半導體制造有如下三方面特性：一是資金密集，生產設備昂貴；二是工藝技術復雜，良率要求高；三是產品線種類復雜，生產流程差異大，產品交期控制嚴格。

    首先，半導體制造是資金較為密集的制造行業，目前主流的八寸晶圓（200mm）的制造工廠，平均耗資接近10億美金； 目前的先進制程，十二寸晶圓廠（300mm）的生產線耗資達20億美元左右。例如Intel在大連正在興建的十二寸晶圓廠，投資計劃即為25億美元。普通八寸晶圓廠，一般的生產設備，動輒售價兩三百萬美元以上，最昂貴的光刻機，價格接近1000萬美元。 所以，需要通過自動化管理和計算機集成制造，精確規劃，最大程度地利用資源，避免任何的產能損失。并且通過分析，不斷提高機器的產能。

    其次，半導體工藝復雜，早已達到納米級的生產精度。半導體制造的趨勢當中，最突出的一個就是IC的尺寸不斷縮小，密度在持續增長。20世紀60年代中期提出的摩爾定律，在此后的40多年里依然準確地指導著整個行業的發展。目前，復雜元器件如CPU、GPU等，制造的線寬已經發展到32納米左右，包括上海的中芯國際，都已經突破此技術難關。相應的，還有制程資料量的指數級成長，必須仰賴強大的資料處理能力及知識管理系統，進一步萃取及資料分析、建立模式，才能達成精細控制的需求。

    最后，半導體產品復雜，為大規模定制的生產特性。除去CPU、DRAM主要被Intel、Samsung壟斷外，絕大多數的半導體工廠，產品線都不單純，涵蓋包括“3C”的范疇內，少則數十種、多則上百種的不同制程的產品。3C即為Computer、Communication、Consumer。林林總總的芯片，其技術上又可分為邏輯、模擬、混合等數大類，生產流程上也是大相徑庭，生產周期也大不相同，從20天到3個月不等。并且為了搶占市場先機，整個生產周期的要求不僅快速，而且需要精準，并且要面臨緊急插單、撤單、加量或者提前交貨等狀況的發生，背后都需要CIM的支持。

    因為如上三大類特性，半導體制造工廠必須達成多、快、準、好、省的經營目標。工廠整合晶圓搬運系統及知識流系統以符合快速變動的業務需求。全廠自動化：整合供應鏈、計劃生產、制造執行系統、派工系統、機臺自動化以達成全廠區生產自動化。制造知識整合：整合工程資料分析系統、先進制程控制、制造工程系統與知識管理系統。

    整個架構從客戶敲入訂單開始，首先進行供應鏈和制造之規劃，進入工廠；其次工廠集合制造執行系統、派工系統、傳送系統、量測分析系統、制程控制系統、機臺自動化系統等循環；最終定期向客戶交出合格的產品。

1　具體系統設計

1.1　制造執行系統：MES

    從最基本的批量產品的存儲、運送以及機臺操作開始，首先引入了barcode或者RFID的身份識別系統。RFID的基本應用，即為機器的track in/out功能、電子貨架的連線顯示功能。

    RFID中存儲批貨標示、下一站應處理區域、應處理功能、優先等級甚至容器需要清洗時間等信息，并在進出機器時實時更新，防止大量在制品的混批和丟失的風險。機器track in后，不僅自動選擇需要處理的程序，避免人為選錯的風險，而且可以自動去比對機臺狀態、污染參數、是否有特定限制等。

1.2　派工系統：Dispatch

    首先，根據客戶需求的交期、優先等級、質量方面的緊急程度、限制條件等等做最基本的派工。

    其次，通過報表系統，半自動地實現工廠狀況的診斷和分析。協助實現生產自動化和工程自動化。其中最基本的以區域、產品和機器為不同視角的報表，定量化、自動顯示出實際指標與目標值和歷史值之間的差異，并向下挖掘到機器、產品的歷史資料。

    通過對每組機臺、每個機臺的產量、狀態、閑置時間和不可用時間的精確控制， 來量化考核制造部門和設備維護部門的工作績效。

    大致架構如此：ERP（年月）→MES（Dispatching）（日/小時）→ Scheduling（分秒）。

1.3　傳送系統：MHS

    Automatic/Manual material handling system.MMHS在八寸及以下的晶圓廠中常有應用，而在十二寸的晶圓廠中，因單批次的產品重量為10公斤左右，所以必須借助于AMHS進行傳送。一個功能強大且性能穩定的AMHS系統在300mm工廠里扮演了一個非常重要的角色。AMHS系統不僅可以有效地利用寶貴的潔凈室的生產空間，并且還可以提高生產設備的利用率，縮短在制品WIP的Cycle Time，所以在很多的300mm的半導體工廠里，AMHS都被視為可以快速提升產能、增加生產效率的尖兵利器。

    傳送的系統設計又分為兩大方面：區域間傳送和機臺間傳送，即所謂Inter bay和Intra bay傳送，后者即所謂T to T（tool to tool）。T to T的方式不僅減少了中間存儲的空間需求，而且降低了傳送時間，縮短了生產周期。系統設計的時候，必須要考慮到Inter bay和Intra bay的整合、工廠布局、搬送車輛和Stocker的選擇等多種因素。

    穩定性：由于全廠都在大規模地應用AMHS系統進行Wafer的搬送，所以一旦AMHS系統發生故障將導致全廠性的生產設備因沒有可供生產的Wafer而停止生產，進而嚴重影響正常的生產運營。

    高效性：與200mm半導體工廠的AMHS系統相比，300mm工廠的AMHS搬送量有了十倍以上的增長。在面對巨大搬送量的時候，如何確保全廠的搬送效率，在更短的時間內完成Wafer的搬送，對于AMHS系統而言是一個巨大的挑戰。同時，AMHS系統搬送效率的高低，也將直接影響到生產設備的利用率。

    在300mm工廠的生產車間內，潔凈室的空間是極其昂貴的。而AMHS系統為了解決生產線上所有在制品WIP的存儲保管問題，不得不占用大量的面積和空間。如何在滿足存儲和搬送要求的前提下，最大化地節省所占用的面積空間，是AMHS系統必須面對的一個難題。

1.4　其他

    量測分析系統：EDA Reporting （Engineering data analysis）。制程控制系統：APC（Advanced process control、Feed forward system）； SPC & OCAP （Statistic process control、 out of control action plan）；DSS（dynamic sampling system）。機臺自動化：EA （Equipment monitor system、Real time monitor、Constraint system、Preventive Maintenancesystem）， 因篇幅有限，不做贅述。

2　結語

    半導體的生產，仍然處在不斷復雜化的進程當中，目前的生產方式仍然面臨著很多的挑戰：需要兼具快、準且有彈性的客戶服務；對機臺生產率和整體產能利用率的不斷追求；對海量數據的分析、制程數據的變動性降低、機器狀況的隨時監測等。

    計算機集成制造的目標和愿景在于：

    擬人化：由CIM的幫助，實現機器自動化，降低人為出錯的風險，降低不同人員間生產指標的差異；提高人的生產效率，降低人員負擔。

    省人化：全自動化，以消除人為干擾，并結合決策支持系統，實現最佳的效率，節省人力。

    超人化：結合生產周期的改善、產能的充分利用、準確的系統模擬和預測，達到客戶的完全滿意，做到超人化的境界。

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本文標題：晶圓制造中的ERP/MES自動化管理

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