半導體晶圓制造車間層控制的內(nèi)容及方法

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

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摘要：半導體晶圓制造企業(yè)是資本密集,、技術密集型產(chǎn)業(yè),，晶圓制造廠也是公認生產(chǎn)最為復雜的工廠之一。產(chǎn)品更新?lián)Q代快,、市場競爭激烈等特點使得投資者對設備產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)容及方法,。
關鍵詞：車間層控制；投料策略,；實時調(diào)度

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

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1引言

半導體晶圓制造廠是公認生產(chǎn)管理最為復雜的工廠之一,，因為其生產(chǎn)過程有許多異于傳統(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(chǎn)管理的復雜度高及系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。同時,，晶圓制造屬于資本密集型產(chǎn)業(yè)，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(chǎn)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(jīng)不是技術層面上可以解決的問題，而是生產(chǎn)制造過程管理的問題 [1],。

生產(chǎn)制造過程的管理按其內(nèi)容可分為生產(chǎn)系統(tǒng)的性能評價,、生產(chǎn)計劃和車間層控制[2]。這幾個問題是相互關聯(lián)的,，性能評價是評估現(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，它常評價不同設備配置及瓶頸設備附加能力對生產(chǎn)線的影響,，是生產(chǎn)計劃,、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,。生產(chǎn)計劃一般指高層長期生產(chǎn)能力的安排和分配,。車間層控制是生產(chǎn)計劃的細化和實現(xiàn)，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(chǎn)線，稱為投料策略,，它涉及生產(chǎn)速率,、生產(chǎn)能力現(xiàn)狀、實際定單情況,、WIP 情況等問題,，常和實時調(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備上的實際加工序列和開始時間，稱為實時調(diào)度策略,，它涉及實時設備狀況,、實時WIP情況以及產(chǎn)品的工序流程 [3]。本文對半導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

投料控制是保證系統(tǒng)平順生產(chǎn)的重要前提,，對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，達到提高設備產(chǎn)量和設備利用率,、增加系統(tǒng)產(chǎn)出的目的,。而不合理的投料將直接導致系統(tǒng)效益的降低。根據(jù)著名的Little 公式

N=λT

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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,，對于固定的投料速率或產(chǎn)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(tǒng)中WIP數(shù)的增高,。由于晶圓制造系統(tǒng)存在以下幾個特點：（1）晶圓片對環(huán)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(shù)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(tǒng)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”,。

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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(chǎn)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(yǎng)等對機臺的影響,，管理者往往也以增加在制品來保護系統(tǒng),，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(tǒng)處于極端不穩(wěn)定的狀態(tài),，一旦設備發(fā)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(xiàn)實意義,。

實際使用和仿真研究表明，不同的投料策略對系統(tǒng)性能的影響很大,，特別是在半導體制造系統(tǒng),，不同的策略會產(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)特點選擇不同的投料策略是提高系統(tǒng)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(jù)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(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策略是指當一個工件離開系統(tǒng)時,，一個同類的新工件有權進入系統(tǒng)，從而保持Fab內(nèi)WIP整體水平的不變,，而對于不同種類的工件,，其WIP數(shù)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(nèi)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(fā)生停工待料,，即產(chǎn)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(nèi)只有一個固定的瓶頸部分，而在實際制造環(huán)境中,，瓶頸的位置可能會隨著同時在線上流動的產(chǎn)品的品種混合不同而發(fā)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(huán)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,。

不僅如此,，對投料的控制還體現(xiàn)在對定單的選擇上。除根據(jù)定單生產(chǎn)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(shù)的多少等等都是投料時需要考慮的因素,。

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3實時調(diào)度

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在一般制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)調(diào)度是針對一項可分解的工作（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,，通過下達生產(chǎn)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(chǎn)品制造時間或成本的最優(yōu)化[5],。實時調(diào)度是指當出現(xiàn)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(yǎng)等情況，事前的調(diào)度計劃往往不能被很好地執(zhí)行,，因而實時調(diào)度對其生產(chǎn)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(diào)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。

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對生產(chǎn)加工任務進行調(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)則被應用,，因其簡單、易于實現(xiàn),、計算復雜度低等原因,，能夠用于動態(tài)實時調(diào)度系統(tǒng)中。文獻[6]總結了113條在實際生產(chǎn)經(jīng)驗中產(chǎn)生的規(guī)則,，并將它們按形式分為簡單規(guī)則,、復合規(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)驗的基礎上產(chǎn)生,，在現(xiàn)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(diào)度規(guī)則有以下幾種：

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

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● 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,；

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

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● SRPT——最小剩余加工時間派工法,，可縮短流程周期時間；

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● 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,；

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● CR——Critical ratio；

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● 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；

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● Simulation Base——以模擬方式?jīng)Q定加工批量,。

基于經(jīng)驗的調(diào)度規(guī)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(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)而難以達到整體最優(yōu)或近優(yōu)的狀態(tài),。因此，尋找一種科學的方法對生產(chǎn)系統(tǒng)進行調(diào)度優(yōu)化,，從而達到系統(tǒng)的最大產(chǎn)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(diào)度還存在很大差距,。這些方法包括：

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

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（2）基于仿真的方法,。仿真通常被定義為所建立模型系統(tǒng)的動態(tài)行為的再現(xiàn)�,；�于仿真的方法不單純追求系統(tǒng)的數(shù)學模型,，同時側重于對系統(tǒng)的邏輯關系的描述，能夠對生產(chǎn)調(diào)度方案進行比較評價,。由于制造系統(tǒng)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(shù)據(jù),，則能夠對實時系統(tǒng)進行性能,、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(yè)的專家所創(chuàng)建,，所以經(jīng)常難以保證模型是真實系統(tǒng)的精確表達。

（3）基于離散事件動態(tài)系統(tǒng)（DEDS）的解析模型方法,。由于半導體晶圓制造系統(tǒng)是一個典型的DEDS系統(tǒng),，可用研究DEDS系統(tǒng)的解析模型和方法進行研究，如排隊論,、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DEDS 系統(tǒng)的強大描述能力以及完備的數(shù)學基礎成為學者進行半導體晶圓制造系統(tǒng)性能分析及調(diào)度優(yōu)化的熱點工具,。但目前Petri網(wǎng)模型也存在語義不夠豐富、節(jié)點的指數(shù)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(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)是人工智能應用的體現(xiàn),，由于專家系統(tǒng)中知識獲取和推理速度這兩個瓶頸,，使得神經(jīng)網(wǎng)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

社會信息化和互聯(lián)網(wǎng)正在對人類經(jīng)濟和社會生活產(chǎn)生革命性影響，而半導體產(chǎn)業(yè)則是互聯(lián)網(wǎng)和信息化的基礎和核心,。進入21世紀,，信息產(chǎn)業(yè)已成為世界經(jīng)濟中規(guī)模最大,、發(fā)展最為迅猛的產(chǎn)業(yè)。2001年初在瑞士達沃斯召開的“世界經(jīng)濟論壇年會”上,，許多經(jīng)濟學家認為,，人類正在進入以信息網(wǎng)絡為核心的“新經(jīng)濟”時代。所謂“新經(jīng)濟” 的概念,，源于“網(wǎng)絡經(jīng)濟”的出現(xiàn),，而“網(wǎng)絡”是以計算機和通訊為依托的，其生存和發(fā)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(chǎn)業(yè),，誰就擁有了世界的未來。因此,，發(fā)
展半導體產(chǎn)業(yè)對我國來說具有重要的戰(zhàn)略意義,。但是，我國半導體產(chǎn)業(yè)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(chǎn)制造過程的管理水平,，探索技術與管理相結合的發(fā)展道路，將是積極推動我國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效途徑,。

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本文摘自《半導體技術》