème (GANDON, 2002).

Proposition d’une liste de modes de défaillances pour les analyses préliminaires des risques :

Pour les modules de l’ensemble des technologies, nous avons observé une liste des modes de défaillances clef. Cette liste est basée sur une classification des variables subissant ce mode de défaillance. Elles sont de trois types :

Le type dimensionnel regroupe tous les risques rattachés à des variables caractéristiques à une ou plusieurs dimensions. La dimension (et son unité) est prépondérante. Par exemple, si une variable est un temps, alors elle ne possède qu’une dimension. Si une variable est une rugosité, alors elle est à deux dimensions car elle s’applique sur une surface. La dimension de certaines variables est déterminée par leur mode de défaillance devant être surveillé. Si par exemple une dérive d’une épaisseur est mise sous surveillance, l’épaisseur possède une dimension et le temps en est une autre. La variable est donc l’épaisseur dans le temps. Elle possède deux dimensions.

Pour les variables à une dimension, les modes de défaillances types sont :

- Mauvaise consigne ;

- Valeur prise trop grande par rapport à la consigne ;

- Valeur prise trop faible par rapport à la consigne.

Pour les variables à plusieurs dimensions, les modes de défaillances sont :

- Les 3 modes de défaillances des variables à une dimension ;

- La présence d’un gradient non voulu, non maîtrisé.

Le type architectural représente des variables décrivant une structure, une géométrie, un assemblage particulier. Pour ce type de caractéristique, la structure est prépondérante. Par exemple, la géométrie plane sans défaut, la colinéarité etc. sont


autant d’exemples de structures. Les modes de défaillances que nous avons identifiés sont :

- Pollution : métallique, organique, ionique, particulaire ;

- Modification des matériaux ;

- Contraintes non voulues dans l’architecture ;

- Transformation de l’architecture.

Le type fonctionnel permet de s’intéresser aux variables dont la présence, l’absence ou la fonction sont prépondérantes vis-à-vis de la description de la défaillance. Par exemple, le passage d’une mauvaise recette (mauvaise gamme opératoire) est un évènement qui se produit ou non et qui n’est ni structural, ni dimensionnel, mais qui conduit à des modes de défaillance des opérations. Ainsi pour ce type de variable, il est possible de rapprocher les résultats de la liste des typologies des modes de défaillance des modules avec 3 modes de défaillance type :

- S’est produit alors qu’il n’aurait pas du se produire ;

- Ne s’est pas produit alors qu’il aurait du se produire ;

- Ne s’est produit que suivant une certaine fraction par rapport aux prévisions.

Le résultat direct de cette étude est donc de pouvoir tirer une liste courte de 11 modes de défaillances dont il faut tenir compte lors de l’analyse préliminaire des risques d’une nouvelle technologie.

La création des types de variables est basée sur notre expérience et donc ouverte à d’autres propositions ou à un nouveau redécoupage. Comme toute classification, elle peut être remise en cause.

Utilisation des typologies d’une génération d’un élément à une autre :

Comme chaque groupe de l’organisation analyse les risques vis-à-vis de son métier, les typologies peuvent être employées comme une liste des modes de défaillances types dans ce métier. Ainsi, dans un métier donné, lors de l’introduction d’une nouvelle génération d’éléments, il est possible de disposer d’une liste des modes de défaillance types de cet élément provenant de la génération précédente. Lors de l’analyse des risques de cet élément, il est possible de traiter de manière prioritaire tous les risques dont les modes de défaillances sont ceux de la typologie. Le concept de typologie peut donc constituer la liste de défaillance d’une APR (MORTUREUX, 2002), (MORTUREUX, 2001) et fait le lien avec les AMDEC réalisées sur un élément donné.

La mise sous contrôle et le retour d’expérience :


Il est nécessaire de mettre en commun les termes employés dans les différents métiers. Cela conduit bien souvent non pas à une égalité entre les deux typologies, mais à une équivalence de signification des termes. Nous voyons « naturellement » Figure 9, l’équivalence entre « Over-polish » et « Overpolish ».

Faisons à présent abstraction de cette difficulté qui fait actuellement l’objet d’approfondissement et reprenons les notations du paragraphe 3. TA et TB, sont représentés par deux tables distinctes. La relation d’égalité conduit lors de la modification de l’une à modifier l’autre. Ainsi la seconde utilisation de l’égalité entre les typologies, repose sur la constatation que cette relation est dynamique.

Nous pouvons noter que la découverte d’un nouveau risque de Ei qui introduit dans A un nouveau terme, doit être pris en compte dans TA, puis dans TB, puis dans B, ce qui se traduit au moins par la création d’un nouveau risque dans Ej. La réciproque de Ej vers Ei est également vraie. Ainsi, l’égalité n’est pas immédiate mais suit un chemin de construction.

Figure 10. Mise sous contrôle de l’élément Ej.

Mise sous contrôle : Lors de l’apparition d’un risque sur un module, un nouveau mode de défaillance peut être détecté. Afin de garantir l’égalité, par définition de la typologie, au moins un risque doit être étudié en prenant en compte ce nouveau cas, comme effet de défaillance. La mise sous contrôle entre Ei et Ej est illustrée en Figure 10.

Retour d’expérience : Lors de l’apparition d’un risque sur une recette, un nouvel effet de défaillance peut être détecté sans qu’il ait été pris en compte au niveau des modules. Afin de garantir l’égalité, il doit être traité comme un mode de défaillance d’au moins un module. Appelons retour d’expérience la prise en compte dans l’analyse des risques de Ei, de l’ensemble des typologies des risques de Ej. Appelons anticipation des risques de Ej, la prise en compte de nouvelles typologies de risques de Ej, qui ne se sont pas produites et qui n’existent pas dans les typologies des risques de Ei. Cette relation est illustrée en Figure 11.

Comme nous avons mis en évidence l’existence de cette interaction dans les double sens, nous allons veiller à prendre en compte le retour d’expérience pendant de la mise sous contrôle.


Figure 11. Retour d’expérience de Ej vers Ei.

Il est possible d’envisager un cheminement sans fin entre les typologies de Ei et celle de Ej à cause de cette égalité. Une limitation logicielle ou procédurale peut faire converger artificiellement ce parcours.

Ainsi pour contrôler la gamme de fabrication, il est nécessaire de procéder par cascades et de traiter de manière prioritaire les risques des modules puis des recettes puis des machines. Pour réaliser des retours d’expérience, les nouveaux effets de défaillance des recettes sont des modes de défaillance de modules non pris en compte. Par cette liaison un apprentissage des risques encourus par une technologie lors de la production en masse de cette technologie peut se faire. De même, lorsque des effets de défaillances de blocs machines sont traités et qu’il n’existe pas d’équivalent de modes de défaillances au niveau des recettes, il y a un retour d’expérience de l’emploi d’une recette.

4.3. Extension à d’autres domaines

La structuration du contexte est très spécifique à notre environnement industriel. Cependant toutes les industries manufacturières possédant : des produits architecturés en modules, des gammes de fabrication, des gammes opératoires, sont directement concernées par cette approche. Il est en effet possible de mener un raisonnement identique du moment où le produit est fabriqué en suivant une gamme, qu’à chaque opération peut correspondre une ou plusieurs recettes de fabrication et que ces recettes peuvent être réalisées sur une ou plusieurs machines. La synthèse réalisée peut s’y appliquer directement. Les applications de Irem TUMER (TUMER et al., 2001) à la NASA liant les pannes aux analyses de risques menées en conception, par le partage d’une taxinomie de modes de défaillance et de fonctions, ouvrent le spectre d’applications industrielles possibles à la conception.


5. Conclusion

Cet article présente une vision intégrée des risques des moyens de production. Dans le cadre d’une production de semi-conducteurs comportant un très grand nombre de paramètres inter reliés, il étudie les liens entre les technologies, leurs processus de fabrication et les machines associées au travers des interactions existantes dans le métier et leurs conséquences sur l’analyse préliminaire de leurs risques respectifs.

Un modèle des interactions entre les risques faisant appel au concept de typologie des risques est introduit. Ces dernières transforment la relation entre les types de risques en une relation d’équivalence des typologies des éléments technologie – processus de fabrication – machine. Une expérimentation permet de mettre en œuvre l’analyse préliminaire des risques et prendre la mesure de cette relation. L’analyse détaillée de l’expérimentation permet la proposition d’une liste de modes de défaillances clefs ouvrant la voie pour une assistance aux futures analyses préliminaires de risques. Elle permet également de souligner un processus pouvant structurer la mise sous contrôle et le retour d’expérience autour des moyens de production. Ce processus est au cœur du dialogue entre les services et les métiers au sein de l’organisation.

Ainsi, par la mise en œuvre de l’égalité identifiée durant ces travaux, au sein d’une organisation, nous espérons œuvrer à l’outillage du décloisonnement organisationnel.

6. Bibliographie

AFNOR, Customer Specific Requirements (ISO/TS16949) Semiconductor Commodity for use by semiconductor suppliers, Initial release : 03-01-2003, ISO/TS 16949 :2002 aux editions AFNOR

AFNOR, Système de management de la qualité, exigences particulières pour l’application de l’ISO 9001 :2000 pour la production de série et de pièces de rechange dans l’industrie automobile, ISO2002, ANFIA, CCFA/FIEV, VDA, ISO/TS 16949 :2002 aux éditions AFNOR

BASSETTO Samuel, HUBAC Stéphane, SIADAT Ali, MARTIN Patrick, « Méthode outillée employant des connaissances d’experts », Revue Française de Gestion Industrielle, 2005, Vol. 24, N°1

BERNARD Alain, Fabrication Assistée par Ordinateur, Edition collective, HERMES Sciences, 2003

DEPARTMENT OF DEFENSE, Military Standard, Procedure for performing a failure mode effects and criticality analysis, MILDTD-1629A, Washington, 1980.


FENG, S. and ZHANG, Y., « Conceptual Process Planning - a definition and functional decomposition », Manufacturing Science and Engineering, Vol. 10 in the Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 1999, pp. 97-106.

GANDON Fabien, Ontology Engineering : A survey and a return on experience, Rapport de Recherche N°4396, INRIA, Mars 2002.

GARIN Hervé, AMDEC/MADE/AEEL, L’essentiel de la méthode, Collection A SAVOIR, ISBN, 2-12-475013-5, 1994.

KMENTA Steven, CHELDELIN Brent, ISHII Kosuke, « Assembly FMEA : A simplified Method for Identifying assembly errors », ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition Proceedings, Washington, D.C. November 2003.

MONTGOMERY Douglas, Introduction to statistical quality control, 4th edition, John Wiley & Sons, Inc, ISBN 0-471-31648-2, 2001

MORTUREUX Yves, Analyse Préliminaire des Risques, Techniques de l’ingénieur, Volume SE 4050, 2002

MORTUREUX Yves, Arbres de défaillance, de causes, et d’évènements, Techniques de l’ingénieur, Volume SE 4010, 2001

PILLET Maurice, La maîtrise statistique des procédés, Editions d’Organisation, 2001

RIDOUX Michel, AMDEC Moyen, Techniques de l’ingénieur, Volume AG 4220, 2001

SKOTNICKI T, Circuits intégrés CMOS sur silicium, Techniques de l'Ingénieur, traité Electronique volume E2432, 2001

SKOTNICKI T, Transistor MOS et sa technologie de fabrication, Techniques de l'Ingénieur, traité Electronique volume E2430, 2001

THEOS P.C., Keith CASE, « Failure Modes and Effects Analysis through knowledge modelling », Journal of materials processing technology, Elsevier, 2004

TUMER Irem Y., Robert B. STONE, « Mapping function to failure mode during component development », Research in Engineering Design, Proceedings of the 2001 DETC Conference, 2001

WOLF S, R.N. TAUBER, Silicon Processing for VLSI Era, Volume 1- Process technology, Second Edition, Lattice Press, Sunset Beach California, ISBN 0-9616721-6-1, 2000

Documents

Interactions entre les risques des produits, des processus ... · 2 Revue. Volume X – n° x/année 1. Introduction Les usines de production de semi-conducteurs sont soumises à