FMCS系统在FAB厂房中的应用

石贵春

（合肥长鑫集成电路有限责任公司，安徽合肥 241000）

FAB 厂房通常又称晶圆厂房，而芯片制造是在FAB 厂房中利用硅晶圆作为低衬，并在硅晶圆上进行电路设计制造，最终成为芯片的一个过程。芯片制造是在超高洁净度及温湿度的环境下，同时伴随大量物理、化学反应，整个生产加工工艺极其复杂。以移动终端中的高端动态存储器芯片为例，整个生产过程从硅晶圆涂膜开始到最终功能实现需要200多道工序，同时需要60d 时间才能完成。

芯片制造首先将完好的硅晶圆投入产线，进行涂膜光刻胶，然后利用紫外光进行曝光，在光刻胶层形成电路图案，随后将晶圆浸入刻蚀药剂中进行刻蚀，最后导入特定杂质完成掺杂和镀膜，并不断重复上述工艺过程，最终在晶圆表面沉积绝缘层来保护晶体管。如图1所示。

图1 芯片制造工艺流程

1 FAB厂房的特点

从上述工艺流程可以看出，芯片制造工艺技术要求苛刻，工序复杂。在整个制造过程中多次循环使用光照设备、刻蚀设备、离子注入设备、抛光设备等。以核心生产设备光刻机为例，为保持光刻机的生产精度，整个运输过程中必须要保持23 ℃的恒温状态，同时对该设备的运行条件要求则更为苛刻，涉及温度、湿度、洁净度等。因此，为保障整个生产过程的不间断及各关键设备的安全运行，还需要洁净系统、超纯水系统、特气系统、化学系统、真空系统、研磨液系统等各子系统与其密切配合。总的来说FAB 厂房有如下特点和难点：

（1）建筑体量巨大，结构复杂，一般为多层单向流洁净室，洁净室多为大跨距重载荷桁架结构，对抗微震要求也极高。以12吋芯片厂房为例，单条生产线仅洁净室面积可达上万平方米，整座厂房建筑面积可达数十万平方米。

（2）复杂的生产工艺对生产环境与各项公用动力和工艺动力系统要求极其严格。芯片生产区净化空调系统洁净度等级高，一般为4.5级到1级，同时环境的风量、温度、湿度、压差、照度、洁净室截面风速等均需要严格受控。另外芯片生产对静电要求极其严格，尤其对于湿度敏感，在过于干燥的FAB 厂房极易产生静电，造成CMOS 损坏。一般来说，FAB厂房的温度严格控制在22 ℃左右，相对湿度控制在50%～60%之间（特殊的洁净区域有相关温湿度规定）。洁净室面积越大，处理难度也就越大。

（3）芯片生产制造过程中涉及到超纯氮、氧、氩、氢、氦、二氧化碳等大宗气体，各种类型的特殊气体，化学品和超纯水的供应，同时也需要对各种流体进行监测，确保其安全稳定供应。

（4）芯片生产制造同样对电源的供应要求极其苛刻，生产中的任何电力供应中断或异常电压波动，都会造成大量原材料的报废和设备的损坏，造成重大经济损失和社会影响，同时打断该行业的正常供应链，短期内无法恢复正常生产。

鉴于此，针对传统的冶金、化工、建材、石油等重工行业，自动化控制系统一般都是各自为政，在每个车间配备专门一套PLC 或者DCS 便能满足生产的需要，传统的PLC 或者DCS 控制模式已无法满足芯片生产复杂工艺以及各系统的现代化管理需求，于是FMCS 系统便应运而生，利用FMCS 系统便可以对工艺设备和各辅助系统的有关参数、状态等实现过程控制、调节、记录、报警。

2 FMCS系统简介

FMCS（Facility Management Control System）是通过统一的通信接口和通信协议连接至相关系统和成套设备，以实现FAB 厂房的自动化控制功能，并将其关键数据整合到FMCS 系统中，实现在统一的平台上进行监视与控制、故障报警和历史数据存储，降低了厂务运维成本及管理难度，有效提升了厂务管理水平。

3 FMCS系统的功能及组成

FMCS 系统在FAB 工厂中主要实现PLC 的控制功能和满足其他子系统的接入。FMCS 系统主要包括监控工作站、系统数据服务器、网络通信设备、现场PLC 控制柜、远程I/O 柜、各类仪表、阀门等。

3.1 FMCS系统的功能

（1）PLC 控制功能。FMCS 系统可以对洁净室、冷热水系统、工艺真空系统、清扫真空系统、酸碱废气处理系统、有机废气处理系统、一般排风、工艺冷却水等系统直接参与监控。

例如，洁净室的洁净度、温度、湿度、压力、新风量等，监控对象有空调新风机组、排风机组、洗涤塔、干盘管、FFU 等。冷冻水控制系统为空调、盘管、热交换器等一系列设施提供冰水，主要监控对象为冷冻机、水泵、水温、流量、管道压力、阀门及其他设备。热水控制系统对热水系统监控主要涉及空压机热回收利用温度控制和燃气锅炉的通信、水温、水泵、热水的压力监控。

（2）其它子系统的接入。FMCS 系统还需要满足电力监控SCADA 系统、消防系统、压缩空气系统、纯水制备系统、废水处理系统、大宗气体系统、特气系统、化学品供应系统、研磨液系统、特气侦测系统等系统的接入。这些系统本身专业性比较强，并且有自己的控制方式，独立成体系，FMCS 系统需要将其整合并纳入管理范畴。

3.2 FMCS系统的组成

FMCS 系统在完成常规PLC 控制以外，需要整合众多子系统，所以其本身具有稳定性强、数据吞吐量大、集成度高的特点，以实现传统行业自动化控制到先进电子厂房自动化控制的提升。系统中的数据服务器、操作站和工程师站均通过一个高速以太网连接，通过以太网可以与下级LOCAL SCADA进行数据交换。工艺子系统如WWT，UPW，GAS，MEP，CHEMICAL，BGAS 也通过该以太网连接在一起，进行数据交换。控制工艺过程的各子系统设有LOCAL SCADA，通过标准的以太网接口可将LOCAL SCADA 连接到FMCS 数据服务器上。FMCS系统的控制层次结构大致可以分为4个层次：设备资料收集层、单元控制层、子系统管理层、集中管理层。

（1）设备资料收集层。设备资料收集层由传感器、电动阀、变送器、马达启动器、控制阀、电磁阀、限位开关及其他驱动器等设备单元所构成，经由工业控制网络上传至单元控制层，其控制由单元控制层来完成。

（2）单元控制层。单元控制层包括可完成单元控制层操作的软件和硬件，实现对设备资料收集层设备单元的数据采集，下发控制命令，监视现场控制情况的功能。单元控制层受子系统管理层的监督和管理。

（3）子系统管理层。子系统管理层包括各PLC控制子系统的现场SCADA 软件和硬件，如洁净室、冷热水系统、工艺真空系统、清扫真空系统、酸碱废气处理系统、有机废气处理系统、一般排风、工艺冷却水等，同时也包括其它各子系统，如电力监控SCADA 系统、消防系统、压缩空气系统、纯水制备系统、废水处理系统、大宗气体系统、特气系统、化学品供应系统、研磨液系统、特气侦测系统等厂务系统的现场SCADA 软件和硬件。所有这些子系统均要求在集中管理层进行监视。在这一层，通过现场SCADA 工作站可进行参数的设定和修改，可以监控最底层设备资料收集层的所有情况。

（4）集中管理层。集中管理层相当于人的大脑中枢，包括所有监控各子系统的用户工作站及工程师站。各子系统将在集中管理层进行整合。在集中管理层可进行参数的设定和改变、人工干预及事件分析，可以监控所有设备在底层的工作运行情况，可进行执行报告、趋势分析、系统配置及流量分配、能量消耗等管理，可生成底层执行情况的所有操作图表和报告等。

3.3 网络通信

FMCS 系统中专用控制的以太网负责PLC 与PLC 之间点对点的通信，同时也提供PLC 现场控制器与LOCAL SCADA 工作站之间的高速数据通信。FMCS 中的综合管理总线负责以太网在LOCAL SCADA 工作站及打印机之间提供高速数据通信。PLC 与现场仪表之间的连接采用DB 总线。对于就地仪表，直接采集现场的控制参数和状态。

4 FMCS系统的价值

FMCS 系统的价值主要体现在如下几个方面：

（1）实现信息互通：FMCS 系统将原单一网络整合为一个整体，实现了信息的互通有无，在集中控制室可以迅速了解底层任何设备的状态及参数。

（2）提高管理绩效：传统的仪表控制系统是通过工厂操作管理人员人工对工厂的设备进行开关调节。采用FMCS 系统可以在中央控制室完成调节控制工作，也可以由计算机内部的软件自动控制调节设备的参数及开关状态，真正做到管理的自动化，大幅提高管理绩效。

（3）降低运行维护的困难：FMCS 系统可以不断地、及时地提供设备运行状况的报表，集中收集、整理作为设备管理的决策的依据，实现了设备维护工作的自动化。报表包括历史数据、动态趋势、设备诊断等。

（4）降低运行及扩充成本：FMCS 系统的应用使设备在统一的管理下始终处于最佳运行状态，按照设备的运行状况制定维护保养报告，提示管理人员对设备进行维护、保养，避免超前或延误维护、保养，相应延长设备使用寿命，避免突发性设备损坏。除此之外，FMCS 系统在建设初期已建立相关共同技术规范，设备型号及版本相互统一，有利于扩充计划时成本的控制及设备的兼容。

（5）安全操作规范管理：FMCS 系统可以根据管理人员的不同职务，给予不同的操作权限，同时可赋予不同等级的密码，在管理人员亮明身份密码后，计算机便记录下使用人员的相关信息，使整个操作过程更加安全和规范。

5 工程实例

某大型半导体芯片制造工厂，为12 吋生产线，洁净室面积约为3万m2，建筑面积约50万m2。

FMCS 监控系统硬件设备包含：监控计算机、服务器、交换机、网络机柜、电子显示屏、拼接大屏、电力及消防指示流程版、实时对讲系统、震波振动系统等。

FMCS 监控系统软件设备包含：SCADA 图控（iFix）系统、厂务E 化报表系统、SPC 警报统计管理系统、AMS 图控报警简讯同步发送功能、iFMCS点位新增功能、大屏矩阵切换软件、电子显示屏操作软件、E 化手机巡检系统、震波振动系统等。

FMCS 监控系统网络架构由12台聚合交换机与1台核心交换机组成环网，其余接入交换机为星形连接方式接入到汇聚交换机，各子系统的网络设备再接入到各处的接入交换机。

FMCS 监控系统中的各子系统的SCADA 所用驱动主要以SI7为主，少部分为S7A、IGS 和现场的西门子或欧姆龙PLC 进行通信。

依据以上硬件及软件设施，建立一套可以整合全厂务各系统控制、监视的厂务监控系统，并具有可靠、易于操作和维护的特征，以便于厂务人员对各子系统的运作状态可以充分掌握，各系统如有任何状况，可由FMCS 系统资料存储库的历史资料或报表数据，提供设备维修、故障排除和分析的解决方案。

FMCS 系统主要包括了一般空调系统、洁净空调系统、空气系统、真空系统、冷冻站系统、废水系统、纯水系统、大宗气体系统、特气系统、电力监控系统、漏液侦测系统、气体检测系统、化学品系统、排气系统等，如图2所示。

图2 某工程FMCS系统系统架构

6 结语

芯片生产超高精度的复杂工艺以及对设备运行环境、生产原料纯净度等方面的严苛要求，均对FAB工厂的精细化管理提出了更高要求，传统的自动化控制方式恐难以满足FAB工厂的管理要求，而 FMCS系统解决方案是将FAB工厂各系统的底层监控资料利用Ethernet、控制器、通信设备等逐层整合至中央监控设备，形成全厂监控系统，便于互通全厂信息、提升整体管理绩效、降低投资运行和扩充的成本，提高了安全操作规范管理，应得到广泛推广和应用。