等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜制造过程质量控制方法研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜制造过程质量控制方法研究专业：机械工程（工业工程）博士生：吴晓松导师：褚学宁，苗瑞上海交通大学机械与动力工程学院2015年6月Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityRESEARCHONQUALITYCONTROLFORMANUFACTURINGPROCESSOFSILICONNITRIDEFILMSDEPOSITEDBYPLASMAENHANCEDCHEMICALVAPORDEPOSITIONAuthor:XiaosongW

2、uSpecialty:MechanicalEngineeringAdvisor:XueningChu,RuiMiaoSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaJun,2015摘要等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜制造过程质量控制方法研究摘要等离子体增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）的氮化硅（SiNx）薄膜(以下简称PECVD氮化硅薄膜)是提高太阳能电池光电转换效率的关键，研究PEC

3、VD氮化硅薄膜制造过程的质量控制技术能够提高产品的成品率、合格率、优质率，促进太阳能电池相关行业的快速发展，对我国太阳能电池行业有非常重要的理论和现实意义。在国内外已有的研究成果的基础上，本文围绕着PECVD氮化硅薄膜制造过程质量控制提出工艺参数具有相关性时的故障诊断、制造初期的质量控制和两种失控模式下的质量控制三个的科学问题。基于已有的氮化硅薄膜沉积技术、正交试验设计、贝叶斯理论、多元统计技术、多元诊断、计算机仿真技术等研究了PECVD氮化硅薄膜的工艺参数快速优化、基于路径图的制造过程故障诊断、基于贝叶斯理论制造过程初期的质量控制、两种失控模式下多元统

4、计过程质量控制四个关键技术，建立了PECVD氮化硅薄膜的工艺参数快速优化模型，基于路径图的多元故障诊断模型，基于贝叶斯理论的制造过程初期质量控制模型，基于多种总体协方差矩阵估值构建的多元指数加权移动平均（MultivariateExponentiallyWeightedMoving-Average，MEWMA）控制图的质量控制模型。具体研究内容从以下几个方面展开：（1）分析了PECVD氮化硅薄膜的制造过程，论述了氮化硅薄膜的关键质量特征以及影响关键质量特征的关键影响因素。阐述了PECVD氮化硅薄膜制造过程质量控制的特点，分析了基于统计过程控制的质量控制方

5、法应用于PECVD氮化硅薄膜制造过程时存在的问题，提出了PECVD氮化硅薄膜制造过程质量控制的科学问题，提出了与PECVD氮化硅薄膜制造过程质量控制方法相关的四个关键技术，提出了PECVD氮化硅薄膜质量控制模型。（2）通过领域知识和专家意见获取氮化硅薄膜的主要影响因子和质量特性参数，利用单因素物理实验确定了各主要影响因子和质量特征值之间的关系，提出了沉积参数快速优化的一般过程，给出了基于“综合评分法”多响应优化过程的综合评分计算方法和评分规则，分析得到最佳的沉积工艺参数，从而减少了大量的实际物理试验，提出了PECVD氮化硅薄膜制造过程的工艺参数快速优化方

6、法。（3）利用领域内专家的经验构建氮化硅薄膜故障诊断路径图，研究了基于I摘要路径图的MYT分解方法，将传统的MYT方法中所有?!种可能分解方式归结成一种统一的含有?个独立因式的分解方式，并在过程均值向量与协方差矩阵未知的情况下利用F分布确定各分解项的控制上限。通过已确定的各分解项的控制上限，确定各个变量对失控信号的贡献值，并且用它来确定导致制造过程失控的根本原因，实现PECVD氮化硅薄膜多元统计过程诊断，解决了在PECVD氮化硅薄膜制造过程工艺参数具有相关性及过程均值向量与协方差矩阵未知的情况下的故障诊断问题，提出了基于路径图的PECVD氮化硅薄膜制造过

7、程故障诊断方法。（4）针对在PECVD氮化硅薄膜制造过程初期具有多批次小批量的制造特征，经常面临样本容量不足的问题，提出了基于贝叶斯理论的PECVD氮化硅薄膜制造初期的质量控制方法。利用ANOVA方差检验和Bartlett齐次检验的方法从历史批次中筛选出与当前批次类似的样本数据，利用贝叶斯理论分析历史数据提供的先验信息，引入EWMA系数来调节历史信息在总信息中所占的比重，将总体均值和总体方差的估值表示为历史批次和当前批次的总体均值和总体方差的加权平均，利用这些估值建立控制图和计算过程能力指数，构建PECVD氮化硅薄膜的制造初期的质量控制方法。（5）针对P

8、ECVD氮化硅薄膜制造过程的多输入多输出、两种失控模式的特点，提出了基于总体协方