基于RFID的数字化掩模制造

2017-09-03张鹏丁晗沈天翊胡超

电子与封装 2017年8期

关键词：掩模货品数字化

张鹏，丁晗，沈天翊，胡超

（无锡中微掩模电子有限公司，江苏无锡214135）

基于RFID的数字化掩模制造

张鹏，丁晗，沈天翊，胡超

（无锡中微掩模电子有限公司，江苏无锡214135）

介绍了中微掩模智能化生产系统，提出了利用RFID技术实现对掩模版制造流程的智能化管理。利用智能化生产系统提高了和客户之间的交互性，利用智能货柜系统实现了掩模版私有云制造。依托现有智能生产管理系统，提出了集成电路全产业链智能制造的概念。

掩模数字化生产；全生命周期管理

1 引言

掩模制造在集成电路设计制造产业链中位于IC设计与晶圆制造之间，是集成电路设计制造实物化的第一个阶段。无锡中微掩模电子有限公司经过多年信息化建设，已建成一套集掩模制版数据自动化处理、掩模订单生产管理系统、产品信息在线交互平台于一体的数字化管理信息系统。设计公司完成芯片设计后，可直接通过互联网将电路版图数据传输至掩模厂，并可完全通过在线方式进行掩模制版图形数据确认、在线下单、生产进度跟踪、质量反馈分析、物流信息跟踪等过程，直至掩模版到达晶圆厂；可实现全过程数字化、虚拟化、实时化的信息交互，而无实物掩模版交接。通过RFID与智能货架技术的应用，可实现掩模版从掩模工艺制作、光刻工艺使用、返厂维修到再次使用的全生命周期数字化管理。在0.13 μm工艺节点八英寸晶圆厂蓬勃发展、中国制造2025全面推进的大背景下，中微掩模成为国内集成电路产业链信息协同必不可少的一环。

图1 掩模制造全流程管理架构

2 掩模制版数字化设计

2.1 数字化进案

作为集成电路设计实物化的第一个阶段，掩模制造的第一个环节就是对接集成电路设计输出的电路版图数据。通常版图数据与掩模版制作要求会通过互联网，以数据形式传输至掩模厂。这一过程在掩模厂称为制版数据进案。

客户可以通过连接在互联网中的各类终端设备，例如PC机、平板电脑、手机等，随时随地下达订单，方便快捷。通过互联网将制版数据和掩模制版要求发送至掩模厂，摆脱了原来的纸质文件和光盘的传递，方便客户随时进案，也方便客户随时更新版图数据和制版要求。在数据格式方面，掩模厂针对不同行业的客户，支持各种格式的数据，包括GDSII、OASIS、DXF、CIF、MEBES等。数据安全方面，支持数据加密，包括对称与非对称加密，同时也支持通道加密，包括VPN、SSL等技术。

2.2 掩模制版数字化再设计

目前国内工艺相对较为成熟先进的六英寸与八英寸晶圆厂，在使用掩模版进行光刻工艺时，为了更好地控制产品质量，通常都会使用微缩光刻技术，使用成像图形5:1或者4:1倍率的掩模版。因此客户的版图数据一般都无法直接用于掩模制版。晶圆厂会要求掩模厂根据其工艺要求对版图数据进行再设计，生成相关工艺所专用的掩模制版数据。如图2所示，掩模制版数据数字化再设计过程是一个繁琐且复杂的过程。

图2 掩模制版数据再设计

通过掩模数据自动化处理平台，自动抓取制版要求，转化生成固定的脚本，并自动处理生成掩模制版数据。实现对客户数据的全自动数字化再设计，取代大量手工作业，提高数据处理的效率和准确率。

2.3 掩模制版数字化样品

随着集成电路制造工艺的不断发展，对掩模制版的要求也越来越复杂。为确保掩模制版的正确性，在实际进行掩模制版工艺制作之前，客户会对掩模制版数据进行一次确认。如图3所示，通过互联网访问掩模制版私有云平台，客户可以实时快捷地进行在线协同交互，对再设计生成的掩模制版数字化样品进行确认。

图3 掩模制版数字化样品确认

在客户完成确认，上线制作前，还需要再对掩模制版数据进行一次处理，加入掩模制造工艺参数，并处理生成曝光工艺数据。

通过互联网+掩模制版私有云平台，掩模制版数字化设计实现了快速自动化的数据处理，实时的在线协同交互可对客户要求进行快速响应，提升客户服务。

3 掩模数字化生产

掩模制版是典型的小批量多品种的混线生产模式。产品定制化程度高，可以说没有两块掩模版是一样的，同时掩模制版工序多且工艺复杂，数字化生产可以大大提高掩模制版的效率。通过MES制造执行系统，可实现数字化智能化的物料准备、排产调度、设备互联、工艺管理、远程监控等功能，实时掌控计划、调度、质量、工艺、设备、物料、运行等情况，使各相关部门及时发现问题和解决问题，最终建立规范的生产管理信息平台，使企业内部现场控制层与管理层之间的信息互联互通，以此提高企业核心竞争力。

净化间关键生产设备都接入内网，设备运行的关键参数都可以实时记录在数据库中。设备工程师可以随时通过MES系统监控设备的运行状态，及时采购备件。同时，MES系统可以实时反映每台机台设备的产品负载情况，为产品调度排产提供参考信息。

通过MES系统的建设，掩模厂实现了车间管理的数字化、智能化，其产生的实时数据对掩模制造私有云平台提供了数据支撑，使得掩模制版过程可以与客户进行实时信息交互。客户可通过手机微信、客户端网页和iPad等各种联网的移动设备随时随地了解产品的实时生产进度、物流状态和质量报告，同时可以反馈异常问题和在线沟通交流。用户可以通过手机随时随地查看自己产品的进度信息和预估完成时间，如有加急或者延期都可以及时知晓。传统的生产工艺线，客户无法知道产品完成情况，有时候会出现产品延期等突发情况，客户无法提早知道，因此提高客户和产品信息的交互性可以提高生产方和客户的效率，出现问题可以及时沟通解决。

除了采用云平台界面进行信息交互，也可采用客户自定义数据交互协议，进行更高效的定制化信息交互。

表1 客户自定义交互协议

MES系统的实施效果非常明显，极大地提高了工作效率、提升了准确率。以掩模产品合格证为例，由于行业的特殊性，掩模COA存在着种类多、项目多、标准多的特点。中微现有种类已达10种，项目多达100多个，标准也有10套，每套标准还有十多个级别和20个标准值。同时其数据来自多个部门和不同工艺步骤，数据收集汇总极其繁琐。未使用MES系统时，各部门和工艺步骤操作人员需要手动制作产品报表，产品相关的数据信息均需要手动录入和计算，再通过人工进行复核，平均一份最基本的产品合格证就需要花费1个多小时，而制作海外客户的合格证需要的时间更是多出一倍。手工作业不仅效率低下，准确率也无法得到保证，漏检情况也时有发生，后期产品管理也没有数据支撑。而MES系统很好地解决了这个问题，所有的掩模产品合格证都可以从系统中直接导出，并且系统能够自动匹配对应客户的标准自动卡控，每份产品合格证制作并检查只需要5分钟。MES系统的实施完全取代人工手动作业，数字化的生产有效地提高了工作效率和正确率，在无设备增加、各岗人员数量不变的情况下，成功支撑了公司产能从400片到10000片的突破，同时也为后期智能化生产提供了信息化支撑。

4 掩模版全生命周期数字化管理

射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)是近年来新兴的一项自动识别技术[1]。RFID利用射频的方式进行通信，从而对物品的信息进行识别和采集。RFID技术有许多突出的优点，如不需要人工干预、不需要光学可视即可完成信息的输入和处理，可以工作于各种环境，应用便利，操作简便，寿命长、数据安全[2]。RFID优点突出，逐渐被广泛应用于跟踪、交通、运输生产、设备管理、医疗、物流、防伪等需要进行数据收集和处理的领域[2]。随着微电子技术和大规模集成电路的发展，RFID产品的成本不断降低，因此RFID可以应用在工业生产领域中，如流水线生产自动化管理、物品管理、仓储管理等。

目前，许多制造型企业货品管理主要是基于相应规范的手工作业及电脑半自动化管理实现的，其弊病显而易见，即需要投入大量人力进行规范物品的放置、人工整理盘点以及手工出入库登记等工作，这使得货品管理十分繁琐，浪费大量时间。基于MES系统的货品管理系统，对货品各环节实施全过程控制管理，并可对产品进行产品名称、参数、批次、客户信息、配送、维保信息等记录，实现电子标签档案化管理，对整个生产、入库、货品查询、货品定位、出库、发货、物流、客户收货到返厂加工等各个环节的规范化作业，还可根据需求定制多种生产趋势图及统计报表。将RFID技术引入货品管理，淘汰了传统手工书写输入的步骤，解决数据信息陈旧滞后的弊病。掩模货品管理系统能帮助企业合理有效地管理生产货品的全流程，以快速、准确、低成本的方式为企业生产管理提供最好的信息化服务。

如图4所示，该系统主要由RFID超高频标签、超高频RFID手持端、RFID标签录入终端、智能货柜、智能制造系统、智能制造服务云平台六大部分组成。

通过已经定义的RFID标签，使每块掩模版都拥有唯一的“身份”编号，在掩模版的整个流转生命周期中，所有信息都会以这个编码记录，从而实现对掩模版管理的智能化和数字化。通过RFID标签读写器将掩模版的主要信息录入标签内，同时将掩模版的详细参数录入云平台数据库，建立该掩模版的电子档案，与掩模版标签相绑定。RFID标签管控了掩模版的物资流，实现了物资流与数据流的统一。掩模版RFID数据定义如图5所示。

图4 货品管理系统架构图

图5 掩模版RFID数据定义图

掩模制版过程中，通过扫描RFID，可将信息接入MES系统，每经过一道工序便将信息上传至服务器，并由系统处理后上传至云平台。在工序开始前，先进行扫码确认，确认是否是当前工序、基版类型以及预计工艺时间、当前产品预计完成时间等。工序结束后需要再次进行扫码记录信息。制版过程中数据、信息实时上传，为后续和客户的交互提供了支持。工艺工程师则可以对掩模版的参数进行实时监控和分析，提早发现问题，避免产品报废。

智能货柜系统（如图6所示）的引入进一步简化了生产过程中的物资流管理过程和掩模版的发货流程，大大节约了时间。智能货柜有着基版存取和智能发货的功能，工程师将一天所需的基板提前放入智能货柜中并分配RFID码，产线根据智能货柜的提示对产品进行生产。同时，每个工艺环节站点都配有智能货柜，工程师可以精确定位每块掩模版的物理位置，及其所经过的工艺过程。产品工艺结束后放回智能货柜，发货人员再根据货柜提示进行发货。智能货柜同时具备自动分拣功能，可根据不同客户的装箱要求，最大程度地节约物流成本，减少了人工分拣的工作量，提高发货的效率和准确率。

图6 智能货架系统架构图

货品发至客户单位后，客户利用其账户登录手持端，可通过扫描掩模标签确认货品参数和规格信息。客户在确认货品参数无误后，可点选手持端系统中的确认收货，完成收货作业，云平台数据库将该掩模版自动划入相应客户的数据库中。客户利用手持端扫描标签时，所有的扫描记录和确认收货信息将会上传至云平台数据库中，从而实现对掩模货品的物流及收货管理。

当掩模版在客户使用过程中出现问题或到期需要维护时，客户可通过扫描掩模标签，并在手持端中点选返厂维护选项，并填入相关备注及问题，告知厂家该掩模需要返厂维护，输入物流信息后，云平台将通知MES系统有掩模正在返厂的途中，提前排产。同时所有返厂维护、参数规格调整、出入库和收发记录将被云平台记录于数据库中，实现对掩模版的全生命周期数字化管理。

掩模制版是集成电路产业链中的一环，是连接IC设计和晶圆流片的纽带。依托RFID技术，以掩模版为媒介，通过智能货柜可推进产业链智能化生产管理。基于互联网，通过掩模制版云平台提高客户和掩模厂商之间的交互度、简化流程、降低产品出错率。利用互联网平台，使IC设计公司、掩模厂和晶圆厂商联系更紧密，大大减少集成电路最终产品的生产周期。

5 展望

在国内十二英寸晶圆线大力发展的时代背景下，在28 nm、14 nm先进工艺平台基础上，建立面向工艺、检测、量测、修补的统一数据链。基于并行运算架构与多协议远程安全接入技术，进一步打造高性能掩模数据设计、处理、制版私有云平台。通过技术手段的提升，带动生产流程的优化与管理方式的提升，实现掩模制版过程的自动化和数字化。

借助传感器、机器人、大数据、物联网等新兴技术，使产线设备具有数据加工与判断能力，设备网络化与数据采集自动化，生产与信息化进一步融合，彻底实现设备智能化、生产自动化、生产现场信息化，进一步提升掩模制版智能化水平，打造“黑灯工厂”。智能化生产系统及过程，以及网络化生产设施的实现，涉及整个企业的生产管理、物流管理，实现人机互动，最终从以人为主要决策核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行转变。

推进掩模制版私有云平台与公有云对接，参与全社会化、全产业链的云制造、柔性生产。积极响应“中国制造2025”，推进“信息化”与“工业化”的两化融合，通过对接集成电路工业云平台，实现掩模制版与集成电路产业链上下游之间的信息共享、数据交互、业务协同，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平，最终实现全产业链的智能生产。

6 结论

本文介绍了中微掩模电子有限公司的智能生产系统，利用RFID技术实现了掩模制版的智能化管理。数字化的物料准备、排产调度、设备互联、工艺管理、远程监控大大提高了制板的效率。掩模制版私有云平台的引入也提高了和客户之间的交互性，让客户可以实时了解产品的动态。智能货柜的引入进一步完善了智能生产系统，实现了企业私有云制造。目前的生产系统还可以进一步升级，借助新兴的物联网技术可以实现由自动化工厂到智能化工厂的转变，对接IC设计公司和晶圆厂实现全产业链的智能生产。

[1]吴永祥.射频识别(RFID)技术研究现状及发展展望[J].微计算机信息,2006,22(11Z):234-236.

[2]李成渊.射频识别技术的应用与发展研究[J].无线互联科技,2016(20):146-148.

Digital Mask Manufacturing Based on RFID

ZHANG Peng，DING Han，SHEN Tianyi，HU Chao
（Wuxi Zhongwei Mask Electronics Co.,Ltd.,Wuxi 214135,China）

In the paper,an intelligent production system for Wuxi Zhongwei Mask Electronics Company and RFID-based intelligent management of mask manufacturing process are presented.The use of intelligent production systems enhances the interaction with customers.The private cloud manufacturing of mask is realized by the intelligent container system.Based on the existing intelligent production management system, the conceptofintegrated circuitwhole industry chain intelligentmanufacturing isproposed.

digitalmask manufacturing;full-lifecycle management