晶圓廠信息控制系統(tǒng)介紹

周炳君

(金氿科技有限公司，江蘇宜興 214200)

300 mm FAB一般設(shè)計(jì)成全自動的生產(chǎn)線，這對整個(gè)FAB的信息控制系統(tǒng)(FICS)提出了嚴(yán)格的要求和挑戰(zhàn)。FICS集成是建立300 mm FAB的關(guān)鍵之一。一般來說，F(xiàn)ICS的全部費(fèi)用為整個(gè)FAB預(yù)算的2%～3%，它不但是決定FAB效率的主要因素，而且還影響著FAB的實(shí)際容積(capacity)、可利用率(utilization)等。自從2003年IBM在EastFishkill建立了第一條全自動的300 mm FAB以來，世界各地陸續(xù)出現(xiàn)了各種用途類型、具有不同自動化程度的類似工廠。FICS的各個(gè)軟件模塊也趨成熟。本文粗略地探討了65 nm用于生產(chǎn)微處理器(Microprocessor)的300 mm FAB的FICS集成和挑戰(zhàn)。

圖1 FICS系統(tǒng)

1 系統(tǒng)架構(gòu)

目前，大部分300 mm FAB的FICS系統(tǒng)架構(gòu)大同小異。工廠系統(tǒng)集成 (FactoryIntegration)決定了FICS的質(zhì)量，系統(tǒng)集成的水平、所用軟件的先進(jìn)性是衡量FAB操作生產(chǎn)等級的標(biāo)志。圖1展示了FICS的架構(gòu)。毫無疑問，這是一個(gè)分布式的計(jì)算系統(tǒng)。類似的架構(gòu)以被IBM、Global Foundries等世界頂級的FAB所應(yīng)用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)全自動操作，包括數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動化生產(chǎn)線，各個(gè)子系統(tǒng)模塊分離程度高(De-Coupled)。缺點(diǎn)是，MQ Series并不是一個(gè)理想的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換媒介。但MQ Series和Corba的選擇，受限于MES系統(tǒng)的限制。

(1)MES系統(tǒng)。目前，用得較為廣泛的是IBM的SiView。

(2)EI是遠(yuǎn)程主機(jī)連接系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)比較豐富多彩，Intel，IBM，GlobalFoundries等公司都有他們自己的版本，所用的產(chǎn)品都是200mm線上相應(yīng)的軟件產(chǎn)品改良而來的，一般比較陳舊，尤其是底層的SECS協(xié)議。而金氿科技的產(chǎn)品是目前較先進(jìn)和可靠的。

(3)ABS(Agent Based Scheduling)是事件(包括材料)的調(diào)度和決策系統(tǒng)。

(4)APC(Advanced Process Control)使用 Catalys以及FDC軟件(Fault Detection and Classification)。

(5)EDA軟件系統(tǒng)可使用SAPPHiRE。

(6)處方管理、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用ARMOR；ADAPT(AdvancedDataAcquisitionPlanTool)是數(shù)據(jù)采集設(shè)置。

(7)Wafer Selection System可以用AMMO。

(8)SPC是質(zhì)量監(jiān)控（SPC-Statistical Process Control)軟件系統(tǒng)，例如，ASPECT。

(9)FABGUI為 Operator Interface。

(10)Tel-Alert為 Notification System。

(11)SAP/PM為 (Tool Preventative Maintenance)為設(shè)備維護(hù)計(jì)量財(cái)務(wù)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)集成

整個(gè)信息控制系統(tǒng)的集成是一個(gè)復(fù)雜和龐大的軟件工程。物理環(huán)境流程如圖2所示。

圖2 物理環(huán)境流成圖

對于生產(chǎn)線而言，一般分如下幾個(gè)階段：

(1)第一臺設(shè)備:在這個(gè)階段，網(wǎng)絡(luò)施、服務(wù)器、MES、AMHS、EI的全部框架和部分設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等大部分系統(tǒng)要到位。

(2)第一片晶圓：所有設(shè)備、系統(tǒng)都要到位，包括生產(chǎn)線生產(chǎn)數(shù)據(jù)模型，生產(chǎn)線的工程師們可以作進(jìn)一步的調(diào)試和熟悉工作。

(3)生產(chǎn)階段開始：要求所有系統(tǒng)運(yùn)營無誤，系統(tǒng)維護(hù)是每周7 d，每天24 min。在這個(gè)階段，生產(chǎn)僅是小規(guī)模的。

(4)產(chǎn)量上升階段：根據(jù)功能和負(fù)載要求，所有IT系統(tǒng)的規(guī)模將被擴(kuò)大，大部分處理(材料、數(shù)據(jù)、調(diào)度等)的等待時(shí)間必須在5 s以內(nèi)。

(5)完全生產(chǎn)階段：FICS的各項(xiàng)指標(biāo)將被改善直到滿足ITR(International Technology Roadmap for Semicon ducters)所規(guī)定的數(shù)字。同時(shí)，提供培訓(xùn)系統(tǒng)。

系統(tǒng)集成最大的工作量是MES的客戶化和遠(yuǎn)程主機(jī)的研發(fā)。MES的客戶化包括下面幾個(gè)方面：

(1)MES系統(tǒng)本身的修改。一個(gè)MES系統(tǒng)并不能包羅萬象，需要作一些修改使之滿足于FAB的特殊要求。例如，按照國際半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)，SiView提供一般的Lot Hold操作。但是，不能滿足特殊的Lot Hold要求，這些Lot Hold可能來自一個(gè)特殊的軟件系統(tǒng)，也有可能來自質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，也有可能來自APC系統(tǒng)等等，而這種Lot Hold就不能像通常情況那樣，由普通的操作工，通過MES客戶端來釋放，所以在現(xiàn)有的MES系統(tǒng)中，必須加入新的規(guī)則。

(2)MES與其它各系統(tǒng)之間的連接接口。例如，與遠(yuǎn)程主機(jī)EI之間的數(shù)據(jù)傳遞，由于各個(gè)廠商所使用的EI軟件技術(shù)不同，這部分的客戶化是必須的。

(3)MES數(shù)據(jù)庫中初始數(shù)據(jù)模型的建立和布施。

(4)數(shù)據(jù)采集(Data Collection)。

(5)處方管理(Recipe Management)。

關(guān)于EI的研發(fā)，是一個(gè)較敏感的項(xiàng)目，因?yàn)樗坏枰_發(fā)環(huán)境測試和模擬測試，還需要線測試(On-line testing)。而線測試直接與設(shè)備和該設(shè)備的操作工 (一般為Process Engineer)一起進(jìn)行，有時(shí)，一個(gè)質(zhì)量差的EI軟件在線測試過程中可能對設(shè)備造成損害，特別是機(jī)器臂。雖然一條先進(jìn)的生產(chǎn)線有不亞于20種的設(shè)備，但是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)大大減少了EI的研發(fā)工作量。圖3為JEI的架構(gòu)框圖。

圖3 JEI架構(gòu)圖

JSIP是Java SECS II Interface Protocol(SECS接口協(xié)議)的簡稱。它是用100%Java內(nèi)核編寫的，而且100%實(shí)現(xiàn)了國際半導(dǎo)體生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)E4,E5和E37的全部功能。采用優(yōu)化的開放式架構(gòu)，繼承了MLI++(IBM半導(dǎo)體生產(chǎn)線上使用的相應(yīng)軟件，用C++編成)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了很多MLI++沒有但很實(shí)用的功能，它的模塊化使得它能被嵌入任何需要SECS協(xié)議通訊的應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)需要動態(tài)地選擇和定義自己的SECS信息集合，并能自動處理信息，上層應(yīng)用可以直接處理數(shù)據(jù)，無須處理SECS信息而獲得數(shù)據(jù)，也無須處理不感興趣的信息和數(shù)據(jù)。它可以同時(shí)與多個(gè)對象設(shè)備進(jìn)行通訊和處理。

2 瓶頸和挑戰(zhàn)

晶圓廠在FICS系統(tǒng)集成上，除了讓生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)這個(gè)基本要求外，成本、質(zhì)量、產(chǎn)量、速度、適用性等也是主要的因素?？偟膩碚f，高質(zhì)量的FICS能把生產(chǎn)線的各個(gè)環(huán)節(jié)集成起來，并能降低10%的生產(chǎn)費(fèi)用，減少工廠的投資，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間，提供有效力的大批量和多種產(chǎn)品同時(shí)生產(chǎn)的能力，提高生產(chǎn)線的可靠性和設(shè)備的利用率，減少生產(chǎn)廢品和廢料。

目前，F(xiàn)ICS最大的瓶頸是系統(tǒng)性 (包括AMHS運(yùn)輸系統(tǒng))的時(shí)間延誤，理想的狀態(tài)是，如果在所有材料(晶圓和其它化學(xué)材料)具備的條件下，設(shè)備不應(yīng)有空閑等待時(shí)間。其次是MES軟件本身的缺點(diǎn)，現(xiàn)在用于300 mm FAB的MES系統(tǒng)都是由200 mm相應(yīng)的系統(tǒng)升級改造而來，隨著其它軟件系統(tǒng)(如APC，SPC等)功能的增加和要求的提高，MES中有些功能已經(jīng)顯得不協(xié)調(diào)，例如，數(shù)據(jù)采集模塊，我們不得不修改原來MES的模塊來匹配Saphire和ASPECT新的功能。

按照ITRS、FAB資源浪費(fèi)(Waste)分為3個(gè)方面：(1)等待時(shí)間；(2)設(shè)備產(chǎn)出；(3)能源。而且，F(xiàn)AB資源浪費(fèi)在大的300 mm FAB上往往會遷移和擴(kuò)散。為此，ITRS生產(chǎn)線集成組在2010年的工作重點(diǎn)是怎樣減少FAB資源浪費(fèi)(Waste)。

現(xiàn)有的300 mm國際標(biāo)準(zhǔn)以Lot為處理控制(Process Job)單位，一個(gè)Lot有時(shí)只有一個(gè)晶圓片組成。所以，另一個(gè)挑戰(zhàn)是，怎樣把以晶圓片為處理控制單位的功能納入300 mm的FICS系統(tǒng)中。

[1] IBM white paper,"SiView Overview&Positioning of MES(SP-GEN-OVW-005-10)",2005.

[2] 金氿科技有限公司,JSIP用戶手冊,2009年.

[3] 金氿科技有限公司,半導(dǎo)體設(shè)備與遠(yuǎn)程主機(jī)模擬器用戶手冊,2010年.

[4] 國際半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)，E5-SEMI EQUIPMENT COMMUNICATIONS STANDARD 2 MESSAGE CONTENT-(SECS-II).

[5] 國際半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)，E37-HIGH-SPEED SECSMESSAGESERVICES(HSMS)GENERIC SERVICES.