半導體廠自動化 |
| |
2001/11/7
黃漢邦、游志源 / 國立台灣大學機械系
#P#簡介
隨著電子科技與網路技術的進步以及電子產品需求量的激增，使台灣逐漸走向高科技產業的時代。過去數年來，台灣在個人電腦、工作站、消費性電子產品和網路等的供應與需求日益增加，甚至居於重要地位。在這些高科技產業中，以半導體業發展的最快也最蓬勃，今日的半導體業已經是台灣的龍頭產業。不論是電腦的記憶體、CPU、音效卡、顯示卡、行動手機等都是由功能強大且體積小的積體電路所組成。
一個特定功能的積體電路必須經過研發設計、製造、測試、封裝等四大步驟才完成。在90年代以前，一個半導體廠的大公司通常為了保持競爭的優勢及技術的保密性，會自行設計與製造，甚至連測試與封裝也不假外人之手。
但由於競爭者日眾、功能需求愈強和生產機台越來越昂貴，為了增加IC產品的競爭力，半導體業由原來的各自獨立完成，轉型成專家分工的形式。上游的公司專職新產品及新技術的研發，製造則委託晶圓代工廠生產，然後在交由測試封裝廠完成最後的階段，終而產品產出。由於專業的分工，晶圓代工廠和測試封裝廠可以享有經濟規模帶來的高利潤，而IC設計公司也可以免除投資生產設備及管理所需的成本與風險。
由於是屬於被動生產，晶圓代工廠必須建立高度的客戶滿意程度、準確的交期承諾、高度產品混合生產的應變能力才能保有更多的商機，也唯有如此才能在以客戶為導向的競爭環境中永續生存。為了達到上述的目的，半導體廠必須從效率和應變能力著手，其中包括組織的效率、生產的效率、管理的效率和人員的效率等。自動化是提升效率的主要方法，但實行自動化的前提必須是在周邊軟硬體、技術和管理人員心態都成熟的基礎上才會提升效率。
表一所列的是SEMATECH在CIM Framework 2.0中，針對半導體業在製造、設備、加工、架構和軟硬體所提出的未來技術趨勢表。本文即針對半導體業在自動化技術的部分加以探討。
#F#表一：未來技術趨勢表
#P#半導體廠的企業架構
一個工廠的營運包括了最上層的企業經營管理層、生產管理層、生產部門控制層及最底層的單元控制層。每一個階層皆有各自的責任和功能，如圖一。
#F#圖一：企業經營管理階層
#P#企業經營管理層
每一個企業公司的遠景與營運目標，通常是由總經理級以上的高階主管來主導公司的營運策略，如台灣積體電路公司所提出的虛擬企業(Virtual Enterprise)。一個企業可能同時是供應商和製造商，公司如何在供給鏈中扮演自己的角色及應付複雜的客戶需求將由這一層的機制決定。企業經營者通常根據下列的管理資訊作為決策的參考：
●經營資訊管理
●行銷規劃與管理
●經營規劃與管理
●長期生產計畫
#P#生產管理層
一個公司可能擁有許多生產工廠，在收到訂單之後，會根據各個產能狀況、製程能力、成本、上游供應廠的供給能力來做各廠的生產排程和長期生產計畫。因此，生產管理層考量的因素如下：
●主生產排程
●生產資訊管理
●採購管理
●物料需求規劃
●成本管理
●運輸管理
●訂單
#P#生產部門控制層
生產部門是收到生產工令之後，按主生產排程的規劃實際下貨生產的單位。在實際生產的同時必須考量現場的種種狀況，包括在製品分佈、機台狀況、迴流現象的影響、產品交期的限制、產能的極限等。考慮因素臚列如下：
●短期生產排程
●現場監控
●物流管理
●品質管理
●製程管理
●動態派工法則
●重排程與重規劃
●操作員管理
●績效管理
●瓶頸預測與解除
●製程時間控管
●在製品控管
#P#單元控制層
這一層已經和現場機台、各種設備、搬運系統直接相關，包括：
●製造單元管理
●機台狀態資訊管理
●自動化搬運管理
我們從縱向的企業營運可以看到一個企業的生產必須有機器的生產、搬運系統的搬運和資訊的流動。各種位於不同階層的管理必須仰賴正確快速的資訊，再配合有經驗的管理人員或專家系統來協助各種管理的推動。要實行企業的自動化，就必須針對物流、資訊流和機器設備這三個部分的自動化加以討論。另外對於企業的資料整合也是一個重要的課題，因而才有資料倉儲這個概念的提出。
#P#機器設備自動化
目前半導體廠大多是八吋廠，只要透過上層的整合控制，再配合批貨的追蹤及批貨生產的參數，機台大多可以自動加工。半導體的機台種類及加工形式也有所不同，有的可以批次生產，有的只能一片一片的加工，有的為了上下連續加工步驟的方便，會把兩個以上的機台當作一個群組，如黃光區的機台常常將上光阻、烘烤、曝光、顯影等步驟的機台組合而成In-Line的一部機台，如此只要將晶圓整批放到機台的進出埠(load port)，當晶圓回到晶舟(cassette)時，上述的數個步驟就完成了。
半導體製造正由200 mm晶圓過渡至300 mm晶圓，由於晶圓重量過重及潔淨度之要求，半導體製造勢必全自動化。而由於彈性製造之要求，半導體製造亦正從多晶圓之批次製程(Batch Process)轉為單晶圓製程(Single Wafer Process)，而設備之安排正漸形成單元(Cell)化，即所謂集結式機台亦正擴大在半導體廠中使用。建立集結式機台的好處是可以省下換到下一個步驟的搬運時間以及當連續加工步驟的間隔時間有限制時，可以得到較佳的生產品質。集結式機台硬體架構如圖二。
#F#圖二：理想之集結式機台硬體架構圖
集結式機台之設計，重點在於運送模組(Transport Module)、製程模組(Process Module)與檢測模組 (Inspection Modules)間的相結合。運送模組含有運送壓力艙(Transport Chamber)，運送機器手臂(Transport Robot)，壓力艙內環境，如壓力溫度、潔淨、濕度、振動之控制，及與製程模組相結合之運送介面機構。介面機構等之設計均須遵循 SEMI 規範。
機台要自動化加工必須配合對機台訊息的傳送才可以達成，所以機台本身的訊息和狀態必須能傳送回上層的控制模組。同樣地，控制模組在收到上層的指令之後也要傳控制訊息去指示機台的運作模式，所以上層控制和機台間的溝通必須要有一個共通的介面。以下簡介在半導體機台常用的規格。
SECS(Semiconductor Equipment Communication Standard)為半導體業中機器設備溝通的標準。SECS I的主要目的在確保主機（Host）至設備（Equipment）或設備至主機之間進行正確的傳輸。SECS II的主要目的在訂定設備製造商製造設備時，所提供的溝通服務（communication services）的標準，以做為現場監控的準則，其中包含了資料結構的規則（data structure rule）與訊息結構的指導方針（message structure guidelines）等。
GEM(Generic Equipment Model)的觀念是將複雜的機台行為分解成較簡單的數個子行為（小模型），如Communication、Processing、Control、Monitoring 等，並嘗試建立標準的子行為準則，使得機台廠商根據此準則來製造機台。在另一方面，半導體廠也因使用標準介面來降低操作上的錯誤而受惠。GEM 依照機台的行為定義出狀態模型，訂出各種狀態，如Communication、Processing、Control、Monitoring等，然後再將狀態細分為一個或數個腳本（Scenario），並以IF...THEN...ELSEIF等來精確地用SECS II敘述狀態的行為。
狀態模型的優點為主機可以根據狀態模型來預測或決定機台的行為，讓使用者和程式設計師對機台行為能夠有一致的描述方法。而相同的行為模式也可應用到其他機台上，節省重新設計的時間。GEM藉由狀態圖提供一般機台的參考模型，由於不同機台可以有相同的狀態，所以用GEM可以省下相當多重新設定的功夫。另外以腳本來控制機台，可以減少逐步操作可能產生的錯誤，所以GEM的使用相當的普遍。簡言之，GEM定義了在SECS II環境下，半導體機台的基本行為、機台的資料和控制函式的描述。
在此也簡單的介紹SMS(SECS Message Service)和HSMS(High-Speed SECS Message Services)。SMS使訊息服務能在Association Control Service Element（ACSE）及陳述層(Presentation layer)間使用。而HSMS定義了一種適合於半導體廠內的電腦間訊息交換的通訊介面。它提供了個別製造者一個不需知道其它特定資訊就能連接或交互作用來進行生產製造的方法。在應用上，HSMS具有高速的傳輸能力，當單純的點對點(Point-to-Point)架構不夠用時可以取代SECS I，同時它也能在OSI架構上使用TCP/IP，是SMS的替代方案。
#P#搬運自動化
相對於傳統產業的工廠，由於機台生產的自動化，使得半導體廠的自動化程度比其它產業來的高。在物流搬運的部分，由於半導體廠的機台分佈類似零工型(job shop)的佈置，廠區的佈置通常分成數區。依照製程方式的不同可能有黃光區、離子濺鍍區、化學氣相沈積區、物理氣相沈積區、蝕刻區、擴散區、化學機械式拋光區和測試區等，而每一區還會細分成數個bay。在同一條bay的搬運稱之為intrabay搬運，需要從一條bay搬運到另一條bay的搬運稱之為interbay搬運，如圖三。
#F#圖三：Interbay、Intrabay與Stocker的關係
Interbay的搬運通常事先從bay 1經由PGV、RGV、AGV或OHT搬運到該bay 所對應的stocker 1。Stocker 1裡的機器手臂再將批貨送到interbay上去。在現在的200mm廠中，interbay的搬運通常已經自動化，一般是利用OHS來搬運。在interbay上的OHS會將批貨送到目的地所對應的stocker 2，stocker 2裡的機器手臂再將批貨送到bay 2，在bay 2上的人或自動搬運車再將這一批貨送到目的機台。在200mm廠中，interbay已經是自動化搬運了，intrabay則可能是由人工搬運(PGV)、導軌車搬運(RGV)或無人搬運車(AGV)來做intrabay的搬運。但在300mm的環境中，由於晶圓面積的加大導致重量為之加重(因25片的12吋晶圓加晶舟重達8公斤)，如果還仰賴大量的人工搬運的話，潛在性的職業傷害比較高。藉由自動搬運系統(Automatic Material Handling System)來搬運會比人工搬運的動作溫和、出錯率比較低，更重要的是可以實現半導體廠全面自動化搬運及生產。可以確定的是全面自動化搬運及生產是下一個世代半導體廠不可或缺的重要技術。
#P#電腦整合自動化
在搬運自動化和機台設備自動化中所涵蓋的層面是屬於單元控制層及現場機台設備的自動化，在圖一中，單元控制層以上的部分是屬於管理、策略、排程和派工的範疇。電腦整合製造(CIM)就是利用電腦技術整合資訊流和物料流，使資訊流能有一個共通的介面互相做溝通，使物料流更有效率、成本降低。
電腦整合自動化的優點如下：
●縮短生產週期：可以減少搬運和等待的時間
●改善品質：可以即時得到批貨的狀況以快速反應
●降低生產成本：減少人員的雇用
●提高機台和設備的使用率
●完全掌控現場機台和批貨的狀況
為了使各個系統的資料和功能能互相整合，新一代的電腦整合製造系統必須考慮以下的功能：
●彈性
●模組化
●物件導向程式設計
●擴充性
●整合各個管理、監控系統
●整合現有和舊有的系統
從表一可以看到有關應用程式的架構正由傳統的主機系統轉移到主從系統的架構再轉移到分散式的架構。分散式的架構擁有下列的優點：
●分散同步處理
●彈性的增加新的應用程式
●開放性的資源共享
●較高的錯誤容忍度
●安全
●效能平衡
應用在半導體廠的分散式環境主要有OMG所提出的CORBA和Microsoft所提出的DCOM。這兩種架構都可以整合從最下層的機台到最上層的企業管理層，如圖四。圖五是CIM Application Framework，架構在分散式的環境之下，隨時可以新增需要的模組和應用程式到系統之中。由於架構在這兩種規格的模組擁有網路通透性的優點，縱使位於不同層級的模組，都可以透過分散式的內部機制存取別的模組所提供的功能。從圖四可以看出，企業本身透過分散式架構作垂直式的整合，同時在最上層的企業管理層也可以與客戶、協力廠、上下游廠透過各種標準規格與企業流程互相結合。
#F#圖四：分散式架構圖
#F#圖五：CIM Application Framework
#P#虛擬代工廠(Virtual Fab)
以客戶服務為企業經營目標的代工廠，必須使客戶有充分的信心將產品交給代工廠生產。為了使客戶能即時的得到代工廠的營運狀況、委託生產批貨的即時訊息及接受更多訂單和挑戰，新一代的企業服務"虛擬代工廠"的觀念日益重要。虛擬代工廠建置的目的就是要使自己的晶圓廠成為客戶的晶圓廠。要建置虛擬代工廠的基礎是：
●穿透性與分散性：客戶可以利用網際網路的技術，在任何一個地方直接讀取到實際工廠的訊息。
●即時的模擬技術：客戶除了可以得到現場的即時資訊外，同時也希望能知道自己產品是否可以如期交貨，以方便作相對應的處理。
●客製化服務：電子產品日新月異，有時客戶會根據市場的情況去做產品組合的更改，代工廠必須能針對不同需求有不同的服務方式。
●完整的自動化架構：為了達到上述功能，半導體廠必須對內部生產的情況及訊息完全掌握，才能提供給客戶最正確最快的相關資訊。所以要成功的提供服務給客戶，必須架構在全廠的自動化之上。
●資料倉儲：各種訊息的本質是資料，所以有效率的資訊流動必須有完整的資料儲存。
#P#結論
自動化的發展從早期的單機操作、彈性製造單元、彈性製造系統、工廠自動化到電腦整合製造，延續性的發展不外乎要提供更好的服務、更有效率的作業、更低的成本和更安全的工作環境。這些發展主要著重在企業內部的自動化，而最近正在積極推動的快速回應(QR)、持續獲得與壽期支援(CALS)和整合前面所提的自動化技術的智慧型製造系統(IMS)，都是從跨企業的角度來思考。這樣的管理方法，不僅解決企業內與企業間各種活動的瓶頸並迅速回應市場及環境的變化，更藉由相同標準和改善企業程序以縮短產品交貨及上市時程、降低成本、增加品質和提升競爭力，以達到企業自動化的目標。電子商務(Electronic Business)包括企業對消費者(Business To Customer) 和企業對企業(Business To Business)兩部分。電子商務結合企業自動化和網路技術，目的是要創造企業電子化和電子化經濟的環境，也是目前自動化的最新趨勢。
#P#參考資料
[1]"CIM Framework Specification", SEMATECH, Version 2.0, 1998。
[2]"Books of SEMI Standards", SEMI, 1996。
[3]"300mm Global Joint Guidance CIM Phase II Report", SEMATECH, Santa Clara, USA, 1998。
[4]"創造21世紀次世代製造業"，經濟部工業局，1999。
[5]黃漢邦，"CIM，CALS與QR"。
[6]鄭芳田、李浩倫、鄧俊彥、黃富鴻、趙志斌，"自動化科技在半導體封裝廠的應用"，1998。
#P#作者
黃漢邦教授於1986年取得美國密西根大學電機及資訊工程博士，現任職於台灣大學機械工程學系及工業工程研究所教授，同時擔任台灣大學製造自動化中心主任, 中華民國自動化科技學會秘書長，和International Journal of Fuzzy Systems總編輯。黃教授之研究興趣為製造自動化、產業電子化、人工義肢、data mining及系統控制。
游志源先生於1997年取得台灣大學機械工程學系學士學位，現為台灣大學機械工程研究所博士班學生。他的主要研究興趣為虛擬製造、IC工廠建模、ERP、及供應鍊。 |
|
|
|
| |
|
