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晶圆制造中的自动化管理

2013-08-22 15:26:35作者:陈征来源:

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。...

  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 Maintenancesystem), 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。


(本文不涉密)
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