晶圆制造中的自动化管理

摘要：作为先进制造业的典型代表，晶圆制造具有三大特性：资金密集，技术密集，产品复杂。在此环境下，计算机集成制造广泛应用于MES、Dispatch、传送、品质管理等各个方面，并不断向前发展。

关键词：晶圆制造；计算机集成制造；MES；Dispatch

中图分类号：TP278 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0068-02

半导体制造有如下三方面特性：一是资金密集，生产设备昂贵；二是工艺技术复杂，良率要求高；三是产品线种类复杂，生产流程差异大，产品交期控制严格。

首先，半导体制造是资金较为密集的制造行业，目前主流的八寸晶圆（200mm）的制造工厂，平均耗资接近10亿美金； 目前的先进制程，十二寸晶圆厂（300mm）的生产线耗资达20亿美元左右。例如Intel在大连正在兴建的十二寸晶圆厂，投资计划即为25亿美元。普通八寸晶圆厂，一般的生产设备，动辄售价两三百万美元以上，最昂贵的光刻机，价格接近1000万美元。 所以，需要通过自动化管理和计算机集成制造，精确规划，最大程度地利用资源，避免任何的产能损失。并且通过分析，不断提高机器的产能。

其次，半导体工艺复杂，早已达到纳米级的生产精度。半导体制造的趋势当中，最突出的一个就是IC的尺寸不断缩小，密度在持续增长。20世纪60年代中期提出的摩尔定律，在此后的40多年里依然准确地指导着整个行业的发展。目前，复杂元器件如CPU、GPU等，制造的线宽已经发展到32纳米左右，包括上海的中芯国际，都已经突破此技术难关。相应的，还有制程资料量的指数级成长，必须仰赖强大的资料处理能力及知识管理系统，进一步萃取及资料分析、建立模式，才能达成精细控制的需求。

最后，半导体产品复杂，为大规模定制的生产特性。除去CPU、DRAM主要被Intel、Samsung垄断外，绝大多数的半导体工厂，产品线都不单纯，涵盖包括“3C”的范畴内，少则数十种、多则上百种的不同制程的产品。3C即为Computer、Communication、Consumer。林林总总的芯片，其技术上又可分为逻辑、模拟、混合等数大类，生产流程上也是大相径庭，生产周期也大不相同，从20天到3个月不等。并且为了抢占市场先机，整个生产周期的要求不仅快速，而且需要精准，并且要面临紧急插单、撤单、加量或者提前交货等状况的发生，背后都需要CIM的支持。

因为如上三大类特性，半导体制造工厂必须达成多、快、准、好、省的经营目标。工厂整合晶圆搬运系统及知识流系统以符合快速变动的业务需求。全厂自动化：整合供应链、计划生产、制造执行系统、派工系统、机台自动化以达成全厂区生产自动化。制造知识整合：整合工程资料分析系统、先进制程控制、制造工程系统与知识管理系统。

整个架构从客户敲入订单开始，首先进行供应链和制造之规划，进入工厂；其次工厂集合制造执行系统、派工系统、传送系统、量测分析系统、制程控制系统、机台自动化系统等循环；最终定期向客户交出合格的产品。

1 具体系统设计

1.1 制造执行系统：MES

从最基本的批量产品的存储、运送以及机台操作开始，首先引入了barcode或者RFID的身份识别系统。RFID的基本应用，即为机器的track in/out功能、电子货架的连线显示功能。

RFID中存储批货标示、下一站应处理区域、应处理功能、优先等级甚至容器需要清洗时间等信息，并在进出机器时实时更新，防止大量在制品的混批和丢失的风险。

机器track in后，不仅自动选择需要处理的程序，避免人为选错的风险，而且可以自动去比对机台状态、污染参数、是否有特定限制等。

1.2 派工系统：Dispatch

首先，根据客户需求的交期、优先等级、质量方面的紧急程度、限制条件等等做最基本的派工。

其次，通过报表系统，半自动地实现工厂状况的诊断和分析。协助实现生产自动化和工程自动化。其中最基本的以区域、产品和机器为不同视角的报表，定量化、自动显示出实际指标与目标值和历史值之间的差异，并向下挖掘到机器、产品的历史资料。

通过对每组机台、每个机台的产量、状态、闲置时间和不可用时间的精确控制， 来量化考核制造部门和设备维护部门的工作绩效。

大致架构如此：ERP（年月）→MES（Dispatching）（日/小时）→ Scheduling（分秒）。

1.3 传送系统：MHS

Automatic/Manual material handling system.MMHS在八寸及以下的晶圆厂中常有应用，而在十二寸的晶圆厂中，因单批次的产品重量为10公斤左右，所以必须借助于AMHS进行传送。一个功能强大且性能稳定的AMHS系统在300mm工厂里扮演了一个非常重要的角色。AMHS系统不仅可以有效地利用宝贵的洁净室的生产空间，并且还可以提高生产设备的利用率，缩短在制品WIP的Cycle Time，所以在很多的300mm的半导体工厂里，AMHS都被视为可以快速提升产能、增加生产效率的尖兵利器。

传送的系统设计又分为两大方面：区域间传送和机台间传送，即所谓Inter bay和Intra bay传送，后者即所谓T to T（tool to tool）。T to T的方式不仅减少了中间存储的空间需求，而且降低了传送时间，缩短了生产周期。系统设计的时候，必须要考虑到Inter bay和Intra bay的整合、工厂布局、搬送车辆和Stocker的选择等多种因素。

稳定性：由于全厂都在大规模地应用AMHS系统进行Wafer的搬送，所以一旦AMHS系统发生故障将导致全厂性的生产设备因没有可供生产的Wafer而停止生产，进而严重影响正常的生产运营。

高效性：与200mm半导体工厂的AMHS系统相比，300mm工厂的AMHS搬送量有了十倍以上的增长。在面对巨大搬送量的时候，如何确保全厂的搬送效率，在更短的时间内完成Wafer的搬送，对于AMHS系统而言是一个巨大的挑战。同时，AMHS系统搬送效率的高低，也将直接影响到生产设备的利用率。

在300mm工厂的生产车间内，洁净室的空间是极其昂贵的。而AMHS系统为了解决生产线上所有在制品WIP的存储保管问题，不得不占用大量的面积和空间。如何在满足存储和搬送要求的前提下，最大化地节省所占用的面积空间，是AMHS系统必须面对的一个难题。

1.4 其他

量测分析系统：EDA Reporting （Engineering data analysis）。制程控制系统：APC（Advanced process control、Feed forward system）； SPC & OCAP （Statistic process control、 out of control action plan）；DSS（dynamic sampling system）。机台自动化：EA （Equipment monitor system、Real time monitor、Constraint system、Preventive Maintenance system）， 因篇幅有限，不做赘述。

2 结语

半导体的生产，仍然处在不断复杂化的进程当中，目前的生产方式仍然面临着很多的挑战：需要兼具快、准且有弹性的客户服务；对机台生产率和整体产能利用率的不断追求；对海量数据的分析、制程数据的变动性降低、机器状况的随时监测等。

计算机集成制造的目标和愿景在于：

拟人化：由CIM的帮助，实现机器自动化，降低人为出错的风险，降低不同人员间生产指标的差异；提高人的生产效率，降低人员负担。

省人化：全自动化，以消除人为干扰，并结合决策支持系统，实现最佳的效率，节省人力。

超人化：结合生产周期的改善、产能的充分利用、准确的系统模拟和预测，达到客户的完全满意，做到超人化的境界。

作者简介：陈征，上海交通大学机械与动力工程学院工程硕士。