精益六西格瑪在半導(dǎo)體材料生產(chǎn)線中的應(yīng)用

蔡麗艷 郝玉清 安瑞陽 趙偉 劉佐星 劉云霞 鄭捷 趙而敬 徐繼平

摘要：半導(dǎo)體材料制造業(yè)是技術(shù)密集，資金密集的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，降低在制品數(shù)量，減少加工周期不僅可以快速滿足用戶的交貨要求，還能降低成本，是企業(yè)提高市場競爭力的有效方法，本文討論利用精益六西格瑪方法論，實現(xiàn)上述目標(biāo)。

Abstract： Semiconductor manufacturing is high technology industry of skill-intensive and capital- intensive. In order to satisfy the user's requirements of delivery， we should reduce the WIP and the production cycle， meanwhile that can reduce the cost and improve the competitiveness of the market. This paper discusses the use of Lean Six Sigma methodology to achieve the above objectives.

關(guān)鍵詞：精益六西格瑪；在制品數(shù)量；生產(chǎn)周期；效率

Key words： Lean Six Sigma；WIP；production cycle；efficiency

中圖分類號：F273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）31-0271-04

0 引言

精益生產(chǎn)簡稱“精益”，是以豐田公司為代表的新的生產(chǎn)方式，是通過組織結(jié)構(gòu)、人員安排和運行方式等方面的變革，把生產(chǎn)過程中一切多余的東西都消除，最終達(dá)到零浪費并建立無間斷作業(yè)流程的一種生產(chǎn)方式[1-3]。半導(dǎo)體材料生產(chǎn)線的特點為多品種小批量訂單式生產(chǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場同時加工的產(chǎn)品規(guī)格種類較多；生產(chǎn)設(shè)備會因品種更換而不斷進(jìn)行調(diào)整， 生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性較差； 均衡生產(chǎn)組織難度大。與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)相比，半導(dǎo)體材料生產(chǎn)線主要存在在制品數(shù)量較多、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)周期長等問題，針對半導(dǎo)體材料生產(chǎn)線的上述特點及存在的問題， 利用精益六西格瑪方法論改進(jìn)生產(chǎn)線，使生產(chǎn)按需、經(jīng)濟(jì)、均衡、準(zhǔn)時、安全地進(jìn)行。精益六西格瑪是精益生產(chǎn)和六西格瑪質(zhì)量管理理論相結(jié)合而產(chǎn)生的，消除過程中的浪費為其指導(dǎo)思想。中小型企業(yè)要實現(xiàn)良性運轉(zhuǎn)，增強市場生存能力，提高競爭力，精益生產(chǎn)是必然的選擇。本文中主要通過快速換模和價值流圖來消除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的浪費，快速換模就是通過減少停產(chǎn)時間及調(diào)整時間，有效提高設(shè)備稼動時間[4-5]。價值流圖是將現(xiàn)場生產(chǎn)中的物料信息的流動情況用簡圖描繪下來，對其進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生不增值的原因，并應(yīng)用精益思想和工業(yè)工程方法提出改進(jìn)方案[6-7]。半導(dǎo)體材料生產(chǎn)線中有以下主要工序：切片、倒角、磨片、腐蝕、噴砂、背封、拋光、出廠檢驗。

1 快速換模的應(yīng)用

大多數(shù)制造企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品不會僅是一二種而已，少則數(shù)十種，多則數(shù)十種，多則數(shù)萬種。不同類型的產(chǎn)品在生產(chǎn)的過程中往往有其不同的生產(chǎn)條件。例如不同的工具、模具、夾具，工作場所的溫度、濕度，工作方法等等。因此，在不同類別的產(chǎn)品之間相互切換時，生產(chǎn)線必須更換并設(shè)定新的工作條作，這種更換設(shè)備的操作就稱為“切換”。切換時，因生產(chǎn)停頓所耗費的時間就稱為“切換時間”。由于快速換模技術(shù)是精益思想在設(shè)備管理方面的具體應(yīng)用，具有很強的可操作性，所以在很多行業(yè)和企業(yè)都有成功的應(yīng)用范例。例如，王衛(wèi)剛等[8]把快速換模技術(shù)應(yīng)用在某醫(yī)療器械企業(yè)，在基本沒有額外的投資，技工的工時也沒有任何增加的情況下，減少了換模時間約45%。王詩軍[9]把快速換模技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上，減少了換模時間一半。比利時的 Dirk Van Goubergen[10]把快速換模技術(shù)應(yīng)用在食品工業(yè)的包裝線上，在沒有重大投資的情況下，縮短了換模時間約20%，提高了產(chǎn)量和生產(chǎn)柔性。

半導(dǎo)體生產(chǎn)線切片工序的硅片切割主要采用多線切割技術(shù)，多槽滾輪帶動均勻纏繞其上的鋼絲作高速運動，鋼絲帶動黏附的研磨砂對單晶棒產(chǎn)生磨削作用，從而達(dá)到對單晶棒進(jìn)行片狀切削的目的。其特點是一次可以切割一支單晶棒，但對于不同厚度的硅片，需要更換多槽滾輪，換輪一次滾輪的時間需要4個小時左右。

硅片在加工和使用過程中會受到片盒或機(jī)械手等物體的撞擊，導(dǎo)致硅片邊緣會產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂，為了避免切片邊緣崩裂，需要對其進(jìn)行倒角加工，特別是硅片在進(jìn)入元器件的制造過程中會有較多的熱周期，這些加熱或冷卻的過程非常迅速，在某些區(qū)域會產(chǎn)生熱應(yīng)力，一旦熱應(yīng)力超過晶體的彈性強度，會產(chǎn)生差排及位錯，而硅片的邊緣正是熱應(yīng)力易于集中的區(qū)域，同時外延生長過程中銳角區(qū)域的生長速率會比平面高，這些都與元器件制造及外延過程中的工藝及設(shè)備有關(guān)，所以對于不同用戶，相同厚度規(guī)格的硅片所需的倒角輪也可能不同，更換一次倒角輪需要一個小時左右[11-12]。

綜上所述，切片機(jī)導(dǎo)輪用于固定厚度，倒角機(jī)倒輪用于固定邊緣輪廓，且切片機(jī)換輪難于倒角機(jī)換輪。這就決定了不能完全用倒角工序來拉動切片生產(chǎn)，倒角機(jī)必須主動換輪適應(yīng)切片的規(guī)格。這就在切片和倒角工序之間產(chǎn)生倒角機(jī)效率和在制品數(shù)量的矛盾，為了提高倒角機(jī)的使用效率，需要盡量減少換輪次數(shù)，但會在切片和倒角工序之間產(chǎn)生較多在制品，精益思想是關(guān)注浪費，消除浪費?？焖贀Q輪是減少換模浪費的有效途徑。

SMED快速換模方法的全稱是Single Minute Exchange of Die，是一種快速和有效的切換方法，快速換模法這一概念指出，所有的轉(zhuǎn)變都能夠并且應(yīng)該少于10分鐘。單分鐘快速換模法是一種用來在不停設(shè)備的情況下，快速轉(zhuǎn)換調(diào)整的方法，它將可能的換模時間縮到最短。它可以將一種正在進(jìn)行的產(chǎn)品快速切換到下一產(chǎn)品?？焖贀Q模法能夠常常是用于啟動一個程序并快速使其運行，且處于最小浪費的狀態(tài)。

倒角機(jī)換輪過程包括記錄、換輪、清潔、調(diào)試，SMED小組通過換輪調(diào)查表，換輪損失表統(tǒng)計每臺倒角機(jī)5個月平均損失206工時，每年倒角車間換輪損失工時平均為185天工時。圖1列出了各種倒角輪規(guī)格與加工數(shù)量的帕累托圖，將1、2號，3、4號倒角輪分別組合成兩個倒角輪，如圖2所示，上面為原來的1號倒角輪，下面是新倒角輪，由原來1，2號倒角輪組合而成，左邊為2號倒角輪，右邊為1號倒角輪，舊的倒角輪只能加工一種規(guī)格的產(chǎn)品，重新設(shè)計后，新倒角輪可以實現(xiàn)在1號倒角輪和2號倒角輪這兩種規(guī)格之間不換輪切換。通過合理安排生產(chǎn)，每臺倒角機(jī)5個月平均損失降到67工時，這種改進(jìn)減少了在制品數(shù)量，由原來的1萬片左右降到6000片左右，不僅減少了資金占用，還縮短了交貨周期，減少了調(diào)整過程中可能的錯誤，增加了生產(chǎn)線的柔性?？s短切換的停車時間意味著更高的使用效率。

2 價值流圖及作業(yè)分析的應(yīng)用

價值流管理是通過繪制價值流圖，以精益生產(chǎn)角度來分析生產(chǎn)過程中材料和信息流動，可以把精益思想的基本原則融于改進(jìn)實施過程之中，幫助企業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)化、持續(xù)化的改進(jìn)，而這種改進(jìn)不僅能夠消除浪費，而且能夠消除產(chǎn)生浪費的根源，使其不至于重復(fù)發(fā)生，為后續(xù)精益改善提供依據(jù)和方向[13-15]。價值流圖（VSM）標(biāo)明了工作流程， 它可以讓我們知道產(chǎn)品從“點到點”的物料和信息流程。從圖3價值流圖（片段）發(fā)現(xiàn)A工序加工時間很短，但等待批次較多，造成周期延長，同樣其后工序B也是等待批次較多，周期較長。這是因為A工序加工時間短，只有25.8分鐘，能夠快速將積壓在制品完成，而B工序每批加工時間大于A工序每批加工時間，批加工時間為49.8分鐘，從而造成B工序等待加工批次也較多，加工周期也較長。通過圖4的作業(yè)分析，作業(yè)員工根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗，A工序需要集中生產(chǎn)，每天按照班次來配比化學(xué)夜，上班配液，本班次用完就排掉。設(shè)備稼動率只有45%。利用精益六西格瑪方法論，定義該工序設(shè)備稼動率為Y，影響Y的主要因子為設(shè)備的手動作業(yè)時間，利用魚骨圖分析，除了作業(yè)員工的人為習(xí)慣外，決定作業(yè)時間的主要原因是某一參數(shù)S隨時間的變化而改變，導(dǎo)致無法完成作業(yè)。如果想繼續(xù)生產(chǎn)，需要重新配液，增加了原輔材料的消耗，因此將在制品留給下一個班次加工。通過圖5所示實驗，一種情況連續(xù)加工5小時后，S值下降到臨界15cm，超出該值將無法作業(yè)。第二種情況連續(xù)等待12小時不作業(yè)，S值下降到臨界15cm。第三種情況如果按前工序生產(chǎn)節(jié)拍，按30分鐘加工，30分鐘等待作業(yè)，其S值在8小時后降到臨界值15。采用斷電等待2-3小時后再加熱作業(yè)的加工方式要比加熱等待直接作業(yè)的方式要好，加工時間可以達(dá)到12小時。改進(jìn)措施：原有按班次排液的方式改進(jìn)為當(dāng)S值降到臨界值15時排液；滿負(fù)荷生產(chǎn)時采用產(chǎn)品隨到就隨時加工的間斷作業(yè)方式，設(shè)備稼動率提高到76%；不滿負(fù)荷生產(chǎn)時采用斷電等待的作業(yè)方式，即可滿足產(chǎn)品隨到隨時加工，同時又節(jié)省了原材料消耗。通過以上措施，A工序的平均等待時間將為0.5小時，B工序的等待時間也降為1.2小時，生產(chǎn)效率大幅提高。

3 流程改進(jìn)及目視管理的應(yīng)用

半導(dǎo)體材料生產(chǎn)線的背封加工工序具有可返工、設(shè)備較復(fù)雜及設(shè)備故障高的特點，為了壓縮工序在制品（WIP），減少加工周期我們主要作如下改善：梳理流程，建立返工流程，并優(yōu)先加工返工產(chǎn)品，改善生產(chǎn)現(xiàn)場，實行定置管理。建立合批區(qū)域，將每批的合格半成品存放在固定區(qū)域，掛牌標(biāo)示返工次數(shù)、時間、數(shù)量，利于現(xiàn)場人員檢查。返工產(chǎn)品存放專用區(qū)域，優(yōu)先加工，做到物流信息流明細(xì)。具體做法如下：①整批轉(zhuǎn)移，物卡同傳，記錄完整。每批產(chǎn)品在完成本工序所有流程后，把加工和檢驗記錄填寫完整，“工藝流程卡”填寫完整后，方可轉(zhuǎn)移至下一工序；操作員或檢驗員必須同時收到上一工序已完工或已檢驗完的產(chǎn)品和“工藝流程卡”，并核對物、卡的數(shù)量、狀態(tài)情況無誤后，方可開始工作。②“工藝流程卡”要求填寫完整、規(guī)范合格，并隨對應(yīng)的已完成工藝加工和檢驗的產(chǎn)品批次一起流出半導(dǎo)體生產(chǎn)線。③對每個子批應(yīng)給予一個與其它子批互不重復(fù)而又與原母批批號有淵源關(guān)系的子批批號，子批批號具有唯一性。前、后工序子批批號均在原母批批號后面增加一個連字符和一位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，數(shù)字表示子批順序號。

半導(dǎo)體材料背封加工過程具有通過把握返工產(chǎn)品的質(zhì)量狀態(tài)，有效控制返工過程并做準(zhǔn)確記錄，保證不因返工而造成產(chǎn)品的批次性質(zhì)量問題存在。返工應(yīng)遵循的基本原則：①集中完成。任一批次產(chǎn)品在同一工序的返工應(yīng)集中在一起完成，以保證同次返工的狀態(tài)一致。②控制返工次數(shù)。一般情況下，后工序產(chǎn)品在一個工序上只允許最多返工二次；前工序產(chǎn)品在光刻工序上允許返工一次，前工序產(chǎn)品在擴(kuò)散、CVD、蒸發(fā)濺射和合金工序因熱效應(yīng)，一般不進(jìn)行返工。

4 結(jié)論

本文通過快速換模的應(yīng)用，使倒角工序的加工時間大大縮短，加工效率提高。通過繪制價值流圖發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的非增值操作，運用精益生產(chǎn)的原理和方法解決問題，減少或消除了非增值環(huán)節(jié)。通過流程改進(jìn)和目視化管理，使生產(chǎn)現(xiàn)場得到了系統(tǒng)化的優(yōu)化。最終提高了生產(chǎn)線平衡率，降低了生產(chǎn)成本。

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