“软化”工厂提高效率和成品率

“软化”工厂提高效率和成品率
作者：彭晔
制造厂的生产效率似乎从来没有像今天这样被频繁提及。效率的提升在于好的设备和科学的管理方法，而软件即为管理必不可少的有效工具。从工厂的运营、成本的核算，到生产步骤、设备状态和工艺参数的监控，有了软件工具的帮助，整个工厂的运营状态都将处于生产管理人员和工程师们的掌控之中。
在中国，生产执行软件（Manufacturing Executive Software，MES）正在被更多的fab、封测厂所接受。虽然中国的员工成本相对较低，但现代MES的执行将是对运营模式和管理模式的一次升级。改善的生产周期和准时发货率将是MES带来的最直接的优势，MES和其他工厂自动化软件是中国实现高效运营并与国际接轨的必要工具之一。
花钱花在刀刃上。当中国2006年半导体制造设备采购额以78％的增长速度高居世界之冠时，我们是否也会想一想，在每一次的产能扩张、工艺升级和新品开发之前是否都应该进行一下成本核算？而成熟的软件将会帮助我们更周全的考虑各种因素，给出合理和省钱的解决方案，帮助我们作出最终决策。
在而今成品率随时被挂在嘴边的时代，通过监测工艺参数和设备的状态变化，及早发现问题，避免不可挽回的损失日益重要。而先进过程控制（Advanced Process Control，APC）的优势在此时也将得到充分发挥。目前APC正越来越多地被国际大厂提及，APC正在成为及时发现工艺问题、提升成品率的有效手段。
工厂管理的自动化和现代化
从去年第4季度起，随着产品需求的增加，全球各大fab厂都在扩充产能，而采用MES等工厂自动化管理软件，运用更先进的管理方法，可以有效地采用现有的设备在现有厂房内将产能提高20％－30％。因此很多工厂都希望通过软件以最快的速度实现产能的提升，Brooks Automation中国区业务经理粱圣柔谈到。
据介绍，工厂一般在量产后需要开始考虑自动化问题，从而通过有限的设备最大地提高效率和产能，中国也是这样。中国的很多晶圆厂原来都有自己开发的自动化软件系统，例如华晶和华越。但随着客户要求复杂度的提高，也带来了对软件升级的要求。与国际接轨的管理方法、管理工具和理念就成为了必然需求。
MES是fab自动化的核心，它追踪工厂内生产批次的状态、设备的状态，同时让批次工艺参数与设备匹配而设计的。其中的排程软件（Scheduling Software）帮助决定何时将下一批投入工厂，下一批将是什么产品。调度软件（Dispatching Software）决定当一系列具有不同优先级的批次在排队时，该先处理哪个。同时还有自动软件（Automation Software）告诉自动处理系统将批转移到下一地点。通常这些软件包是相互集成的，可以数据共享。
中国的半导体制造厂以代工的模式居多。代工厂的产品和技术的混合度高，因此对平均制造周期的控制就成为了提高效率的主要挑战。减少周期时间即意味着提高单批处理的可预测性，从而提高了工厂管理的计划性和执行能力。新加坡Chartered实施了实时的生产控制系统（Real-time Production Control System）后，即为fab 带来了自动化程度的提高。据新加坡特许的Chang Chih Ming在今年SEMICON China期间发表的“用于周期改善的集成实时生产控制系统”文章中的介绍，Chartered实施了实时生产控制系统后，整体fab的周期时间分布(cycle-time spread)改善了40％。
在实时的生产控制系统中，MES数据库被集成在了现场调度（shop-floor dispatching）系统和生产监控平台（production monitoring platform）中。这就保证了可能犯错误的批次在限定的周期范围内根据错误情况及时被发现和排除。实时生产监控平台中，与周期时间相关的设备表现被随时监控。采用“queue-time miss ration”的概念，表现不佳、可能影响整个周期的设备将被重点关注。工程师团队的主要精力将投入在保证这些设备的正常生产上。
正是及时的信息帮助Chartered改善了生产周期表现。当实时的数据被集成到批处理系统中时，对滞后批次的自动处理就随即开始了。其他的补救措施，如批次的暂停管理和可能的错误检测也会随即启动，另外，关键设备对周期时间的影响较强，因此它们也被视为重点关注的对象。
实时的生产控制系统在Chartered还在进一步完善，但它对Chartered工厂运营的改善作用已非常明显。
封测厂也面临着同样的问题。当越来越多的国际封测公司涉足中国后，对生产流程和出货周期的远程监控就成为了当务之急。Camstar商业发展部高级总监Manash Chakraborty正在着手在上海建立办公室(Competency Center)，以服务其国际客户在中国的工厂，同时拓展中国客户。
通过MES系统，AMD、Philips和NEC等公司通过总部的几名员工就实现了全球，包括中国工厂的生产管理和调控。而通过本地的生产管理人员，可以实现内部的工艺流程精确到小时，并且准时发货率OTD（On Time Delivery）超过90％。繁杂的数据通过MES系统得到了快速的处理。
当谈道能处理复杂的前道工艺的Brooks的系统用于后道是否是“杀鸡用牛刀”时，Brooks中国区业务经理粱圣柔说，软件和硬件是不一样的，只要具有功能的完整性，不需购买所有的软件。在实施过程中，客户完全可以根据需求对系统的复杂度提出不同的要求，而供应商也将为客户提供量身定制的服务。
设计公司和有外包业务的OEM们对代工厂其实也有着一份担心。而今，Fabless设计公司也拥有了工具，可以实时在线查看产品在代工厂和封测厂的加工进展情况。Camstar推出的针对fabless公司的MES系统帮助他们对生产进程和周期情况进行监控。而今的MES已日益成为整个半导体制造行业的控制中心。
这很像是开放式厨房的出现。它让吃客更加放心，从而可能给餐厅增加生意。但这毕竟会增加一部分成本，同时给餐厅的管理带来一点儿压力和挑战。而羊毛出在羊身上，这一点点附加的成本是否很容易让设计公司接受呢？我们将拭目以待。

COO与OEE
在时间就是金钱的今天，与人工操作相比，生产自动化软件能够改善工厂的整体运营状况，从而提高了工厂的效率，在有限的时间内为工厂带来更多的收益。而目前还有很多软件在更直接帮我们“算帐和省钱”。
Wright Williams & Kelly(WWK)的成本模型等软件可以在工厂运营过程中，根据不断变化的条件预测成本、销售额、库存水平和周期，从而分析COO（Cost of Ownership)和OEE（Overall Equipment Efficiency）。例如可以计算出哪种竞争产品对总体生产成本的影响最小，可以预测出为了产品正常发货，需要多少的设备和操作员（operator），也就是制定量产计划。同时还能够预测设备由于维护保养等原因而中断对周期和库存水平的影响。这些软件生成的数据也都可以集成到MES中。而这样软件也能够计算出MES的规则中哪些最适合客户的需求，从而帮助工厂的决策者根据大量的数据做出正确的决策。
WWK公司总裁David Jimenez说，MES等工厂自动化软件都是基于“规则”的，也就是说，它们根据对复杂数据的处理和特定的规则来决定下一步动作。而运营分析和成本模型软件可以帮助客户判断各种条件下的风险，从而找到最好的方法解决复杂的问题，做出决策，实现最终的目标。
举例来讲，如果我们知道了下一阶段的产品需要，就可以通过分析，找到及时供货的瓶颈。可能的瓶颈包括设备的产能和状态、人力资源（包括技能和是否有时间）以及材料情况等。根据仿真的日程分析，工厂需要采取以下的一些措施来解决瓶颈问题，如对瓶颈设备的时间重新分配、调整工作的时间和员工的结构、增加库存材料、外包额外的产能、减少低利润产品的生产等。而相关的软件可以帮助工厂量化调整的影响。
Texas Instruments公司的SiTD项目经理David Bouldin说，COO是TI在决策过程中重要的考虑因素。我们曾有过单次购买成本节约200万美元的例子，而在产品升级和工艺材料变化时，通过软件工具的计算也为我们带来了大量的成本节约。
不仅是像TI和ChipPAC这样的工厂，很多设备公司，如Applied Materials和TEL也在使用相关的软件，用以降低零部件的采购成本和工艺成本。
APC离我们还有多远
虽然先进工艺控制（APC）的概念在1999年之前就已经开始出现，但目前已经开始应用APC的fab厂还很有限。
APC是指改善单一设备、一组设备甚至整个工厂内产品生产自动化的方法。这里的先进是指自动的、灵活的和智能的集成工艺控制系统。APC包括批次控制（Run-to-Run Control），以及在运营过程中的错误监测与分类（Fault Detection and Classification，FDC）。
University of South Alabama教授Manish Misra博士在今年SEMICON West期间的APC课程中介绍，目前Motorola在Overlay和CD工艺中采用了APC后，每年可以节约1亿多美元；AMD在CMP工艺过程中采用APC后，批次的厚度变化降低了15％；IBM在工厂内采用APC用于错误的监测和分类，每年也节省了数千万美元。（见表1）
正是因为设备可能出现问题，同时原始的工艺设计可能不精确，所以人们需要精确的控制系统，以尽早和准确地评估设备的“健康”状况，也就是能够预测未来设备是否能够保持健康的工艺，是否需要采取措施，以尽早修正可能出现的工艺偏差。
传统的统计过程控制（Statistical Process Control， SPC）是根据统计的数据和一定的规则来确定工艺是否已经失控。Misra说，因为数据庞大，统计法可能导致误报警的几率很大。如何分析统计的数据、如何解决问题、如何避免类似的问题再次发生也是SPC经常会遇到的困扰。

正因为SPC的一些局限性，APC应运而生。它采用的是追踪设备数据，及时分析，及时判断的方法。通过对工艺信号的分解处理，滤去噪音，得到更准确的设备和工艺状态信息（见图2）。通过微波形分析，计算和预测未来几分钟后的工艺数据。而潜在的工艺问题通过一定的分析和推测，都可能及时被预测，从而为工程师提供了时间，避免工艺参数从量变到质变，降低了对成品率的危害。
在目前成品率如此重要的时代，通过工艺参数和设备的状态变化及早发现问题日益重要。因此APC在中国的应用和普及也将是很必要的。

现代半导体制造对生产率与成品率的要求越来越高。如何通过现有的设备和工艺技术实现更高的产出和成品率是目前fab运营人员每天都要考虑的问题。在充满机器设备，具有“硬朗”外形的工厂，通过实施现代化的生产控制、精确的成本预测和实时的先进过程控制将能够有效地改善工厂的运营，充分利用软件的智慧将为我们带来更多的价值。