半導(dǎo)體晶圓制造車間層控制的內(nèi)容及方法

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

摘要：半導(dǎo)體晶圓制造企業(yè)是資本密集、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，晶圓制造廠也是公認(rèn)生產(chǎn)最為復(fù)雜的工廠之一。產(chǎn)品更新?lián)Q代快、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈等特點(diǎn)使得投資者對(duì)設(shè)備產(chǎn)能和設(shè)備利用率高度重視。這已不僅僅是技術(shù)問(wèn)題，而是生產(chǎn)制造過(guò)程管理的問(wèn)題。本文介紹了半導(dǎo)體晶圓制造車間層控制的內(nèi)容及方法。
關(guān)鍵詞：車間層控制；投料策略；實(shí)時(shí)調(diào)度

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中圖分類號(hào)： TN305.97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1003-353X(2003)09-0048-04

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1引言

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半導(dǎo)體晶圓制造廠是公認(rèn)生產(chǎn)管理最為復(fù)雜的工廠之一，因?yàn)槠渖a(chǎn)過(guò)程有許多異于傳統(tǒng)的工藝特性，例如工件再回流的現(xiàn)象、成批加工、作業(yè)等候時(shí)限、高良率要求、機(jī)臺(tái)高當(dāng)機(jī)率等，以致于一般都將交期不準(zhǔn)、在制品（Work-in-process/ WIP）過(guò)高、周期時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題歸咎于其生產(chǎn)管理的復(fù)雜度高及系統(tǒng)的不穩(wěn)定。同時(shí)，晶圓制造屬于資本密集型產(chǎn)業(yè)，其設(shè)備投資龐大，運(yùn)作成本高昂，使得投資者極為重視投資效益，不愿任何一臺(tái)設(shè)備閑置而浪費(fèi)產(chǎn)能，于是不斷追求所有設(shè)備的完全利用，其績(jī)效指標(biāo)的追求除了交期、WIP及周期時(shí)間外，還要求機(jī)臺(tái)的使用率。這些顯然已經(jīng)不是技術(shù)層面上可以解決的問(wèn)題，而是生產(chǎn)制造過(guò)程管理的問(wèn)題 [1]。

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生產(chǎn)制造過(guò)程的管理按其內(nèi)容可分為生產(chǎn)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)、生產(chǎn)計(jì)劃和車間層控制[2]。這幾個(gè)問(wèn)題是相互關(guān)聯(lián)的，性能評(píng)價(jià)是評(píng)估現(xiàn)有系統(tǒng)（配置固定）的性能，而不是優(yōu)化系統(tǒng)性能的某些指標(biāo)，它常評(píng)價(jià)不同設(shè)備配置及瓶頸設(shè)備附加能力對(duì)生產(chǎn)線的影響，是生產(chǎn)計(jì)劃、車間層控制的重要輸入，也是優(yōu)化系統(tǒng)配置的主要指導(dǎo)。生產(chǎn)計(jì)劃一般指高層長(zhǎng)期生產(chǎn)能力的安排和分配。車間層控制是生產(chǎn)計(jì)劃的細(xì)化和實(shí)現(xiàn)，它將基于能力（工時(shí)）的較長(zhǎng)期計(jì)劃轉(zhuǎn)化為實(shí)際工件的實(shí)時(shí)加工序列。一般來(lái) 說(shuō)，車間層控制有兩類決策任務(wù)：一類是決定何時(shí)投入多少工件進(jìn)入生產(chǎn)線，稱為投料策略，它涉及生產(chǎn)速率、生產(chǎn)能力現(xiàn)狀、實(shí)際定單情況、WIP 情況等問(wèn)題，常和實(shí)時(shí)調(diào)度處理統(tǒng)籌考慮。另一類是安排生產(chǎn)線中各類工件在各類設(shè)備上的實(shí)際加工序列和開(kāi)始時(shí)間，稱為實(shí)時(shí)調(diào)度策略，它涉及實(shí)時(shí)設(shè)備狀況、實(shí)時(shí)WIP情況以及產(chǎn)品的工序流程 [3]。本文對(duì)半導(dǎo)體晶圓制造車間層控制的內(nèi)容和方法作一介紹。

2投料控制

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投料控制是保證系統(tǒng)平順生產(chǎn)的重要前提，對(duì)投料的合理控制將為后續(xù)的優(yōu)化調(diào)度提供重要保證，達(dá)到提高設(shè)備產(chǎn)量和設(shè)備利用率、增加系統(tǒng)產(chǎn)出的目的。而不合理的投料將直接導(dǎo)致系統(tǒng)效益的降低。根據(jù)著名的Little 公式

N=λT

其中N為系統(tǒng)中的WIP量，T 為平均制造周期，l為投料速率或產(chǎn)出速率。

也就是說(shuō)，對(duì)于固定的投料速率或產(chǎn)出速率來(lái)說(shuō)，WIP水平的降低將縮短制造周期，而過(guò)多投料將造成系統(tǒng)中WIP數(shù)的增高。由于晶圓制造系統(tǒng)存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）晶圓片對(duì)環(huán)境有著近乎苛刻的要求，整個(gè)制造過(guò)程要在“潔凈室”條件下進(jìn)行，暴露在空氣中的時(shí)間越長(zhǎng)，被污染的可能性越大；（2）WIP有“最長(zhǎng)等候時(shí)限”的限制，在機(jī)臺(tái)前的等待加工時(shí)間超過(guò)“時(shí)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(duì)交貨期的不同要求。因此，過(guò)高的WIP數(shù)一方面會(huì)降低良率，另一方面也將造成交期延長(zhǎng)。而過(guò)少的投料帶來(lái)的是某些機(jī)臺(tái)的閑置，造成系統(tǒng)資源的極大浪費(fèi)。由于半導(dǎo)體制造投資巨大、競(jìng)爭(zhēng)激烈、設(shè)備折舊迅速等特點(diǎn)，資源閑置是投資方竭盡全力要消滅的“首要大敵”。

在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，為了追求機(jī)臺(tái)的高利用率，當(dāng)某機(jī)臺(tái)閑置時(shí)，管理者將通過(guò)投料來(lái)滿足利用率，因此容易造成過(guò)早投料的情形；或者為了追求機(jī)臺(tái)的利用率最高，則必須相對(duì)的投入大量的在制品，但是，過(guò)多的WIP也將導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，資金成本的過(guò)早投入以及良率的下降。此時(shí)，管理者將因?yàn)閃IP及周期時(shí)間升高而被要求降低WIP及周期時(shí)間。有時(shí)，為了避免機(jī)臺(tái)故障、重加工、維修保養(yǎng)等對(duì)機(jī)臺(tái)的影響，管理者往往也以增加在制品來(lái)保護(hù)系統(tǒng)，這似乎意味著可以達(dá)到機(jī)臺(tái)的高利用率，殊不知這反而使系統(tǒng)處于極端不穩(wěn)定的狀態(tài)，一旦設(shè)備發(fā)生故障，當(dāng)初源源不斷的供料將造成該機(jī)臺(tái)WIP量的急劇增高[1]。簡(jiǎn)言之，投料控制對(duì)晶圓制造車間具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)際使用和仿真研究表明，不同的投料策略對(duì)系統(tǒng)性能的影響很大，特別是在半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，不同的策略會(huì)產(chǎn)生差距很大的系統(tǒng)均衡性、生產(chǎn)率、WIP水平和制造周期。因此，根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)選擇不同的投料策略是提高系統(tǒng)運(yùn)行性能的重要前提。在半導(dǎo)體制造車間，常用的較為簡(jiǎn)單的投料策略有固定時(shí)間間隔投料、按隨機(jī)泊松流來(lái)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(jù)瓶頸機(jī)臺(tái)的加工狀況決定投料情況，把重點(diǎn)放在瓶頸工序上，保證瓶頸工序不發(fā)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(chǎn)出。CONWIP策略是指當(dāng)一個(gè)工件離開(kāi)系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)同類的新工件有權(quán)進(jìn)入系統(tǒng)，從而保持Fab內(nèi)WIP整體水平的不變，而對(duì)于不同種類的工件，其WIP數(shù)可以不同。

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此外，較為復(fù)雜的投料策略如避免“饑餓法” 投料策略，通過(guò)定義一個(gè)實(shí)際WIP水平，在該WIP水平下，目前Fab內(nèi)的所有Lot流動(dòng)到瓶頸工作站并完成加工所需的時(shí)間作為期望時(shí)間，如果該期望時(shí)間小于一個(gè)Lot從投入Fab到到達(dá)該瓶頸工作站所需的時(shí)間T，瓶頸工作站將發(fā)生停工待料，即產(chǎn)生“饑餓”，因此，當(dāng)WIP水平小于這個(gè)時(shí)間周期 T時(shí)，則進(jìn)行投料。該法的缺點(diǎn)在于假設(shè)Fab內(nèi)只有一個(gè)固定的瓶頸部分，而在實(shí)際制造環(huán)境中，瓶頸的位置可能會(huì)隨著同時(shí)在線上流動(dòng)的產(chǎn)品的品種混合不同而發(fā)生漂移。后來(lái)通過(guò)利用當(dāng)前的WIP位置、容量和流動(dòng)時(shí)間估計(jì)來(lái)預(yù)測(cè)所分布的各個(gè)Lot到達(dá)每一個(gè)工作站的時(shí)間，該法的思想被擴(kuò)展到有多個(gè)瓶頸的環(huán)境。如果所有工作站的隊(duì)列水平降到安全水平以下，則進(jìn)行投料。

不僅如此，對(duì)投料的控制還體現(xiàn)在對(duì)定單的選擇上。除根據(jù)定單生產(chǎn)周期、交貨時(shí)間緩急投料外，加工工藝路徑的長(zhǎng)短、對(duì)瓶頸機(jī)臺(tái)的占用時(shí)間、線上WIP數(shù)的多少等等都是投料時(shí)需要考慮的因素。

3實(shí)時(shí)調(diào)度

在一般制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)調(diào)度是針對(duì)一項(xiàng)可分解的工作（如產(chǎn)品制造）探討在盡可能滿足生產(chǎn)條件（如交貨期、工藝路線、資源情況）的前提下，通過(guò)下達(dá)生產(chǎn)指令，安排其組成部分（操作）使用哪些資源、其加工時(shí)間及加工的先后順序，以獲得產(chǎn)品制造時(shí)間或成本的最優(yōu)化[5]。實(shí)時(shí)調(diào)度是指當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備空閑時(shí)，按何種決策選擇下一個(gè)要加工的工件，這些工件競(jìng)爭(zhēng)使用該設(shè)備。而在半導(dǎo)體制造車間，由于存在隨機(jī)性的設(shè)備故障、不確定性的重做以及機(jī)臺(tái)的維修保養(yǎng)等情況，事前的調(diào)度計(jì)劃往往不能被很好地執(zhí)行，因而實(shí)時(shí)調(diào)度對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程管理顯得更為重要。

在實(shí)際運(yùn)作中，目前在一些半導(dǎo)體廠還存在 “操作工權(quán)限過(guò)大”問(wèn)題，造成實(shí)際在進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度的是操作工而不是管理者。如有的半導(dǎo)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(lái)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(jìn)行加工，而完全不考慮機(jī)臺(tái)利用率、良率、交期等因素，后果可想而知。

對(duì)生產(chǎn)加工任務(wù)進(jìn)行調(diào)度的最傳統(tǒng)的方法是使用調(diào)度規(guī)則。已經(jīng)有許多調(diào)度規(guī)則被應(yīng)用，因其簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、計(jì)算復(fù)雜度低等原因，能夠用于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[6]總結(jié)了113條在實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)中產(chǎn)生的規(guī)則，并將它們按形式分為簡(jiǎn)單規(guī)則、復(fù)合規(guī)則和啟發(fā)式規(guī)則。

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由于這些規(guī)則多是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的效果。目前一些半導(dǎo)體廠最為常用的簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)調(diào)度規(guī)則有以下幾種：

● FIFO—— 先進(jìn)先出，應(yīng)用于簡(jiǎn)化作業(yè)方式，或MES派工功能不良；衍生LIFO，后進(jìn)先出，應(yīng)用于量測(cè)、檢驗(yàn)；

● SPT——最小加工時(shí)間派工法即好吃的先吃，應(yīng)用于不考慮交期因素時(shí)，對(duì)單一機(jī)臺(tái)加工 Cycle Time以及瓶頸機(jī)臺(tái)使用率比較好；

● EDD——要交貨日期近者優(yōu)先，應(yīng)用于后拉式生產(chǎn)管理；

● SRPT——最小剩余加工時(shí)間派工法，可縮短流程周期時(shí)間；

● SNQT——下一個(gè)步驟最小等候時(shí)間派工法；衍生：SNQL下一個(gè)步驟最小等候線派工法；

● CR——Critical ratio；

● Random——隨意；

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● Look Ahead——比較等候線中每一個(gè)工件到達(dá)下一個(gè)加工步驟將會(huì)遇到的等候情形，從而選擇等候線最短的工件來(lái)加工；

● Simulation Base——以模擬方式?jīng)Q定加工批量。

基于經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度規(guī)則雖然使操作工在選擇加工件時(shí)有章可循，并且取得了一定的優(yōu)化效果，但由于其自身的局限性，往往容易陷入局部最優(yōu)而難以達(dá)到整體最優(yōu)或近優(yōu)的狀態(tài)。因此，尋找一種科學(xué)的方法對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，從而達(dá)到系統(tǒng)的最大產(chǎn)出，成為半導(dǎo)體制造管理者關(guān)注的焦點(diǎn)。已有的研究雖然取得了一定的成果，但距離實(shí)際應(yīng)用尤其是實(shí)時(shí)調(diào)度還存在很大差距。這些方法包括：

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（1）基于運(yùn)籌學(xué)的方法。該方法是將生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，采用基于枚舉思想的分支定界法或動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解調(diào)度問(wèn)題的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解，屬于精確算法。對(duì)于復(fù)雜的問(wèn)題，尤其是生產(chǎn)特點(diǎn)有別與傳統(tǒng)的Job-shop和Flow- shop型半導(dǎo)體晶圓制造業(yè)，這種純數(shù)學(xué)方法有模型抽取困難、運(yùn)算量大、算法難以實(shí)現(xiàn)的弱點(diǎn)，對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)調(diào)度實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，解決不了動(dòng)態(tài)及快速響應(yīng)的問(wèn)題。

（2）基于仿真的方法。仿真通常被定義為所建立模型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為的再現(xiàn)。基于仿真的方法不單純追求系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)側(cè)重于對(duì)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系的描述，能夠?qū)ιa(chǎn)調(diào)度方案進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。由于制造系統(tǒng)的復(fù)雜性，很難用一個(gè)精確的解析模型來(lái)進(jìn)行描述和分析，而通過(guò)運(yùn)行仿真模型來(lái)收集數(shù)據(jù)，則能夠?qū)?shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行性能、狀態(tài)等方面的分析，從而為采用合適的調(diào)度方法提供依據(jù)。仿真方法被證明是分析帶“重入”的生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)度策略的一種很有用的方法。但在實(shí)際應(yīng)用中，仿真方法也存在一定的問(wèn)題，如冗長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和設(shè)計(jì)，建立、運(yùn)行仿真模型的高費(fèi)用；此外，仿真通常是計(jì)算機(jī)專家在計(jì)算機(jī)程序中建立起來(lái)，而不是由制造業(yè)的專家所創(chuàng)建，所以經(jīng)常難以保證模型是真實(shí)系統(tǒng)的精確表達(dá)。

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（3）基于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（DEDS）的解析模型方法。由于半導(dǎo)體晶圓制造系統(tǒng)是一個(gè)典型的DEDS系統(tǒng)，可用研究DEDS系統(tǒng)的解析模型和方法進(jìn)行研究，如排隊(duì)論、極大/極小代數(shù)模型、Petri網(wǎng)模型等。其中，Petri網(wǎng)模型以其對(duì)DEDS 系統(tǒng)的強(qiáng)大描述能力以及完備的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)成為學(xué)者進(jìn)行半導(dǎo)體晶圓制造系統(tǒng)性能分析及調(diào)度優(yōu)化的熱點(diǎn)工具。但目前Petri網(wǎng)模型也存在語(yǔ)義不夠豐富、節(jié)點(diǎn)的指數(shù)倍增長(zhǎng)等諸多問(wèn)題，有待進(jìn)一步改進(jìn)。
（4）基于知識(shí)的方法。主要包括智能調(diào)度專家系統(tǒng)、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(diào)度專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用的體現(xiàn)，由于專家系統(tǒng)中知識(shí)獲取和推理速度這兩個(gè)瓶頸，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸被采用，但還存在訓(xùn)練速度慢、探索能力弱等缺點(diǎn)。

4結(jié)束語(yǔ)

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社會(huì)信息化和互聯(lián)網(wǎng)正在對(duì)人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活產(chǎn)生革命性影響，而半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)則是互聯(lián)網(wǎng)和信息化的基礎(chǔ)和核心。進(jìn)入21世紀(jì)，信息產(chǎn)業(yè)已成為世界經(jīng)濟(jì)中規(guī)模最大、發(fā)展最為迅猛的產(chǎn)業(yè)。2001年初在瑞士達(dá)沃斯召開(kāi)的“世界經(jīng)濟(jì)論壇年會(huì)”上，許多經(jīng)濟(jì)學(xué)家認(rèn)為，人類正在進(jìn)入以信息網(wǎng)絡(luò)為核心的“新經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。所謂“新經(jīng)濟(jì)” 的概念，源于“網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)”的出現(xiàn)，而“網(wǎng)絡(luò)”是以計(jì)算機(jī)和通訊為依托的，其生存和發(fā)展的每一步都離不開(kāi)半導(dǎo)體芯片技術(shù)的支持與更新。誰(shuí)擁有了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，誰(shuí)就擁有了世界的未來(lái)。因此，發(fā)
展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)具有重要的戰(zhàn)略意義。但是，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，不但技術(shù)水平落后，在管理上也存在很大的空白。在尋求技術(shù)革新的同時(shí)，有效提高生產(chǎn)制造過(guò)程的管理水平，探索技術(shù)與管理相結(jié)合的發(fā)展道路，將是積極推動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效途徑。

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本文摘自《半導(dǎo)體技術(shù)》