现代半导体制造业是所有制造业中最复杂的行业之一,其制造过程涉及的工序超过三百步,加工周期通常在两个月以上,这使得质量控制显得尤为重要。为了能够获得较高芯片制造的成品率,必须在晶圆加工过程中广泛采用统计过程控制(Statistical Process Control,SPC)技术,以实现对整个晶圆加工过程的监测。晶圆的主要加工方式为片加工和批加工,即同时加工1片或多片晶圆。随着半导体特征尺寸越来越小,加工及测量设备越来越先进,使得晶圆加工出现了新的数据特点。同时,特征尺寸的减小,使得晶圆加工时,空气中的颗粒数对晶圆加工后质量及可靠性的影响增大,而随着洁净的提高,颗粒数也出现了新的数据特点。使得现有统计过程控制技术不再适用。为确保芯片的质量和可靠性,需要对片加工、批加工和颗粒数开发相应的统计过程控制技术,以实现对它们的监测。本论文以现代晶圆加工的为主要研究对象,针对片加工和批加工中出现的嵌套性和位置效应、加工环境中颗粒数零过多等特点,建立了相应的数学模型,以理论分析和计算机仿真为主要手段,开发了相应的控制图,从而实现了现代晶圆加工的统计过程控制。本文的研究成果在晶圆中具有通用的特点,有助于提高半导体加工的产品质量,减少半导体产品的缺陷,对于提高企业的市场竞争力具有深远影响。本论文的主要研究工作包括:(1)根据晶圆片加工出现的数据特点,介绍了一阶嵌套位置效应模型,经过理论推导给出了10个重要的数学结论,利用这些结论给出了一阶嵌套位置效应的检验方法,理论上证明了位置效应对常规标准偏差控制图和极差控制图的影响:控制限过宽,无法检测出测量位置的异常变化。本文给出了两种实施SPC的方法,其中方法一包括两个控制图。方法二包括三个控制图:批(片)均值控制图,片内标准偏差控制图和片内趋势控制图,分别用于监测批(片)间波动,片内波动和片内位置效应。对标准偏差控制图的控制限提出了正确的计算方法,以适用于存在片内位置效应特点的数据,同时片内趋势控制图是业内首创。对这两种SPC方法的优劣做了对比,指出本文提出的方法二可以从控制图的失控快速判断失控模式,能分辨出是“好的失控”还是“坏的失控”,在工程应用中为工程师查找晶圆片加工的失控原因或改进工艺提供方向。最后采用实例对两种SPC方法进行了验证和对比。同时针对片加工一阶嵌套位置效应的讨论为批加工二阶嵌套位置效应的讨论奠定基础。(2)根据晶圆批加工出现的数据特点,介绍了二阶嵌套位置效应模型,根据此模型以及一阶嵌套模型得到的一些结论,推导出了8个重要的数学结论。给出了二阶嵌套位置效应检验方法及晶圆批加工实施SPC的两种方法。其中方法一包括三个控制图。方法二包括五个控制图:批均值控制图、片间标准偏差控制图、片间趋势控制图、片内标准偏差控制图和片内趋势控制图,分别用于监测批间波动、片间波动、片间趋势、片内波动和片内趋势。通过对比指出本文提出的方法二可以从控制图的失控快速判断失控模式,能分辨出是“好的失控”还是“坏的失控”。在工程应用中为工程师查找失控原因或改进工艺提供方向。最后采用实例对这两种SPC方法进行了验证和对比。(3)本文研究了晶圆加工环境中零过多颗粒数的统计过程控制,根据零过多颗粒数形成的原因,本文从泊松分布出发,提出了阈值泊松分布,并给出了相应的最优参数估计方法。然后对15组实际零过多颗粒数样本数据应用各种模型进行分析,通过比较各模型的判决系数、AIC和BIC,证明在零过多颗粒数的实际应用中阈值泊松模型要优于现有的主要缺陷模型,如:泊松分布、ZIP、GZIP、Neyman和Gamma-Poisson模型。然后基于阈值泊松分布模型提出了TC控制图及其所需要最小样本量,简要介绍了其相应的CUSUM和EWMA控制图的建立方法。最后以TC控制图为例对实际的零过多颗粒数进行统计过程控制,其相应的判决系数非常接近于1,证明了模型和参数估计方法的有效性。