精益六西格玛在半导体材料生产线中的应用

蔡丽艳 郝玉清 安瑞阳 赵伟 刘佐星 刘云霞 郑捷 赵而敬 徐继平

摘要：半导体材料制造业是技术密集，资金密集的高技术产业，降低在制品数量，减少加工周期不仅可以快速满足用户的交货要求，还能降低成本，是企业提高市场竞争力的有效方法，本文讨论利用精益六西格玛方法论，实现上述目标。

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.

关键词：精益六西格玛；在制品数量；生产周期；效率

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

中图分类号：F273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0271-04

0 引言

精益生产简称“精益”，是以丰田公司为代表的新的生产方式，是通过组织结构、人员安排和运行方式等方面的变革，把生产过程中一切多余的东西都消除，最终达到零浪费并建立无间断作业流程的一种生产方式[1-3]。半导体材料生产线的特点为多品种小批量订单式生产，生产现场同时加工的产品规格种类较多；生产设备会因品种更换而不断进行调整， 生产过程的稳定性较差； 均衡生产组织难度大。与传统的大规模生产相比，半导体材料生产线主要存在在制品数量较多、生产效率低、生产周期长等问题，针对半导体材料生产线的上述特点及存在的问题， 利用精益六西格玛方法论改进生产线，使生产按需、经济、均衡、准时、安全地进行。精益六西格玛是精益生产和六西格玛质量管理理论相结合而产生的，消除过程中的浪费为其指导思想。中小型企业要实现良性运转，增强市场生存能力，提高竞争力，精益生产是必然的选择。本文中主要通过快速换模和价值流图来消除生产过程中产生的浪费，快速换模就是通过减少停产时间及调整时间，有效提高设备稼动时间[4-5]。价值流图是将现场生产中的物料信息的流动情况用简图描绘下来，对其进行分析，找出产生不增值的原因，并应用精益思想和工业工程方法提出改进方案[6-7]。半导体材料生产线中有以下主要工序：切片、倒角、磨片、腐蚀、喷砂、背封、抛光、出厂检验。

1 快速换模的应用

大多数制造企业生产的产品不会仅是一二种而已，少则数十种，多则数十种，多则数万种。不同类型的产品在生产的过程中往往有其不同的生产条件。例如不同的工具、模具、夹具，工作场所的温度、湿度，工作方法等等。因此，在不同类别的产品之间相互切换时，生产线必须更换并设定新的工作条作，这种更换设备的操作就称为“切换”。切换时，因生产停顿所耗费的时间就称为“切换时间”。由于快速换模技术是精益思想在设备管理方面的具体应用，具有很强的可操作性，所以在很多行业和企业都有成功的应用范例。例如，王卫刚等[8]把快速换模技术应用在某医疗器械企业，在基本没有额外的投资，技工的工时也没有任何增加的情况下，减少了换模时间约45%。王诗军[9]把快速换模技术应用在数控机床上，减少了换模时间一半。比利时的 Dirk Van Goubergen[10]把快速换模技术应用在食品工业的包装线上，在没有重大投资的情况下，缩短了换模时间约20%，提高了產量和生产柔性。

半导体生产线切片工序的硅片切割主要采用多线切割技术，多槽滚轮带动均匀缠绕其上的钢丝作高速运动，钢丝带动黏附的研磨砂对单晶棒产生磨削作用，从而达到对单晶棒进行片状切削的目的。其特点是一次可以切割一支单晶棒，但对于不同厚度的硅片，需要更换多槽滚轮，换轮一次滚轮的时间需要4个小时左右。

硅片在加工和使用过程中会受到片盒或机械手等物体的撞击，导致硅片边缘会产生应力集中而破裂，为了避免切片边缘崩裂，需要对其进行倒角加工，特别是硅片在进入元器件的制造过程中会有较多的热周期，这些加热或冷却的过程非常迅速，在某些区域会产生热应力，一旦热应力超过晶体的弹性强度，会产生差排及位错，而硅片的边缘正是热应力易于集中的区域，同时外延生长过程中锐角区域的生长速率会比平面高，这些都与元器件制造及外延过程中的工艺及设备有关，所以对于不同用户，相同厚度规格的硅片所需的倒角轮也可能不同，更换一次倒角轮需要一个小时左右[11-12]。

综上所述，切片机导轮用于固定厚度，倒角机倒轮用于固定边缘轮廓，且切片机换轮难于倒角机换轮。这就决定了不能完全用倒角工序来拉动切片生产，倒角机必须主动换轮适应切片的规格。这就在切片和倒角工序之间产生倒角机效率和在制品数量的矛盾，为了提高倒角机的使用效率，需要尽量减少换轮次数，但会在切片和倒角工序之间产生较多在制品，精益思想是关注浪费，消除浪费。快速换轮是减少换模浪费的有效途径。

SMED快速换模方法的全称是Single Minute Exchange of Die，是一种快速和有效的切换方法，快速换模法这一概念指出，所有的转变都能够并且应该少于10分钟。单分钟快速换模法是一种用来在不停设备的情况下，快速转换调整的方法，它将可能的换模时间缩到最短。它可以将一种正在进行的产品快速切换到下一产品。快速换模法能够常常是用于启动一个程序并快速使其运行，且处于最小浪费的状态。

倒角机换轮过程包括记录、换轮、清洁、调试，SMED小组通过换轮调查表，换轮损失表统计每台倒角机5个月平均损失206工时，每年倒角车间换轮损失工时平均为185天工时。圖1列出了各种倒角轮规格与加工数量的帕累托图，将1、2号，3、4号倒角轮分别组合成两个倒角轮，如图2所示，上面为原来的1号倒角轮，下面是新倒角轮，由原来1，2号倒角轮组合而成，左边为2号倒角轮，右边为1号倒角轮，旧的倒角轮只能加工一种规格的产品，重新设计后，新倒角轮可以实现在1号倒角轮和2号倒角轮这两种规格之间不换轮切换。通过合理安排生产，每台倒角机5个月平均损失降到67工时，这种改进减少了在制品数量，由原来的1万片左右降到6000片左右，不仅减少了资金占用，还缩短了交货周期，减少了调整过程中可能的错误，增加了生产线的柔性。缩短切换的停车时间意味着更高的使用效率。

2 价值流图及作业分析的应用

价值流管理是通过绘制价值流图，以精益生产角度来分析生产过程中材料和信息流动，可以把精益思想的基本原则融于改进实施过程之中，帮助企业进行系统化、持续化的改进，而这种改进不仅能够消除浪费，而且能够消除产生浪费的根源，使其不至于重复发生，为后续精益改善提供依据和方向[13-15]。价值流图（VSM）标明了工作流程， 它可以让我们知道产品从“点到点”的物料和信息流程。从图3价值流图（片段）发现A工序加工时间很短，但等待批次较多，造成周期延长，同样其后工序B也是等待批次较多，周期较长。这是因为A工序加工时间短，只有25.8分钟，能够快速将积压在制品完成，而B工序每批加工时间大于A工序每批加工时间，批加工时间为49.8分钟，从而造成B工序等待加工批次也较多，加工周期也较长。通过图4的作业分析，作业员工根据传统经验，A工序需要集中生产，每天按照班次来配比化学夜，上班配液，本班次用完就排掉。设备稼动率只有45%。利用精益六西格玛方法论，定义该工序设备稼动率为Y，影响Y的主要因子为设备的手动作业时间，利用鱼骨图分析，除了作业员工的人为习惯外，决定作业时间的主要原因是某一参数S随时间的变化而改变，导致无法完成作业。如果想继续生产，需要重新配液，增加了原辅材料的消耗，因此将在制品留给下一个班次加工。通过图5所示实验，一种情况连续加工5小时后，S值下降到临界15cm，超出该值将无法作业。第二种情况连续等待12小时不作业，S值下降到临界15cm。第三种情况如果按前工序生产节拍，按30分钟加工，30分钟等待作业，其S值在8小时后降到临界值15。采用断电等待2-3小时后再加热作业的加工方式要比加热等待直接作业的方式要好，加工时间可以达到12小时。改进措施：原有按班次排液的方式改进为当S值降到临界值15时排液；满负荷生产时采用产品随到就随时加工的间断作业方式，设备稼动率提高到76%；不满负荷生产时采用断电等待的作业方式，即可满足产品随到随时加工，同时又节省了原材料消耗。通过以上措施，A工序的平均等待时间将为0.5小时，B工序的等待时间也降为1.2小时，生产效率大幅提高。

3 流程改进及目视管理的应用

半导体材料生产线的背封加工工序具有可返工、设备较复杂及设备故障高的特点，为了压缩工序在制品（WIP），减少加工周期我们主要作如下改善：梳理流程，建立返工流程，并优先加工返工产品，改善生产现场，实行定置管理。建立合批区域，将每批的合格半成品存放在固定区域，挂牌标示返工次数、时间、数量，利于现场人员检查。返工产品存放专用区域，优先加工，做到物流信息流明细。具体做法如下：①整批转移，物卡同传，记录完整。每批产品在完成本工序所有流程后，把加工和检验记录填写完整，“工艺流程卡”填写完整后，方可转移至下一工序；操作员或检验员必须同时收到上一工序已完工或已检验完的产品和“工艺流程卡”，并核对物、卡的数量、状态情况无误后，方可开始工作。②“工艺流程卡”要求填写完整、规范合格，并随对应的已完成工艺加工和检验的产品批次一起流出半导体生产线。③对每个子批应给予一个与其它子批互不重复而又与原母批批号有渊源关系的子批批号，子批批号具有唯一性。前、后工序子批批号均在原母批批号后面增加一个连字符和一位阿拉伯数字组成，数字表示子批顺序号。

半导体材料背封加工过程具有通过把握返工产品的质量状态，有效控制返工过程并做准确记录，保证不因返工而造成产品的批次性质量问题存在。返工应遵循的基本原则：①集中完成。任一批次产品在同一工序的返工应集中在一起完成，以保证同次返工的状态一致。②控制返工次数。一般情况下，后工序产品在一个工序上只允许最多返工二次；前工序产品在光刻工序上允许返工一次，前工序产品在扩散、CVD、蒸发溅射和合金工序因热效应，一般不进行返工。

4 结论

本文通过快速换模的应用，使倒角工序的加工时间大大缩短，加工效率提高。通过绘制价值流图发现生产过程中的非增值操作，运用精益生产的原理和方法解决问题，减少或消除了非增值环节。通过流程改进和目视化管理，使生产现场得到了系统化的优化。最终提高了生产线平衡率，降低了生产成本。

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