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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.
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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.
系统本科论文的写作方法
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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.
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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ߎ
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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.
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