芯片制作工序 & 半导体常见自动化软件模块梳理

这篇图文能更好帮助理解。

芯片制作工序 #

参考自泛林集团科普文章：上篇、中篇、下篇。英文对照请见文末。你也可以按此访问东京威力科创制作的工序介绍。

制作工序可分为前、后两道。前道包括 1.晶圆加工 → 7.测试，后道包括 8.封装 及后期测试、其他组装、成品入库等。

常用英文名词：

• wafer：晶圆，硅晶片。分有 6、8、12 吋。
• die：裸晶。wafer 上的小单位颗粒。合格的 die 在第八步封装时被切走为成品颗粒。
• cell：比 die 更小的单位，如 IO 单元、电源管理单元。
• cassette：晶盒。用来装 wafer。
  • FOUP（Front Opening Unified Pod）：前开晶片（统一）传送盒。一般用于厂内运输 wafer。
  • FOSB（Front Opening Shipping Box）：前开晶片运输盒。一般用于厂间成品或半成品运输。
• lot：批次。
• recipe：制程配方。
• equipment：机台，加工线上的所有设备。
• fab（Semiconductor Fabrication Plant）：半导体制造厂。
• WAT（Wafer Acceptance Test）：晶圆允收测试
• UAT（User Acceptance Test）：用户允收测试
• CP Yield（Circuit Probe Yield）：晶圆测试良率
• RFP/RP（Request for Proposal）：需求建议书

半导体行业有几种常见商业模式：

• Foundry：晶圆代工，负责晶圆制造、封装或测试中的一个或多个环节。如台积电。
• IDM：包括 IC 设计、晶圆制造、封装测试等多个环节。如三星。
• Fabless：只负责 IC 设计和销售，其他环节外包。如联发科。

半导体行业常用工业软件 #

对于半导体厂内自动化系统常用工业软件，一般可分为四个层级：

计划管理/决策层 #

• ERP企业资源计划（Enterprise Resource Planning）
• SCM供应链管理（Supply Chain Management）
• PLM产品生命周期管理（Product Lifecycle Management）
• WMS仓储管理系统（Warehouse Management System）
• OA办公自动化、CRM消费者关系管理、APS先进计划和排程（Advanced Planning and Scheduling）等

计算机集成制造层 #

CIM计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing）

• 制造管理和监测
• 制造执行
  • MES制造执行系统（Manufacturing Execution System）
  • RTD实时派工系统（Real-time Dispatch）
  • SPC统计制程控制（Statistical Process Control）

一般控制层 #

• 自动化系统
  • EAP设备自动化程序（Equipment Automatic Programme)
• EES设备工程系统（Equipment Engineer System）
  • APC先进过程控制（Advanced Process Control）
    • 一般会认定其包含 R2R批次控制（Run-to-Run）、FDC、OEE整体设备效率（Overall Equipment Efficiency），但包含关系和范围没有明显界定
  • FDC故障侦测与分类（Fault Detection and Classification）
  • PMS预防保养系统（Preventive Maintenance System）
  • YMS良率管理系统（Yield Management System）
  • TMS运输管理系统（Transportation Management System）
  • RMSRecipe/配方管理系统（Recipe Management System）
  • 与 AMHS自动物料搬送系统/天车（Automatic Material Handling System）的配合

现场设备层：机台 #

• PLC可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）
• 其他 censor 等

CIM 主体包括 MES 和 EAP。MES 负责车间生产管理和调度执行，实时监控生产过程并响应状态变化。EAP 对接 MES 和机台设备，负责信息传输、数据搜集、流程控制和异常捕捉。因而 APC、FDC、 PMS 等系统通常都围绕 EAP 运作。

EAP 与 MES 等其他系统间通讯采用 Tibco RV 协议、与机台设备间通讯采用 SECS/GEM 等等协议。

市场主要厂商 #

前道 CIM：

• IBM（SiView）
• 应用材料（Applied Materials）（FAB300）

MES：

• 西门子（Siemens）
• 霍尼韦尔（Honeywell Forge）
• 艾默生（Emerson）
• 罗克韦尔（Rockwell Automation）
• 达索（Dassault）
• ABB Ability

YMS 多独立厂家，如 Synopsys（Synopsys Odyssey）。

后道封装：

• 西门子（CAMSTAR、SIMATIC IT）

MES：「车间的头子」 #

MES 上接计划层（如 ERP），下接一般控制层（如 EAP 或 SCADA监控与资料收集系统），主要面向在现场一线操作的车间管理人员。实际上是多个模块集中呈现的平台，针对整个工厂，对稳定性要求较高。实际解决方案包括：

• 计划排程管理
• PRP生产工艺流程（Process Plan）：对生产的流程进行四层抽象（从单个 operation操作) 到连接成 stage步骤)，再连接为一个大的 layer层，最后成为一条完整的 route路径）
• WIP制品管理模块)（Wafer in Process）：创建批次、查询批次、报废批次等批次相关的处理
• 设备管理
• 数据管理
• 报表管理
• GUI图形界面设计：包括面向生产线操作员和面向工艺工程师等不同界面

EAP：搜集信息、传达指令 #

EAP 上接 MES，下接机台设备。MES 所管理的各项数据都来自 EAP。EAP 先搜集所有生产数据和机台状态数据，再经由特定通讯协议传送到 MES 数据库，MES 再借由数据分析监控设备和生产流程。其同时也是整个 CIM 中其他模块的数据源。

例如生产状态的变化：由 EAP 告知 MES 一批货物状态的变化，MES 改变这批货物的状态。

    stateDiagram
        s1: 计划(planned)
        s2: 激活(activated)
        s3: 等待处理(waiting)
        s4: 结束(completed)
        s5: 派工(dispatch)
        s6: 正在加工(processing)
        s7: 加工完成(finish)
        [*]-->s1
        s1-->s2:分配输送盒
        s2-->s3
        s3-->s2:解除等待
        s2-->s5
        s5-->s2:解除派工
        s5-->s6:移入加工
        s6-->s5:取消移入
        s6-->s7
        s7-->s3
        s3-->s7
        s7-->s4
        s2-->s4
        s3-->s5
    

对比单纯进行数据采集和一定图形界面化呈现的 SCADA，EAP 能配合其他模块达到生产自动化的要求、作为管理平台、融合 BI商业智能（business intelligence）分析。

APC：管控过程、提升良率 #

半导体量产中，由于投资规模庞大，良率哪怕能做到 1% 的提升，都能带来非常可观的收益增加。APC 就是一种提升良率或产能的综合解决方案。一般包括 R2R、FDC、OEE。在制程执行时，期间存在各种影响因素导致量产出的晶圆存在差异，需要通过实时监控影响因素变化的参数来提升良率或产能，而这依赖于 APC 对数据的搜集，包括 DCU数据收集单元（Data Collection Unit）主动收集的资料以及对其他系统（如 MES、PMS 等）资料的运用。

有关 APC 的更多信息，可按此访问鼎捷软件曹永诚所撰导论（2005 年 6 月，Blogspot 链接）。

关于 AMHS #

12 吋厂线的 RTD 多与 AMHS 搭配使用以达到更高程度的自动化，通常还与 MCS物料控制系统（Material Control System） 一起运作。RTD 针对制程情况给出派货建议，未配备 AMHS 的工厂一般通过人工运输，配备 AMHS 则可以相互通讯以自动运输。AMHS 中各种器械有序灵活的运作，能让人直观感受到工业制造具备的魅力。一般包括：

• OHT空中行走式/高架搬运系统（Overhead Hoist Transfer），多用在加工区间内（Intra-bay），也可用于不同区间之间（Inter-bay）或覆盖全厂（factory wide）的运输。
• OHS空中行走式/高架搬运车（Overhead Shuttle），常用于不同仓储设备间（也称 Inter-bay Transport System）。
• AGV自动导引车（Automated Guided Vehicle），常用在复杂路径。
• RGV有轨导引车（Rail Guided Vehicle），轨道运输，带机械臂。

芯片制作工序：英文不完全对照 #

    flowchart TD
        subgraph a[1.Wafer Processing]
        a1[Cast]-->a2[Slice]-->a3[Polish the surface]
        end
        subgraph b[2.Exposed to oxygen]
        b1[Clean]-->b2[Exposed to oxygen
at high temperatures
to create a layer of silicon oxide]-->b3[Layer Thickness Test]
        end
        subgraph c[3.Lithography]
        c1[Apply a UV-sensitive photoresist on the surface]-->c2[Irradiate the UV light to transfer the pattern onto the photoresist]-->c3[Remove unexposed area]
        end
        subgraph d[4.Etching and Removing]
        d1[To etch films of unmasked area and remove the photoresist]
        end
        subgraph e[5.Film Depositing]
        e1[using CVD or PVD]
        end
        subgraph f[6.Interconnect Formation]
        f1[To form wiring layers]
        end
        subgraph g[7.Wafer Testing]
        g1[EDS]
        end
        subgraph h[8.Assembly and Testing]
        h1[Cut into die]-->h2[Attached to the package substrate]-->h3[Connected to inner leads]-->h4[Sealed in an epoxy resin envelope]-->h5[Test]
        end
        mm("(IC Design)")-->a-->b-->c-->d-->e-->f-->g-->h