半导体晶圆制造车间层控制的内容及方法

天气

半导体晶圆制造车间层控制的内容及方法
邵志芳，钱省三
（上海理工大学工业工程研究所微电子发展研究中心，上海 200093）
摘要：半导体晶圆制造企业是资本密集、技术密集型产业，晶圆制造厂也是公认生产最为复杂的工厂之一。产品更新换代快、市场竞争激烈等特点使得投资者对设备产能和设备利用率高度重视。这已不仅仅是技术问题，而是生产制造过程管理的问题。本文介绍了半导体晶圆制造车间层控制的内容及方法。
关键词：车间层控制；投料策略；实时调度
中图分类号： TN305.97 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2003)09-0048-04
1引言
半导体晶圆制造厂是公认生产管理最为复杂的工厂之一，因为其生产过程有许多异于传统的工艺特性，例如工件再回流的现象、成批加工、作业等候时限、高良率要求、机台高当机率等，以致于一般都将交期不准、在制品（Work-in-process/ WIP）过高、周期时间过长等问题归咎于其生产管理的复杂度高及系统的不稳定。同时，晶圆制造属于资本密集型产业，其设备投资庞大，运作成本高昂，使得投资者极为重视投资效益，不愿任何一台设备闲置而浪费产能，于是不断追求所有设备的完全利用，其绩效指标的追求除了交期、WIP及周期时间外，还要求机台的使用率。这些显然已经不是技术层面上可以解决的问题，而是生产制造过程管理的问题 [1]。
生产制造过程的管理按其内容可分为生产系统的性能评价、生产计划和车间层控制[2]。这几个问题是相互关联的，性能评价是评估现有系统（配置固定）的性能，而不是优化系统性能的某些指标，它常评价不同设备配置及瓶颈设备附加能力对生产线的影响，是生产计划、车间层控制的重要输入，也是优化系统配置的主要指导。生产计划一般指高层长期生产能力的安排和分配。车间层控制是生产计划的细化和实现，它将基于能力（工时）的较长期计划转化为实际工件的实时加工序列。一般来 说，车间层控制有两类决策任务：一类是决定何时投入多少工件进入生产线，称为投料策略，它涉及生产速率、生产能力现状、实际定单情况、WIP 情况等问题，常和实时调度处理统筹考虑。另一类是安排生产线中各类工件在各类设备上的实际加工序列和开始时间，称为实时调度策略，它涉及实时设备状况、实时WIP情况以及产品的工序流程 [3]。本文对半导体晶圆制造车间层控制的内容和方法作一介绍。
2投料控制
投料控制是保证系统平顺生产的重要前提，对投料的合理控制将为后续的优化调度提供重要保证，达到提高设备产量和设备利用率、增加系统产出的目的。而不合理的投料将直接导致系统效益的降低。根据著名的Little 公式
N=λT
其中N为系统中的WIP量，T 为平均制造周期，l为投料速率或产出速率。
也就是说，对于固定的投料速率或产出速率来说，WIP水平的降低将缩短制造周期，而过多投料将造成系统中WIP数的增高。由于晶圆制造系统存在以下几个特点：（1）晶圆片对环境有着近乎苛刻的要求，整个制造过程要在“洁净室”条件下进行，暴露在空气中的时间越长，被污染的可能性越大；（2）WIP有“最长等候时限”的限制，在机台前的等待加工时间超过“时限”，将引起器件失效而需要重做；（3）晶圆制造是面向定单的多品种、小批量、带“回流”的资源受限型加工线，需要满足多种客户对交货期的不同要求。因此，过高的WIP数一方面会降低良率，另一方面也将造成交期延长。而过少的投料带来的是某些机台的闲置，造成系统资源的极大浪费。由于半导体制造投资巨大、竞争激烈、设备折旧迅速等特点，资源闲置是投资方竭尽全力要消灭的“首要大敌”。
在实际运作过程中，为了追求机台的高利用率，当某机台闲置时，管理者将通过投料来满足利用率，因此容易造成过早投料的情形；或者为了追求机台的利用率最高，则必须相对的投入大量的在制品，但是，过多的WIP也将导致生产周期延长，资金成本的过早投入以及良率的下降。此时，管理者将因为WIP及周期时间升高而被要求降低WIP及周期时间。有时，为了避免机台故障、重加工、维修保养等对机台的影响，管理者往往也以增加在制品来保护系统，这似乎意味着可以达到机台的高利用率，殊不知这反而使系统处于极端不稳定的状态，一旦设备发生故障，当初源源不断的供料将造成该机台WIP量的急剧增高[1]。简言之，投料控制对晶圆制造车间具有重要的现实意义。
实际使用和仿真研究表明，不同的投料策略对系统性能的影响很大，特别是在半导体制造系统，不同的策略会产生差距很大的系统均衡性、生产率、WIP水平和制造周期。因此，根据生产系统特点选择不同的投料策略是提高系统运行性能的重要前提。在半导体制造车间，常用的较为简单的投料策略有固定时间间隔投料、按随机泊松流来投料、基于TOC（Theory of Constrain）理论的投料策略和Duenyas[4]提出的CONWIP投料策略等。基于TOC理论的投料策略是指根据瓶颈机台的加工状况决定投料情况，把重点放在瓶颈工序上，保证瓶颈工序不发生停工待料，提高瓶颈工作中心的利用率，从而得到最大的有效产出。CONWIP策略是指当一个工件离开系统时，一个同类的新工件有权进入系统，从而保持Fab内WIP整体水平的不变，而对于不同种类的工件，其WIP数可以不同。
此外，较为复杂的投料策略如避免“饥饿法” 投料策略，通过定义一个实际WIP水平，在该WIP水平下，目前Fab内的所有Lot流动到瓶颈工作站并完成加工所需的时间作为期望时间，如果该期望时间小于一个Lot从投入Fab到到达该瓶颈工作站所需的时间T，瓶颈工作站将发生停工待料，即产生“饥饿”，因此，当WIP水平小于这个时间周期 T时，则进行投料。该法的缺点在于假设Fab内只有一个固定的瓶颈部分，而在实际制造环境中，瓶颈的位置可能会随着同时在线上流动的产品的品种混合不同而发生漂移。后来通过利用当前的WIP位置、容量和流动时间估计来预测所分布的各个Lot到达每一个工作站的时间，该法的思想被扩展到有多个瓶颈的环境。如果所有工作站的队列水平降到安全水平以下，则进行投料。
不仅如此，对投料的控制还体现在对定单的选择上。除根据定单生产周期、交货时间缓急投料外，加工工艺路径的长短、对瓶颈机台的占用时间、线上WIP数的多少等等都是投料时需要考虑的因素。
3实时调度
在一般制造系统中的生产调度是针对一项可分解的工作（如产品制造）探讨在尽可能满足生产条件（如交货期、工艺路线、资源情况）的前提下，通过下达生产指令，安排其组成部分（操作）使用哪些资源、其加工时间及加工的先后顺序，以获得产品制造时间或成本的最优化[5]。实时调度是指当出现设备空闲时，按何种决策选择下一个要加工的工件，这些工件竞争使用该设备。而在半导体制造车间，由于存在随机性的设备故障、不确定性的重做以及机台的维修保养等情况，事前的调度计划往往不能被很好地执行，因而实时调度对其生产过程管理显得更为重要。
在实际运作中，目前在一些半导体厂还存在 “操作工权限过大”问题，造成实际在进行实时调度的是操作工而不是管理者。如有的半导体厂工作量与工资直接挂钩，操作工完全按照自己的主观意愿来决定工件的加工顺序，因此一些工作量大的工件被首先选择进行加工，而完全不考虑机台利用率、良率、交期等因素，后果可想而知。
对生产加工任务进行调度的最传统的方法是使用调度规则。已经有许多调度规则被应用，因其简单、易于实现、计算复杂度低等原因，能够用于动态实时调度系统中。文献[6]总结了113条在实际生产经验中产生的规则，并将它们按形式分为简单规则、复合规则和启发式规则。
由于这些规则多是在经验的基础上产生，在现场实际应用中取得了一定的效果。目前一些半导体厂最为常用的简单实时调度规则有以下几种：
● FIFO—— 先进先出，应用于简化作业方式，或MES派工功能不良；衍生LIFO，后进先出，应用于量测、检验；
● SPT——最小加工时间派工法即好吃的先吃，应用于不考虑交期因素时，对单一机台加工 Cycle Time以及瓶颈机台使用率比较好；
● EDD——要交货日期近者优先，应用于后拉式生产管理；
● SRPT——最小剩余加工时间派工法，可缩短流程周期时间；
● SNQT——下一个步骤最小等候时间派工法；衍生：SNQL下一个步骤最小等候线派工法；
● CR——Critical ratio；
● Random——随意；
● Look Ahead——比较等候线中每一个工件到达下一个加工步骤将会遇到的等候情形，从而选择等候线最短的工件来加工；
● Simulation Base——以模拟方式决定加工批量。
基于经验的调度规则虽然使操作工在选择加工件时有章可循，并且取得了一定的优化效果，但由于其自身的局限性，往往容易陷入局部最优而难以达到整体最优或近优的状态。因此，寻找一种科学的方法对生产系统进行调度优化，从而达到系统的最大产出，成为半导体制造管理者关注的焦点。已有的研究虽然取得了一定的成果，但距离实际应用尤其是实时调度还存在很大差距。这些方法包括：
（1）基于运筹学的方法。该方法是将生产调度问题转化为数学规划模型，采用基于枚举思想的分支定界法或动态规划算法求解调度问题的最优解或近似最优解，属于精确算法。对于复杂的问题，尤其是生产特点有别与传统的Job-shop和Flow- shop型半导体晶圆制造业，这种纯数学方法有模型抽取困难、运算量大、算法难以实现的弱点，对于生产环境中的动态调度实现复杂，解决不了动态及快速响应的问题。
（2）基于仿真的方法。仿真通常被定义为所建立模型系统的动态行为的再现。基于仿真的方法不单纯追求系统的数学模型，同时侧重于对系统的逻辑关系的描述，能够对生产调度方案进行比较评价。由于制造系统的复杂性，很难用一个精确的解析模型来进行描述和分析，而通过运行仿真模型来收集数据，则能够对实时系统进行性能、状态等方面的分析，从而为采用合适的调度方法提供依据。仿真方法被证明是分析带“重入”的生产系统调度策略的一种很有用的方法。但在实际应用中，仿真方法也存在一定的问题，如冗长的计算时间和设计，建立、运行仿真模型的高费用；此外，仿真通常是计算机专家在计算机程序中建立起来，而不是由制造业的专家所创建，所以经常难以保证模型是真实系统的精确表达。
（3）基于离散事件动态系统（DEDS）的解析模型方法。由于半导体晶圆制造系统是一个典型的DEDS系统，可用研究DEDS系统的解析模型和方法进行研究，如排队论、极大/极小代数模型、Petri网模型等。其中，Petri网模型以其对DEDS 系统的强大描述能力以及完备的数学基础成为学者进行半导体晶圆制造系统性能分析及调度优化的热点工具。但目前Petri网模型也存在语义不够丰富、节点的指数倍增长等诸多问题，有待进一步改进。
（4）基于知识的方法。主要包括智能调度专家系统、基于约束的方法以及一些基于智能搜索的算法。其中，智能调度专家系统是人工智能应用的体现，由于专家系统中知识获取和推理速度这两个瓶颈，使得神经网络逐渐被采用，但还存在训练速度慢、探索能力弱等缺点。
4结束语
社会信息化和互联网正在对人类经济和社会生活产生革命性影响，而半导体产业则是互联网和信息化的基础和核心。进入21世纪，信息产业已成为世界经济中规模最大、发展最为迅猛的产业。2001年初在瑞士达沃斯召开的“世界经济论坛年会”上，许多经济学家认为，人类正在进入以信息网络为核心的“新经济”时代。所谓“新经济” 的概念，源于“网络经济”的出现，而“网络”是以计算机和通讯为依托的，其生存和发展的每一步都离不开半导体芯片技术的支持与更新。谁拥有了半导体产业，谁就拥有了世界的未来。因此，发
展半导体产业对我国来说具有重要的战略意义。但是，我国半导体产业起步较晚，不但技术水平落后，在管理上也存在很大的空白。在寻求技术革新的同时，有效提高生产制造过程的管理水平，探索技术与管理相结合的发展道路，将是积极推动我国半导体产业发展的有效途径。
本文摘自《半导体技术》