晶圓制造中的自動化管理

摘要：作為先進(jìn)制造業(yè)的典型代表，晶圓制造具有三大特性：資金密集，技術(shù)密集，產(chǎn)品復(fù)雜。在此環(huán)境下，計算機(jī)集成制造廣泛應(yīng)用于MES、Dispatch、傳送、品質(zhì)管理等各個方面，并不斷向前發(fā)展。

關(guān)鍵詞：晶圓制造；計算機(jī)集成制造；MES；Dispatch

中圖分類號：TP278 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0068-02

半導(dǎo)體制造有如下三方面特性：一是資金密集，生產(chǎn)設(shè)備昂貴；二是工藝技術(shù)復(fù)雜，良率要求高；三是產(chǎn)品線種類復(fù)雜，生產(chǎn)流程差異大，產(chǎn)品交期控制嚴(yán)格。

首先，半導(dǎo)體制造是資金較為密集的制造行業(yè)，目前主流的八寸晶圓（200mm）的制造工廠，平均耗資接近10億美金； 目前的先進(jìn)制程，十二寸晶圓廠（300mm）的生產(chǎn)線耗資達(dá)20億美元左右。例如Intel在大連正在興建的十二寸晶圓廠，投資計劃即為25億美元。普通八寸晶圓廠，一般的生產(chǎn)設(shè)備，動輒售價兩三百萬美元以上，最昂貴的光刻機(jī)，價格接近1000萬美元。 所以，需要通過自動化管理和計算機(jī)集成制造，精確規(guī)劃，最大程度地利用資源，避免任何的產(chǎn)能損失。并且通過分析，不斷提高機(jī)器的產(chǎn)能。

其次，半導(dǎo)體工藝復(fù)雜，早已達(dá)到納米級的生產(chǎn)精度。半導(dǎo)體制造的趨勢當(dāng)中，最突出的一個就是IC的尺寸不斷縮小，密度在持續(xù)增長。20世紀(jì)60年代中期提出的摩爾定律，在此后的40多年里依然準(zhǔn)確地指導(dǎo)著整個行業(yè)的發(fā)展。目前，復(fù)雜元器件如CPU、GPU等，制造的線寬已經(jīng)發(fā)展到32納米左右，包括上海的中芯國際，都已經(jīng)突破此技術(shù)難關(guān)。相應(yīng)的，還有制程資料量的指數(shù)級成長，必須仰賴強(qiáng)大的資料處理能力及知識管理系統(tǒng)，進(jìn)一步萃取及資料分析、建立模式，才能達(dá)成精細(xì)控制的需求。

最后，半導(dǎo)體產(chǎn)品復(fù)雜，為大規(guī)模定制的生產(chǎn)特性。除去CPU、DRAM主要被Intel、Samsung壟斷外，絕大多數(shù)的半導(dǎo)體工廠，產(chǎn)品線都不單純，涵蓋包括“3C”的范疇內(nèi)，少則數(shù)十種、多則上百種的不同制程的產(chǎn)品。3C即為Computer、Communication、Consumer。林林總總的芯片，其技術(shù)上又可分為邏輯、模擬、混合等數(shù)大類，生產(chǎn)流程上也是大相徑庭，生產(chǎn)周期也大不相同，從20天到3個月不等。并且為了搶占市場先機(jī)，整個生產(chǎn)周期的要求不僅快速，而且需要精準(zhǔn)，并且要面臨緊急插單、撤單、加量或者提前交貨等狀況的發(fā)生，背后都需要CIM的支持。

因?yàn)槿缟先箢愄匦裕雽?dǎo)體制造工廠必須達(dá)成多、快、準(zhǔn)、好、省的經(jīng)營目標(biāo)。工廠整合晶圓搬運(yùn)系統(tǒng)及知識流系統(tǒng)以符合快速變動的業(yè)務(wù)需求。全廠自動化：整合供應(yīng)鏈、計劃生產(chǎn)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、派工系統(tǒng)、機(jī)臺自動化以達(dá)成全廠區(qū)生產(chǎn)自動化。制造知識整合：整合工程資料分析系統(tǒng)、先進(jìn)制程控制、制造工程系統(tǒng)與知識管理系統(tǒng)。

整個架構(gòu)從客戶敲入訂單開始，首先進(jìn)行供應(yīng)鏈和制造之規(guī)劃，進(jìn)入工廠；其次工廠集合制造執(zhí)行系統(tǒng)、派工系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、量測分析系統(tǒng)、制程控制系統(tǒng)、機(jī)臺自動化系統(tǒng)等循環(huán)；最終定期向客戶交出合格的產(chǎn)品。

1 具體系統(tǒng)設(shè)計

1.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)：MES

從最基本的批量產(chǎn)品的存儲、運(yùn)送以及機(jī)臺操作開始，首先引入了barcode或者RFID的身份識別系統(tǒng)。RFID的基本應(yīng)用，即為機(jī)器的track in/out功能、電子貨架的連線顯示功能。

RFID中存儲批貨標(biāo)示、下一站應(yīng)處理區(qū)域、應(yīng)處理功能、優(yōu)先等級甚至容器需要清洗時間等信息，并在進(jìn)出機(jī)器時實(shí)時更新，防止大量在制品的混批和丟失的風(fēng)險。

機(jī)器track in后，不僅自動選擇需要處理的程序，避免人為選錯的風(fēng)險，而且可以自動去比對機(jī)臺狀態(tài)、污染參數(shù)、是否有特定限制等。

1.2 派工系統(tǒng)：Dispatch

首先，根據(jù)客戶需求的交期、優(yōu)先等級、質(zhì)量方面的緊急程度、限制條件等等做最基本的派工。

其次，通過報表系統(tǒng)，半自動地實(shí)現(xiàn)工廠狀況的診斷和分析。協(xié)助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化和工程自動化。其中最基本的以區(qū)域、產(chǎn)品和機(jī)器為不同視角的報表，定量化、自動顯示出實(shí)際指標(biāo)與目標(biāo)值和歷史值之間的差異，并向下挖掘到機(jī)器、產(chǎn)品的歷史資料。

通過對每組機(jī)臺、每個機(jī)臺的產(chǎn)量、狀態(tài)、閑置時間和不可用時間的精確控制， 來量化考核制造部門和設(shè)備維護(hù)部門的工作績效。

大致架構(gòu)如此：ERP（年月）→MES（Dispatching）（日/小時）→ Scheduling（分秒）。

1.3 傳送系統(tǒng)：MHS

Automatic/Manual material handling system.MMHS在八寸及以下的晶圓廠中常有應(yīng)用，而在十二寸的晶圓廠中，因單批次的產(chǎn)品重量為10公斤左右，所以必須借助于AMHS進(jìn)行傳送。一個功能強(qiáng)大且性能穩(wěn)定的AMHS系統(tǒng)在300mm工廠里扮演了一個非常重要的角色。AMHS系統(tǒng)不僅可以有效地利用寶貴的潔凈室的生產(chǎn)空間，并且還可以提高生產(chǎn)設(shè)備的利用率，縮短在制品WIP的Cycle Time，所以在很多的300mm的半導(dǎo)體工廠里，AMHS都被視為可以快速提升產(chǎn)能、增加生產(chǎn)效率的尖兵利器。

傳送的系統(tǒng)設(shè)計又分為兩大方面：區(qū)域間傳送和機(jī)臺間傳送，即所謂Inter bay和Intra bay傳送，后者即所謂T to T（tool to tool）。T to T的方式不僅減少了中間存儲的空間需求，而且降低了傳送時間，縮短了生產(chǎn)周期。系統(tǒng)設(shè)計的時候，必須要考慮到Inter bay和Intra bay的整合、工廠布局、搬送車輛和Stocker的選擇等多種因素。

穩(wěn)定性：由于全廠都在大規(guī)模地應(yīng)用AMHS系統(tǒng)進(jìn)行Wafer的搬送，所以一旦AMHS系統(tǒng)發(fā)生故障將導(dǎo)致全廠性的生產(chǎn)設(shè)備因沒有可供生產(chǎn)的Wafer而停止生產(chǎn)，進(jìn)而嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)運(yùn)營。

高效性：與200mm半導(dǎo)體工廠的AMHS系統(tǒng)相比，300mm工廠的AMHS搬送量有了十倍以上的增長。在面對巨大搬送量的時候，如何確保全廠的搬送效率，在更短的時間內(nèi)完成Wafer的搬送，對于AMHS系統(tǒng)而言是一個巨大的挑戰(zhàn)。同時，AMHS系統(tǒng)搬送效率的高低，也將直接影響到生產(chǎn)設(shè)備的利用率。

在300mm工廠的生產(chǎn)車間內(nèi)，潔凈室的空間是極其昂貴的。而AMHS系統(tǒng)為了解決生產(chǎn)線上所有在制品WIP的存儲保管問題，不得不占用大量的面積和空間。如何在滿足存儲和搬送要求的前提下，最大化地節(jié)省所占用的面積空間，是AMHS系統(tǒng)必須面對的一個難題。

1.4 其他

量測分析系統(tǒng)：EDA Reporting （Engineering data analysis）。制程控制系統(tǒng)：APC（Advanced process control、Feed forward system）； SPC & OCAP （Statistic process control、 out of control action plan）；DSS（dynamic sampling system）。機(jī)臺自動化：EA （Equipment monitor system、Real time monitor、Constraint system、Preventive Maintenance system）， 因篇幅有限，不做贅述。

2 結(jié)語

半導(dǎo)體的生產(chǎn)，仍然處在不斷復(fù)雜化的進(jìn)程當(dāng)中，目前的生產(chǎn)方式仍然面臨著很多的挑戰(zhàn)：需要兼具快、準(zhǔn)且有彈性的客戶服務(wù)；對機(jī)臺生產(chǎn)率和整體產(chǎn)能利用率的不斷追求；對海量數(shù)據(jù)的分析、制程數(shù)據(jù)的變動性降低、機(jī)器狀況的隨時監(jiān)測等。

計算機(jī)集成制造的目標(biāo)和愿景在于：

擬人化：由CIM的幫助，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動化，降低人為出錯的風(fēng)險，降低不同人員間生產(chǎn)指標(biāo)的差異；提高人的生產(chǎn)效率，降低人員負(fù)擔(dān)。

省人化：全自動化，以消除人為干擾，并結(jié)合決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最佳的效率，節(jié)省人力。

超人化：結(jié)合生產(chǎn)周期的改善、產(chǎn)能的充分利用、準(zhǔn)確的系統(tǒng)模擬和預(yù)測，達(dá)到客戶的完全滿意，做到超人化的境界。

作者簡介：陳征，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院工程碩士。