“軟化”工廠(chǎng)提高效率和成品率
作者：彭曄
制造廠(chǎng)的生產(chǎn)效率似乎從來(lái)沒(méi)有像今天這樣被頻繁提及。效率的提升在于好的設備和科學(xué)的管理方法，而軟件即為管理必不可少的有效工具。從工廠(chǎng)的運營(yíng)、成本的核算，到生產(chǎn)步驟、設備狀態(tài)和工藝參數的監控，有了軟件工具的幫助，整個(gè)工廠(chǎng)的運營(yíng)狀態(tài)都將處于生產(chǎn)管理人員和工程師們的掌控之中。
在中國，生產(chǎn)執行軟件（Manufacturing Executive Software，MES）正在被更多的fab、封測廠(chǎng)所接受。雖然中國的員工成本相對較低，但現代MES的執行將是對運營(yíng)模式和管理模式的一次升級。改善的生產(chǎn)周期和準時(shí)發(fā)貨率將是MES帶來(lái)的最直接的優(yōu)勢，MES和其他工廠(chǎng)自動(dòng)化軟件是中國實(shí)現高效運營(yíng)并與國際接軌的必要工具之一。
花錢(qián)花在刀刃上。當中國2006年半導體制造設備采購額以78％的增長(cháng)速度高居世界之冠時(shí)，我們是否也會(huì )想一想，在每一次的產(chǎn)能擴張、工藝升級和新品開(kāi)發(fā)之前是否都應該進(jìn)行一下成本核算？而成熟的軟件將會(huì )幫助我們更周全的考慮各種因素，給出合理和省錢(qián)的解決方案，幫助我們作出最終決策。
在而今成品率隨時(shí)被掛在嘴邊的時(shí)代，通過(guò)監測工藝參數和設備的狀態(tài)變化，及早發(fā)現問(wèn)題，避免不可挽回的損失日益重要。而先進(jìn)過(guò)程控制（Advanced Process Control，APC）的優(yōu)勢在此時(shí)也將得到充分發(fā)揮。目前APC正越來(lái)越多地被國際大廠(chǎng)提及，APC正在成為及時(shí)發(fā)現工藝問(wèn)題、提升成品率的有效手段。
工廠(chǎng)管理的自動(dòng)化和現代化
從去年第4季度起，隨著(zhù)產(chǎn)品需求的增加，全球各大fab廠(chǎng)都在擴充產(chǎn)能，而采用MES等工廠(chǎng)自動(dòng)化管理軟件，運用更先進(jìn)的管理方法，可以有效地采用現有的設備在現有廠(chǎng)房?jì)葘a(chǎn)能提高20％－30％。因此很多工廠(chǎng)都希望通過(guò)軟件以最快的速度實(shí)現產(chǎn)能的提升，Brooks Automation中國區業(yè)務(wù)經(jīng)理粱圣柔談到。
據介紹，工廠(chǎng)一般在量產(chǎn)后需要開(kāi)始考慮自動(dòng)化問(wèn)題，從而通過(guò)有限的設備最大地提高效率和產(chǎn)能，中國也是這樣。中國的很多晶圓廠(chǎng)原來(lái)都有自己開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化軟件系統，例如華晶和華越。但隨著(zhù)客戶(hù)要求復雜度的提高，也帶來(lái)了對軟件升級的要求。與國際接軌的管理方法、管理工具和理念就成為了必然需求。
MES是fab自動(dòng)化的核心，它追蹤工廠(chǎng)內生產(chǎn)批次的狀態(tài)、設備的狀態(tài)，同時(shí)讓批次工藝參數與設備匹配而設計的。其中的排程軟件（Scheduling Software）幫助決定何時(shí)將下一批投入工廠(chǎng)，下一批將是什么產(chǎn)品。調度軟件（Dispatching Software）決定當一系列具有不同優(yōu)先級的批次在排隊時(shí)，該先處理哪個(gè)。同時(shí)還有自動(dòng)軟件（Automation Software）告訴自動(dòng)處理系統將批轉移到下一地點(diǎn)。通常這些軟件包是相互集成的，可以數據共享。
中國的半導體制造廠(chǎng)以代工的模式居多。代工廠(chǎng)的產(chǎn)品和技術(shù)的混合度高，因此對平均制造周期的控制就成為了提高效率的主要挑戰。減少周期時(shí)間即意味著(zhù)提高單批處理的可預測性，從而提高了工廠(chǎng)管理的計劃性和執行能力。新加坡Chartered實(shí)施了實(shí)時(shí)的生產(chǎn)控制系統（Real-time Production Control System）后，即為fab 帶來(lái)了自動(dòng)化程度的提高。據新加坡特許的Chang Chih Ming在今年SEMICON China期間發(fā)表的“用于周期改善的集成實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制系統”文章中的介紹，Chartered實(shí)施了實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制系統后，整體fab的周期時(shí)間分布(cycle-time spread)改善了40％。
在實(shí)時(shí)的生產(chǎn)控制系統中，MES數據庫被集成在了現場(chǎng)調度（shop-floor dispatching）系統和生產(chǎn)監控平臺（production monitoring platform）中。這就保證了可能犯錯誤的批次在限定的周期范圍內根據錯誤情況及時(shí)被發(fā)現和排除。實(shí)時(shí)生產(chǎn)監控平臺中，與周期時(shí)間相關(guān)的設備表現被隨時(shí)監控。采用“queue-time miss ration”的概念，表現不佳、可能影響整個(gè)周期的設備將被重點(diǎn)關(guān)注。工程師團隊的主要精力將投入在保證這些設備的正常生產(chǎn)上。
正是及時(shí)的信息幫助Chartered改善了生產(chǎn)周期表現。當實(shí)時(shí)的數據被集成到批處理系統中時(shí)，對滯后批次的自動(dòng)處理就隨即開(kāi)始了。其他的補救措施，如批次的暫停管理和可能的錯誤檢測也會(huì )隨即啟動(dòng)，另外，關(guān)鍵設備對周期時(shí)間的影響較強，因此它們也被視為重點(diǎn)關(guān)注的對象。
實(shí)時(shí)的生產(chǎn)控制系統在Chartered還在進(jìn)一步完善，但它對Chartered工廠(chǎng)運營(yíng)的改善作用已非常明顯。
封測廠(chǎng)也面臨著(zhù)同樣的問(wèn)題。當越來(lái)越多的國際封測公司涉足中國后，對生產(chǎn)流程和出貨周期的遠程監控就成為了當務(wù)之急。Camstar商業(yè)發(fā)展部高級總監Manash Chakraborty正在著(zhù)手在上海建立辦公室(Competency Center)，以服務(wù)其國際客戶(hù)在中國的工廠(chǎng)，同時(shí)拓展中國客戶(hù)。
通過(guò)MES系統，AMD、Philips和NEC等公司通過(guò)總部的幾名員工就實(shí)現了全球，包括中國工廠(chǎng)的生產(chǎn)管理和調控。而通過(guò)本地的生產(chǎn)管理人員，可以實(shí)現內部的工藝流程精確到小時(shí)，并且準時(shí)發(fā)貨率OTD（On Time Delivery）超過(guò)90％。繁雜的數據通過(guò)MES系統得到了快速的處理。
當談道能處理復雜的前道工藝的Brooks的系統用于后道是否是“殺雞用牛刀”時(shí)，Brooks中國區業(yè)務(wù)經(jīng)理粱圣柔說(shuō)，軟件和硬件是不一樣的，只要具有功能的完整性，不需購買(mǎi)所有的軟件。在實(shí)施過(guò)程中，客戶(hù)完全可以根據需求對系統的復雜度提出不同的要求，而供應商也將為客戶(hù)提供量身定制的服務(wù)。
設計公司和有外包業(yè)務(wù)的OEM們對代工廠(chǎng)其實(shí)也有著(zhù)一份擔心。而今，Fabless設計公司也擁有了工具，可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)查看產(chǎn)品在代工廠(chǎng)和封測廠(chǎng)的加工進(jìn)展情況。Camstar推出的針對fabless公司的MES系統幫助他們對生產(chǎn)進(jìn)程和周期情況進(jìn)行監控。而今的MES已日益成為整個(gè)半導體制造行業(yè)的控制中心。
這很像是開(kāi)放式廚房的出現。它讓吃客更加放心，從而可能給餐廳增加生意。但這畢竟會(huì )增加一部分成本，同時(shí)給餐廳的管理帶來(lái)一點(diǎn)兒壓力和挑戰。而羊毛出在羊身上，這一點(diǎn)點(diǎn)附加的成本是否很容易讓設計公司接受呢？我們將拭目以待。
COO與OEE
在時(shí)間就是金錢(qián)的今天，與人工操作相比，生產(chǎn)自動(dòng)化軟件能夠改善工廠(chǎng)的整體運營(yíng)狀況，從而提高了工廠(chǎng)的效率，在有限的時(shí)間內為工廠(chǎng)帶來(lái)更多的收益。而目前還有很多軟件在更直接幫我們“算帳和省錢(qián)”。
Wright Williams & Kelly(WWK)的成本模型等軟件可以在工廠(chǎng)運營(yíng)過(guò)程中，根據不斷變化的條件預測成本、銷(xiāo)售額、庫存水平和周期，從而分析COO（Cost of Ownership)和OEE（Overall Equipment Efficiency）。例如可以計算出哪種競爭產(chǎn)品對總體生產(chǎn)成本的影響最小，可以預測出為了產(chǎn)品正常發(fā)貨，需要多少的設備和操作員（operator），也就是制定量產(chǎn)計劃。同時(shí)還能夠預測設備由于維護保養等原因而中斷對周期和庫存水平的影響。這些軟件生成的數據也都可以集成到MES中。而這樣軟件也能夠計算出MES的規則中哪些最適合客戶(hù)的需求，從而幫助工廠(chǎng)的決策者根據大量的數據做出正確的決策。
WWK公司總裁David Jimenez說(shuō)，MES等工廠(chǎng)自動(dòng)化軟件都是基于“規則”的，也就是說(shuō)，它們根據對復雜數據的處理和特定的規則來(lái)決定下一步動(dòng)作。而運營(yíng)分析和成本模型軟件可以幫助客戶(hù)判斷各種條件下的風(fēng)險，從而找到最好的方法解決復雜的問(wèn)題，做出決策，實(shí)現最終的目標。
舉例來(lái)講，如果我們知道了下一階段的產(chǎn)品需要，就可以通過(guò)分析，找到及時(shí)供貨的瓶頸?？赡艿钠款i包括設備的產(chǎn)能和狀態(tài)、人力資源（包括技能和是否有時(shí)間）以及材料情況等。根據仿真的日程分析，工廠(chǎng)需要采取以下的一些措施來(lái)解決瓶頸問(wèn)題，如對瓶頸設備的時(shí)間重新分配、調整工作的時(shí)間和員工的結構、增加庫存材料、外包額外的產(chǎn)能、減少低利潤產(chǎn)品的生產(chǎn)等。而相關(guān)的軟件可以幫助工廠(chǎng)量化調整的影響。
Texas Instruments公司的SiTD項目經(jīng)理David Bouldin說(shuō)，COO是TI在決策過(guò)程中重要的考慮因素。我們曾有過(guò)單次購買(mǎi)成本節約200萬(wàn)美元的例子，而在產(chǎn)品升級和工藝材料變化時(shí)，通過(guò)軟件工具的計算也為我們帶來(lái)了大量的成本節約。
不僅是像TI和ChipPAC這樣的工廠(chǎng)，很多設備公司，如Applied Materials和TEL也在使用相關(guān)的軟件，用以降低零部件的采購成本和工藝成本。
APC離我們還有多遠
雖然先進(jìn)工藝控制（APC）的概念在1999年之前就已經(jīng)開(kāi)始出現，但目前已經(jīng)開(kāi)始應用APC的fab廠(chǎng)還很有限。
APC是指改善單一設備、一組設備甚至整個(gè)工廠(chǎng)內產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化的方法。這里的先進(jìn)是指自動(dòng)的、靈活的和智能的集成工藝控制系統。APC包括批次控制（Run-to-Run Control），以及在運營(yíng)過(guò)程中的錯誤監測與分類(lèi)（Fault Detection and Classification，FDC）。
University of South Alabama教授Manish Misra博士在今年SEMICON West期間的APC課程中介紹，目前Motorola在Overlay和CD工藝中采用了APC后，每年可以節約1億多美元；AMD在CMP工藝過(guò)程中采用APC后，批次的厚度變化降低了15％；IBM在工廠(chǎng)內采用APC用于錯誤的監測和分類(lèi)，每年也節省了數千萬(wàn)美元。（見(jiàn)表1）
正是因為設備可能出現問(wèn)題，同時(shí)原始的工藝設計可能不精確，所以人們需要精確的控制系統，以盡早和準確地評估設備的“健康”狀況，也就是能夠預測未來(lái)設備是否能夠保持健康的工藝，是否需要采取措施，以盡早修正可能出現的工藝偏差。
傳統的統計過(guò)程控制（Statistical Process Control， SPC）是根據統計的數據和一定的規則來(lái)確定工藝是否已經(jīng)失控。Misra說(shuō)，因為數據龐大，統計法可能導致誤報警的幾率很大。如何分析統計的數據、如何解決問(wèn)題、如何避免類(lèi)似的問(wèn)題再次發(fā)生也是SPC經(jīng)常會(huì )遇到的困擾。
正因為SPC的一些局限性，APC應運而生。它采用的是追蹤設備數據，及時(shí)分析，及時(shí)判斷的方法。通過(guò)對工藝信號的分解處理，濾去噪音，得到更準確的設備和工藝狀態(tài)信息（見(jiàn)圖2）。通過(guò)微波形分析，計算和預測未來(lái)幾分鐘后的工藝數據。而潛在的工藝問(wèn)題通過(guò)一定的分析和推測，都可能及時(shí)被預測，從而為工程師提供了時(shí)間，避免工藝參數從量變到質(zhì)變，降低了對成品率的危害。
在目前成品率如此重要的時(shí)代，通過(guò)工藝參數和設備的狀態(tài)變化及早發(fā)現問(wèn)題日益重要。因此APC在中國的應用和普及也將是很必要的。
現代半導體制造對生產(chǎn)率與成品率的要求越來(lái)越高。如何通過(guò)現有的設備和工藝技術(shù)實(shí)現更高的產(chǎn)出和成品率是目前fab運營(yíng)人員每天都要考慮的問(wèn)題。在充滿(mǎn)機器設備，具有“硬朗”外形的工廠(chǎng)，通過(guò)實(shí)施現代化的生產(chǎn)控制、精確的成本預測和實(shí)時(shí)的先進(jìn)過(guò)程控制將能夠有效地改善工廠(chǎng)的運營(yíng)，充分利用軟件的智慧將為我們帶來(lái)更多的價(jià)值。
