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半导体制作工序 & 常见自动化软件模块梳理

这篇图文能更好帮助理解。

半导体制作工序

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。

半导体制作工序可分为前、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)
    • 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 MESEAP。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,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。

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。

半导体制作工序:英文不完全对照