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半導体の品質管理の道具とは?SPC・管理図・パレート図・特性要因図・工程能力をわかりやすく解説【歩留まり・品質管理3級・第4講】

SEMICON CAMPUS 無料講座歩留まり・品質管理コース3級 入門 ・ 第4講
品質管理の4つの道具と、使いどころ① 見守る管理図限界の外 → 調べる② 大きい原因を選ぶパレート図③ 原因の候補を出す特性要因図④ 規格との余裕工程能力規格
4つの道具は、順番に使うと流れになります。状態を見守り、不良の種類を数えて大きいものを選び、原因の候補を出し、規格に対する余裕を確かめます(模式図)。

今回のテーマは、

「ばらつきと不良を、数字と図で扱う道具には、どんなものがあるのか」

答え:状態を見守る管理図(SPC)、大きい問題を選ぶパレート図、原因の候補を出す特性要因図、規格に収まる余裕を表す工程能力の4つです。目的に合わせて使い分けます。

黄色のマーカー = この講座のテストに出す重要ポイント

この記事でわかること

  • ① 道具が要る理由
  • ② SPCと管理図
  • ③ パレート図
  • ④ 特性要因図
  • ⑤ 工程能力

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① なぜ品質管理の道具が要るのか:勘ではなく、データで判断する

大事なポイント:工場では、ばらつきと不良を、数字と図で扱います。目的ごとに道具が違うので、使い分けます。

第3講までで、不良には原因があり、欠陥密度や面積から歩留まりを見積もれることを学びました。では、実際の工場で、毎日の変化に気づき、直すべき場所を決めるには、何が必要でしょうか。「なんとなく調子が悪い」という感覚だけでは、人によって判断が違い、対策も遅れます。

そこで使うのが、データを整理する道具です。工場の品質管理では、管理図、パレート図、特性要因図、ヒストグラム(値の分布を棒で表した図)などが古くから使われています。まとめて「QC七つ道具」と呼ぶこともあります(一般的な呼び方です)。この講では、半導体の歩留まり改善に特に使われる4つを学びます。

  1. 管理図:状態を見守り、変化に気づきます。
  2. パレート図:不良の種類を件数順に並べ、大きいものを選びます。
  3. 特性要因図:選んだ問題の原因の候補を、もれなく書き出します。
  4. 工程能力:ばらつきが規格に収まる余裕を、1つの数字で表します。

このうち、管理図の基本(偶然の原因と、見つけられる原因の区別)は、検査・計測3級の第5講でも学べます。この講では、歩留まり改善の流れの中での使い方を中心に学びます。目的に合った道具を選ぶと、判断が速く、正確になります。

確認クイズ:「不良の種類のうち、どれから直すか」を決めるのに向いた道具は、どれですか。

答え:パレート図です。件数の多い順に並べて、大きいものを選びます。

② SPCと管理図:変化に気づく

大事なポイント:SPC(統計的工程管理)は、管理図などの統計の道具で、工程を日常的に見守る方法です。変化を早く見つけるために使います。

SPCは、Statistical Process Control の略で、「統計的工程管理」と訳されます。測った値を統計的に扱って、工程の状態を見守る方法です。中心になる道具が管理図で、測った値を時間順にグラフにして、中心線と、上下の管理限界(上側がUCL、下側がLCL)を引きます。

参考にしたNIST(米国の国立標準技術研究所)の統計手引きには、管理図の考え方が次のように書かれています。工程には、いつもある自然な変動(偶然の原因)と、特定の原因で起きる変動(見つけられる原因)があります。点が管理限界を外れたら、見つけられる原因がある可能性が高いので、調べます。点が限界の中でも、並び方に偏りがあれば、同じように疑います。

管理限界は、中心線から標準偏差σの3倍離れた位置に引くのが一般的です。正規分布なら、工程が安定していても、点が外れる確率が約0.27%あるので、まれに「まちがいの警報」も出ます。手引きには、平均して約370点に1回、まちがいの警報が出ると書かれています。管理図は、不良が出る前に、工程の変化に気づくための道具です。

確認クイズ:平均が50nm、標準偏差σが1.5nmの工程で、3σの管理限界の上側と下側は、それぞれいくつですか。

答え:上側は 50 + 3×1.5 = 54.5nm、下側は 50 − 3×1.5 = 45.5nmです。

くわしく見る:管理図の限界と、まちがいの警報

3σの限界の外に出る確率は、正規分布で約0.0027です。1,000点を打てば、0.0027 × 1000 = 2.7点は、問題がなくても外れる計算です。また、1 ÷ 0.0027 ≒ 370 なので、平均して約370点に1回の警報になります。

▶ 2級でくわしく:平均と範囲を使う管理図(X̄-R管理図)の限界の計算式と、不良の個数を扱う管理図。

③ パレート図:大きい問題から手を付ける

大事なポイント:パレート図は、不良の種類を件数の多い順に並べた棒グラフに、累計の折れ線を重ねた図です。

不良の原因は1つとは限りません。パーティクル、傷、寸法不良、断線など、種類ごとに数えると、件数に差があります。すべてを一度に直そうとすると、人手も時間も足りません。そこで、種類ごとの件数を数え、多い順に並べた図をつくります。

これがパレート図です。参考にした資料によれば、棒を大きい順に並べ、累計の割合を折れ線で重ねる図で、もともと「パレートの法則」(少数の項目が全体の大部分を占める、という考え方)にちなんだ名前です。図の例では、パーティクルが45件、傷が20件で、この2つだけで全体の65%を占めます。全部を直すより、効果の大きい上位の項目から直す方が、早く歩留まりが上がります。

作り方は、次のとおりです。

  1. 不良を種類に分けて、件数を数える。
  2. 件数の多い順に、左から棒を並べる。
  3. 件数を足していった累計の割合を、折れ線で重ねる。

気をつけたいのは、件数が多いことと、費用への影響が大きいことは、同じとは限らないことです。1件で大きな損失になる不良もあります。件数のほかに、損失の金額で並べる使い方もあります。

確認クイズ:不良が、異物48件、傷30件、寸法不良18件、断線12件、その他12件(合計120件)あります。上位2つの累計は、全体の何%ですか。

答え:(48 + 30) ÷ 120 = 78 ÷ 120 = 0.65 で、65%です。

パレート図の例:不良の種類ごとの件数(100件の例)00%2525%5050%7575%100100%45パーティクル20傷15寸法不良10断線10その他45%65%80%90%100%件数累計の割合80%の目安
棒は件数の多い順、折れ線は累計の割合です。この例では、パーティクルと傷の2つで全体の65%を占めるので、この2つから手を付けます(件数は説明用の仮の値)。

④ 特性要因図:原因の候補を書き出す

大事なポイント:特性要因図は、ある問題の原因の候補を、種類ごとにもれなく書き出す図です。魚の骨の形から、フィッシュボーンとも呼ばれます。

パレート図で、手を付ける問題が決まったら、次は原因を探します。このとき、思いついた原因だけを調べると、見落としが出ます。そこで使うのが特性要因図です。右端に問題(結果)を書き、そこへ向かう骨に、原因の候補を種類ごとに並べます。

参考にした資料では、製造の分野では、原因の種類を、人、機械(装置)、材料、方法、測定(と環境)の5つで分けるのが一般的と説明されています。原因は、集まって話し合いながら出し、さらに「なぜ?」を繰り返して、根本まで掘り下げます。

たとえば、パレート図で「パーティクルが最も多い」と分かったとします。特性要因図には、次のような候補が並びます。

  • 機械:搬送の部品が摩耗して、粒が出る。
  • 材料:薬液やガスに粒が混ざっている。
  • 方法:洗浄の手順や時間が合っていない。
  • 測定:検査装置の設定が変わり、粒を数えすぎている。
  • 人・環境:作業の仕方や、部屋の清浄度が影響している。

「測定」が入っているのは、測り方のずれが原因に見えることもあるからです。候補を広く書き出してから、データで1つずつ確かめます。この図は、原因の候補を整理する道具で、正しい原因を教えてくれる図ではありません。

確認クイズ:特性要因図は、原因を特定する図ですか、原因の候補を整理する図ですか。

答え:原因の候補を整理する図です。候補は、データで確かめて絞ります。

⑤ 工程能力:規格に収まる余裕を、数字で表す

大事なポイント:工程能力は、工程のばらつきが規格の範囲にどれだけ収まるか、という余裕です。Cp、Cpkという数字で表します。

管理図は、工程が安定しているかを見ます。しかし、安定していても、ばらつきが大きくて規格に収まらなければ、不良は出ます。そこで、ばらつきの幅と規格の幅を比べる考え方が工程能力です。

NISTの統計手引きでは、ほとんどの測定値が規格の中に入る工程を、能力のある工程と呼び、能力を表す数字としてCp、Cpkなどを挙げています。大まかな意味は次のとおりです。

  • Cp:規格の幅を、工程のばらつきの幅(標準偏差の6倍)で割った数字です。大きいほど、幅に余裕があります。
  • Cpk:平均が規格の真ん中からずれている影響を含めた数字です。平均が上限や下限に近いほど、小さくなります。

図の例で見ます。規格は90〜110nm(幅20nm)、標準偏差は2nmです。Cp = 20 ÷ (6×2) = 1.67 です。平均が真ん中の100nmなら、Cpkも1.67です。平均が104nmにずれると、Cpは変わりませんが、上限までの距離が短くなり、Cpkは1.0に下がります。ばらつきが小さくても、平均がずれると、余裕は減ります。ばらつきを小さくすることと、平均を真ん中に合わせることの、2つが必要です。

どの値以上なら十分かは、製品や会社によって基準が違います。基準の例などは、2級で学びます。

工程能力:ばらつきの幅が、規格の幅にどれだけ収まるか平均が規格の真ん中90100110下限上限平均±3σ(6σの幅)Cp=1.67 Cpk=1.67平均が上にずれた90100110下限上限平均±3σ(6σの幅)Cp=1.67 Cpk=1.0
標準偏差σは2nm、規格は90〜110nmの仮の例です。左は6σの幅が規格に余裕をもって収まり、右は幅が上限にちょうど届くところまでずれています(模式図)。
確認クイズ:規格が40〜60nm、標準偏差が2.5nm、平均が真ん中のとき、Cpはいくつですか。

答え:Cp = (60 − 40) ÷ (6×2.5) = 20 ÷ 15 ≒ 1.33です。

くわしく見る:Cpk の計算

Cpkは、上限までの距離と下限までの距離を、それぞれ標準偏差の3倍で割り、小さい方をとります(NISTの手引きの定義にもとづきます)。

平均104nm、標準偏差2nm、規格90〜110nmなら、上側は (110 − 104) ÷ (3×2) = 6 ÷ 6 = 1.0、下側は (104 − 90) ÷ 6 = 14 ÷ 6 ≒ 2.33 です。小さい方をとって、Cpk = 1.0 になります。Cpは、(110 − 90) ÷ (6×2) = 20 ÷ 12 ≒ 1.67 です。常にCpk ≦ Cpで、等しいのは平均が真ん中のときです。

これらの数字は、データが正規分布に近く、ある程度の数(手引きでは、目安として50個ほど)があるときに意味を持ちます。

▶ 2級でくわしく:工程能力指数の基準値の考え方と、不良の割合(ppm)への換算。

この講のまとめ

この講のポイント

管理図で変化を見守り、パレート図で大きい問題を選び、特性要因図で原因の候補を出します。
管理図は規格とは別の「いつもの範囲」を表し、点が外れたり並びが偏ったりしたら調べます。
工程能力(Cp、Cpk)は、ばらつきが規格に収まる余裕で、平均がずれると小さくなります。

ことばのおさらい

  • SPC:統計的工程管理。統計の道具で工程を見守る方法です。
  • 管理図:測った値を時間順に並べ、中心線と管理限界を引いたグラフです。
  • パレート図:不良の種類を、件数の多い順に並べ、累計の折れ線を重ねた図です。
  • 特性要因図:問題の原因の候補を、種類ごとに書き出す図です。
  • 工程能力:ばらつきが規格の範囲に収まる余裕です。
  • Cp/Cpk:規格の幅とばらつきの幅の比と、平均のずれを含めた比です。

よくある誤解

Q. パレート図の1番目の項目を直せば、必ず歩留まりが大きく上がりますか。

いいえ。件数が多くても、損失が小さい場合があります。件数と損失の両方で見ます。

Q. Cpが大きければ、平均がずれていても安心ですか。

いいえ。Cpは平均のずれを含みません。ずれの影響を見るにはCpkを使います。

参考にした公式情報

平均50nm・σ1.5nm、規格40〜60nm、不良の件数(45・20・15・10・10件など)、規格90〜110nm・σ2nmなどの数値は、理解のために置いた仮の値です。QC七つ道具という呼び方、特性要因図の候補の例、パレート図で件数と損失を分けて見ることは、一般的な知識にもとづく目安です。図は、記事用に描いた簡易の図です。

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