半導體晶圓制造車間層控制的內容及方法

天氣

半導體晶圓制造車間層控制的內容及方法
邵志芳，錢省三
（上海理工大學工業工程研究所微電子發展研究中心，上海 200093）

摘要：半導體晶圓制造企業是資本密集、技術密集型產業，晶圓制造廠也是公認生產最為復雜的工廠之一。產品更新換代快、市場競爭激烈等特點使得投資者對設備產能和設備利用率高度重視。這已不僅僅是技術問題，而是生產制造過程管理的問題。本文介紹了半導體晶圓制造車間層控制的內容及方法。
關鍵詞：車間層控制；投料策略；實時調度

中圖分類號： TN305.97 文獻標識碼： A 文章編號：1003-353X(2003)09-0048-04

1引言

半導體晶圓制造廠是公認生產管理最為復雜的工廠之一，因為其生產過程有許多異于傳統的工藝特性，例如工件再回流的現象、成批加工、作業等候時限、高良率要求、機臺高當機率等，以致于一般都將交期不準、在制品（Work-in-process/ WIP）過高、周期時間過長等問題歸咎于其生產管理的復雜度高及系統的不穩定。同時，晶圓制造屬于資本密集型產業，其設備投資龐大，運作成本高昂，使得投資者極為重視投資效益，不愿任何一臺設備閑置而浪費產能，于是不斷追求所有設備的完全利用，其績效指標的追求除了交期、WIP及周期時間外，還要求機臺的使用率。這些顯然已經不是技術層面上可以解決的問題，而是生產制造過程管理的問題 [1]。

1 y- G# h( \9 w" F

生產制造過程的管理按其內容可分為生產系統的性能評價、生產計劃和車間層控制[2]。這幾個問題是相互關聯的，性能評價是評估現有系統（配置固定）的性能，而不是優化系統性能的某些指標，它常評價不同設備配置及瓶頸設備附加能力對生產線的影響，是生產計劃、車間層控制的重要輸入，也是優化系統配置的主要指導。生產計劃一般指高層長期生產能力的安排和分配。車間層控制是生產計劃的細化和實現，它將基于能力（工時）的較長期計劃轉化為實際工件的實時加工序列。一般來 說，車間層控制有兩類決策任務：一類是決定何時投入多少工件進入生產線，稱為投料策略，它涉及生產速率、生產能力現狀、實際定單情況、WIP 情況等問題，常和實時調度處理統籌考慮。另一類是安排生產線中各類工件在各類設備上的實際加工序列和開始時間，稱為實時調度策略，它涉及實時設備狀況、實時WIP情況以及產品的工序流程 [3]。本文對半導體晶圓制造車間層控制的內容和方法作一介紹。

& K. `/ b+ H! L

2投料控制

2 J( A _8 z9 T) A$ C. q) J

投料控制是保證系統平順生產的重要前提，對投料的合理控制將為后續的優化調度提供重要保證，達到提高設備產量和設備利用率、增加系統產出的目的。而不合理的投料將直接導致系統效益的降低。根據著名的Little 公式

N=λT

其中N為系統中的WIP量，T 為平均制造周期，l為投料速率或產出速率。

也就是說，對于固定的投料速率或產出速率來說，WIP水平的降低將縮短制造周期，而過多投料將造成系統中WIP數的增高。由于晶圓制造系統存在以下幾個特點：（1）晶圓片對環境有著近乎苛刻的要求，整個制造過程要在“潔凈室”條件下進行，暴露在空氣中的時間越長，被污染的可能性越大；（2）WIP有“最長等候時限”的限制，在機臺前的等待加工時間超過“時限”，將引起器件失效而需要重做；（3）晶圓制造是面向定單的多品種、小批量、帶“回流”的資源受限型加工線，需要滿足多種客戶對交貨期的不同要求。因此，過高的WIP數一方面會降低良率，另一方面也將造成交期延長。而過少的投料帶來的是某些機臺的閑置，造成系統資源的極大浪費。由于半導體制造投資巨大、競爭激烈、設備折舊迅速等特點，資源閑置是投資方竭盡全力要消滅的“首要大敵”。

在實際運作過程中，為了追求機臺的高利用率，當某機臺閑置時，管理者將通過投料來滿足利用率，因此容易造成過早投料的情形；或者為了追求機臺的利用率最高，則必須相對的投入大量的在制品，但是，過多的WIP也將導致生產周期延長，資金成本的過早投入以及良率的下降。此時，管理者將因為WIP及周期時間升高而被要求降低WIP及周期時間。有時，為了避免機臺故障、重加工、維修保養等對機臺的影響，管理者往往也以增加在制品來保護系統，這似乎意味著可以達到機臺的高利用率，殊不知這反而使系統處于極端不穩定的狀態，一旦設備發生故障，當初源源不斷的供料將造成該機臺WIP量的急劇增高[1]。簡言之，投料控制對晶圓制造車間具有重要的現實意義。

實際使用和仿真研究表明，不同的投料策略對系統性能的影響很大，特別是在半導體制造系統，不同的策略會產生差距很大的系統均衡性、生產率、WIP水平和制造周期。因此，根據生產系統特點選擇不同的投料策略是提高系統運行性能的重要前提。在半導體制造車間，常用的較為簡單的投料策略有固定時間間隔投料、按隨機泊松流來投料、基于TOC（Theory of Constrain）理論的投料策略和Duenyas[4]提出的CONWIP投料策略等。基于TOC理論的投料策略是指根據瓶頸機臺的加工狀況決定投料情況，把重點放在瓶頸工序上，保證瓶頸工序不發生停工待料，提高瓶頸工作中心的利用率，從而得到最大的有效產出。CONWIP策略是指當一個工件離開系統時，一個同類的新工件有權進入系統，從而保持Fab內WIP整體水平的不變，而對于不同種類的工件，其WIP數可以不同。

此外，較為復雜的投料策略如避免“饑餓法” 投料策略，通過定義一個實際WIP水平，在該WIP水平下，目前Fab內的所有Lot流動到瓶頸工作站并完成加工所需的時間作為期望時間，如果該期望時間小于一個Lot從投入Fab到到達該瓶頸工作站所需的時間T，瓶頸工作站將發生停工待料，即產生“饑餓”，因此，當WIP水平小于這個時間周期 T時，則進行投料。該法的缺點在于假設Fab內只有一個固定的瓶頸部分，而在實際制造環境中，瓶頸的位置可能會隨著同時在線上流動的產品的品種混合不同而發生漂移。后來通過利用當前的WIP位置、容量和流動時間估計來預測所分布的各個Lot到達每一個工作站的時間，該法的思想被擴展到有多個瓶頸的環境。如果所有工作站的隊列水平降到安全水平以下，則進行投料。

0 `1 u9 t4 a' W, o" ]- C

不僅如此，對投料的控制還體現在對定單的選擇上。除根據定單生產周期、交貨時間緩急投料外，加工工藝路徑的長短、對瓶頸機臺的占用時間、線上WIP數的多少等等都是投料時需要考慮的因素。

3實時調度

在一般制造系統中的生產調度是針對一項可分解的工作（如產品制造）探討在盡可能滿足生產條件（如交貨期、工藝路線、資源情況）的前提下，通過下達生產指令，安排其組成部分（操作）使用哪些資源、其加工時間及加工的先后順序，以獲得產品制造時間或成本的最優化[5]。實時調度是指當出現設備空閑時，按何種決策選擇下一個要加工的工件，這些工件競爭使用該設備。而在半導體制造車間，由于存在隨機性的設備故障、不確定性的重做以及機臺的維修保養等情況，事前的調度計劃往往不能被很好地執行，因而實時調度對其生產過程管理顯得更為重要。

在實際運作中，目前在一些半導體廠還存在 “操作工權限過大”問題，造成實際在進行實時調度的是操作工而不是管理者。如有的半導體廠工作量與工資直接掛鉤，操作工完全按照自己的主觀意愿來決定工件的加工順序，因此一些工作量大的工件被首先選擇進行加工，而完全不考慮機臺利用率、良率、交期等因素，后果可想而知。

+ _ T( ~" c0 y( P! F+ {, `

對生產加工任務進行調度的最傳統的方法是使用調度規則。已經有許多調度規則被應用，因其簡單、易于實現、計算復雜度低等原因，能夠用于動態實時調度系統中。文獻[6]總結了113條在實際生產經驗中產生的規則，并將它們按形式分為簡單規則、復合規則和啟發式規則。

7 X! d/ u6 q: W) K

由于這些規則多是在經驗的基礎上產生，在現場實際應用中取得了一定的效果。目前一些半導體廠最為常用的簡單實時調度規則有以下幾種：

- u) E6 z/ x4 ~: w

● FIFO—— 先進先出，應用于簡化作業方式，或MES派工功能不良；衍生LIFO，后進先出，應用于量測、檢驗；

● SPT——最小加工時間派工法即好吃的先吃，應用于不考慮交期因素時，對單一機臺加工 Cycle Time以及瓶頸機臺使用率比較好；

7 o2 {. f" ?$ M+ Y" Y

● EDD——要交貨日期近者優先，應用于后拉式生產管理；

● SRPT——最小剩余加工時間派工法，可縮短流程周期時間；

● SNQT——下一個步驟最小等候時間派工法；衍生：SNQL下一個步驟最小等候線派工法；

● CR——Critical ratio；

● Random——隨意；

● Look Ahead——比較等候線中每一個工件到達下一個加工步驟將會遇到的等候情形，從而選擇等候線最短的工件來加工；

' {! Y' Z& m+ d& }7 J, F% N

● Simulation Base——以模擬方式決定加工批量。

$ j8 e) ?. ~. F9 B0 o

基于經驗的調度規則雖然使操作工在選擇加工件時有章可循，并且取得了一定的優化效果，但由于其自身的局限性，往往容易陷入局部最優而難以達到整體最優或近優的狀態。因此，尋找一種科學的方法對生產系統進行調度優化，從而達到系統的最大產出，成為半導體制造管理者關注的焦點。已有的研究雖然取得了一定的成果，但距離實際應用尤其是實時調度還存在很大差距。這些方法包括：

（1）基于運籌學的方法。該方法是將生產調度問題轉化為數學規劃模型，采用基于枚舉思想的分支定界法或動態規劃算法求解調度問題的最優解或近似最優解，屬于精確算法。對于復雜的問題，尤其是生產特點有別與傳統的Job-shop和Flow- shop型半導體晶圓制造業，這種純數學方法有模型抽取困難、運算量大、算法難以實現的弱點，對于生產環境中的動態調度實現復雜，解決不了動態及快速響應的問題。

（2）基于仿真的方法。仿真通常被定義為所建立模型系統的動態行為的再現。基于仿真的方法不單純追求系統的數學模型，同時側重于對系統的邏輯關系的描述，能夠對生產調度方案進行比較評價。由于制造系統的復雜性，很難用一個精確的解析模型來進行描述和分析，而通過運行仿真模型來收集數據，則能夠對實時系統進行性能、狀態等方面的分析，從而為采用合適的調度方法提供依據。仿真方法被證明是分析帶“重入”的生產系統調度策略的一種很有用的方法。但在實際應用中，仿真方法也存在一定的問題，如冗長的計算時間和設計，建立、運行仿真模型的高費用；此外，仿真通常是計算機專家在計算機程序中建立起來，而不是由制造業的專家所創建，所以經常難以保證模型是真實系統的精確表達。

o% ]0 W5 }: U% x

（3）基于離散事件動態系統（DEDS）的解析模型方法。由于半導體晶圓制造系統是一個典型的DEDS系統，可用研究DEDS系統的解析模型和方法進行研究，如排隊論、極大/極小代數模型、Petri網模型等。其中，Petri網模型以其對DEDS 系統的強大描述能力以及完備的數學基礎成為學者進行半導體晶圓制造系統性能分析及調度優化的熱點工具。但目前Petri網模型也存在語義不夠豐富、節點的指數倍增長等諸多問題，有待進一步改進。
（4）基于知識的方法。主要包括智能調度專家系統、基于約束的方法以及一些基于智能搜索的算法。其中，智能調度專家系統是人工智能應用的體現，由于專家系統中知識獲取和推理速度這兩個瓶頸，使得神經網絡逐漸被采用，但還存在訓練速度慢、探索能力弱等缺點。

4結束語

0 M2 f1 Z/ W! q9 E; F

社會信息化和互聯網正在對人類經濟和社會生活產生革命性影響，而半導體產業則是互聯網和信息化的基礎和核心。進入21世紀，信息產業已成為世界經濟中規模最大、發展最為迅猛的產業。2001年初在瑞士達沃斯召開的“世界經濟論壇年會”上，許多經濟學家認為，人類正在進入以信息網絡為核心的“新經濟”時代。所謂“新經濟” 的概念，源于“網絡經濟”的出現，而“網絡”是以計算機和通訊為依托的，其生存和發展的每一步都離不開半導體芯片技術的支持與更新。誰擁有了半導體產業，誰就擁有了世界的未來。因此，發
展半導體產業對我國來說具有重要的戰略意義。但是，我國半導體產業起步較晚，不但技術水平落后，在管理上也存在很大的空白。在尋求技術革新的同時，有效提高生產制造過程的管理水平，探索技術與管理相結合的發展道路，將是積極推動我國半導體產業發展的有效途徑。

本文摘自《半導體技術》