半导体制造系统操作工配置方法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.33MB 62 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 问题的提出
按照生产系统的复杂程度，可以把制造系统分为两大类，一类是简单制造系
统，即由单个过程或多个独立的过程构成；另一类是复杂制造系统，即制造过程
是由相关的多个过程所构成。在复杂制造系统中，尤以在制品(Work-In-Process,
WIP)多次重入生产线（Reentry、Re-entrant）的制造系统最为复杂，半导体晶圆
制造系统就是多重入复杂制造系统中的典型代表。它是不同于传统的 Job-shop 和
Flow-shop 生产类型的“第三类生产方式”，其生产过程存在典型的“多重入”
特征[1-2]。近年来，复杂制造系统成为国内外制造工程界和学术界研究的热点，特
别是半导体晶圆制造系统。从 20 世纪 90 年代中期开始，海外一些半导体制造大
国，如美国，对于该复杂制造系统的研究经久不衰，而我国对此的研究才刚刚开
始。
众所周知，半导体产业是著名的“食金”产业，特别是其晶圆加工生产线的
投资强度是随所加工晶圆的直径及芯片加工精度呈指数增长的。半导体芯片越做
越小，投资越来越贵。市场容量平均每 4-5 年翻一番，投资额也是平均每 4年翻
一番。19 世纪 70 年代的 3英寸生产线，投资额仅需 0.25 亿美元，而现在的 8英
寸生产线投资额要 10 亿美元，12 英寸线投资额要 20-30 亿美元。其投资强度大
的原因之一就是设备数量多，设备价格昂贵，比如 8英寸的光刻机一台就高达数
千万美元（最贵的可达 8000 多万美元），一台大流束离子注入机的价格也与此相
当。而一条 8英寸晶圆生产线是由数百台设备所构成的，加上高标准的无尘洁净
工作室的巨大造价，其投资密集程度可想而知。因此，提高这样一条生产线的生
产率将是任何晶圆管理者所追求的目标。
目前对于半导体制造系统的研究主要集中在设备生产能力计划和调度问题上
[3-4]，对操作工资源管理的研究较少，本文就是针对半导体晶圆制造系统的操作工
配置方法问题进行研究，以期提高晶圆制造厂的产出率。
§1.2 研究目的及意义
§1.3.1 研究目的
近年来，随着我国劳动力成本的增长，许多企业尤其是半导体制造企业开始
着重研究如何在保证正常生产的情况下减少劳动力成本，从而保持“中国制造”
的国际竞争力[5-6]。在制造系统中，人机比作为衡量生产效率的重要指标之一，被
认为是提高生产效率的一个重要手段[7-8]。半导体晶圆制造是一种设备密集型工
业，设备的昂贵和越来越快的更新速度使得在半导体制造中把重点都放在了设备
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和调度问题上，然而，管理者们往往没有注意到，人员的配置在保持设备的高效
使用方面有着重要的作用。因此本文的研究目的就是对操作工的配置方法进行研
究，从而提高半导体制造系统的绩效。
§1.2.2 研究意义
在实际生产中，操作工主要的工作就是装载和卸载晶圆片。当一台设备可以
进行加工时，操作工必须要装载晶圆片；当一台设备完成一次加工时，操作工必
须要卸载晶圆片。通常情况下，一个操作工要负责一台以上的设备，但是在同一
时刻操作工只能操作一台设备，当有两台或两台以上的设备都要求操作工服务时，
至少有一台设备要处于等待的状态，也就是说，这台设备被操作工正在服务的设
备干扰了。这就是我们所说的设备干涉问题。这种由于操作工未能及时装载和卸
载晶圆片而造成设备空闲所付出的代价是十分昂贵的，会造成产能的直接损失[9]
和生产周期时间的延长[10]。使用更多的操作人员虽然能避免设备处于空闲状态，
但是会增加人力成本。因此，如何配置操作工能够避免设备处于空闲状态的同时
又能不增加人力成本，研究这样一种操作工配置方法对于半导体晶圆制造企业是
十分重要的。
操作工的有效配置能够提高半导体晶圆制造厂的生产率。半导体制造的设备
是十分昂贵的，但是集中于研究设备的生产能力计划和调度问题是不够的，不管
计划安排的多么完善，工厂的运作还是需要适当的安排训练有素的操作人员才能
完成。而且，在操作人员数量一定的条件下，优化人员的分配也有利于提高设备
的使用率，从而提高整体的生产效率。
此外，虽然人力成本相对于设备成本是低很多的，但是人员数量方面的决策
还是很必要的。在实际生产运作管理中，为了提高企业的竞争力，管理者会想方
设法的去降低每一项成本，会十分谨慎的增加每一名员工，这往往导致人力资源
部门与生产部门在操作人员数目方面的分歧，生产部门总是感觉人员不够，而人
力资源部门总是不希望增加人数，只有生产部门拿出相对有力的证明才会同意增
加员工。因此，在实际的生产中不得不考虑操作工的配置问题，使得在保证正常
生产的前提下，尽量减少车间中操作工的人数。研究操作工的配置问题也为生产
部门和人力资源部门的沟通协调提供一种有利的手段。
§1.3 论文结构
§1.3.1 研究内容
本课题研究半导体制造系统中操作工的配置方法。操作工的配置包括操作工
数量的决策问题和操作工的分配问题。研究内容主要包括两大部分：
1、研究在满足一定设备利用率的条件下，某加工区域所需的最少操作工数量。
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1）根据在制品状态和计划投料量对设备利用率进行需求预测。虽然瓶颈设备
需要更多的操作人员以保证瓶颈的产出率，但是如果分配给瓶颈设备组太多的操
作人员，就势必减少其他设备组的操作工数量，容易导致那些利用率仅次于瓶颈
的设备组成为新的瓶颈，产生瓶颈漂移，因此我们应该根据设备的利用率需求进
行操作工的分配。
2）根据设备利用率的需求预测确定所需操作工的最少数量。其中，操作工的
利用率不能超过设定的上限，整个加工区域的设备利用率也不能低于所要求的目
标。
3）调整操作工数量。在短期决策中，可获得的操作工数量可能少于计算出的
所需操作工数量，因此我们就要在设备组之间根据它们的目标利用率来平衡操作
工的分配。
2、在操作工数量一定的条件下，进行操作工的分配。考虑到操作工的技能等级问
题。不同的技能等级会影响到产品的质量，其成本也不同，技能等级可通过培训
来提高。
1）建立混合整数规划。以培训成本和质量损失成本为目标。质量损失成本与
操作工的技能等级有关。通过对模型的扩展，可用于对比检验平衡和非平衡计划，
为人力资源部门培训计划的制定提供参考。
2）运用 lingo 软件进行求解。
§1.3.2 论文结构
本文共分六章：
第一章：绪论
简要说明本文问题的提出、研究目的和意义以及论文研究内容和结构。
第二章：半导体制造系统操作工配置研究
介绍了半导体晶圆制造的流程、晶圆复杂制造系统的特性及常用的生产绩效
指标；对相关文献进行了回顾，总结了以往研究的成果与不足；介绍了本文研究
的创新点。
第三章：操作工数量决策问题研究
在一定的假设条件下，描述了操作工数量决策方法的 3个模块。一是设备使
用率需求及服务请求到达率的预测模型，该模块主要利用在制品量和计划投料量
计算一个工作中心所有设备组的使用率需求及服务需求的到达率；二是操作工需
求计算模型，主要计算完成前一模块预测的设备使用率所需的操作工数量；三是
操作工数量的调整模型，当可获得的操作工总数量与计算出来的所需操作工的总
数量不一致时，需要根据设备组的使用率绩效情况增加或者减少其操作工数量。
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第四章：操作工分配问题模型研究
针对操作工的分配问题建立了混合整数规划模型，以最小化质量损失成本和
培训成本为目标，模型中考虑了操作工的技能等级和培训时间，满足不同岗位对
操作工技能等级的需求，保证了产品的质量。通过对模型进行扩展，可用于检验
平衡和非平衡培训计划的结果，从而为人力资源部门制定培训计划提供参考。
第五章：实例研究
将建立好的操作工数量配置模型和分配模型用于半导体制造系统中的一个工
作中心，并通过得到的结果说明该配置方法的效果。
第六章：研究总结与展望
对本文的研究工作进行总结，并对后续研究方向进行展望与建议。
第二章 半导体制造系统操作工配置研究
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第二章 半导体制造系统操作工配置研究
§2.1 半导体制造系统简介
§2.1.1 半导体术语介绍
为表述方便，这里首先解释一些论文中常用专有名词
1. 晶圆批（Lot）：
在半导体晶圆制造厂中，为生产、管理及运送方便，一般将 25 片晶圆装载在
一个舟形容器（俗称晶舟）中，这 25 片晶圆称为一个晶圆批，作为基本加工单位。
2. 瓶颈设备组（Bottleneck work station）：
一个设备组包括若干台相同的设备，瓶颈设备组是晶圆制造厂中使用率最高
的设备组，其产出决定着整个系统的产出。
3. 在制品（Work-In-Process, WIP）：
晶圆制造厂中正在加工或等待加工的未完工的晶圆。晶圆厂的晶圆片一片成
本很高，过多的晶圆在制品会使公司的现金流量受到限制，还会导致良率降低，
因此在制品数量成为晶圆厂努力的重点之一。在制品水平很高的生产环境需要更
多的人力，并导致加班成本的增加。
4. 加工步骤（Operation）：
晶圆加工过程中最小加工单位，指晶圆从进入加工设备到加工完毕移出设备
的过程。
5. 加工路径（route）：
晶圆的加工工艺是以逐层形式构建的，所有加工一层所需进行的加工步骤总
称为一个加工路径。
6. 装载时间（Loading time）：
指操作工把一个 lot 放至当前可用设备上，完成其他活动使该 lot 在设备上开
始加工所持续的时间。
7. 卸载时间（Unloading time）：
指操作工将 lot 从设备上移下来，完成其他活动使加工过程结束所持续的时
间。
8. 作业流程时间（Operation flow time）：
晶圆在某个加工步骤上的加工时间加上在该设备前的等待时间。
9. 生产周期时间（Cycle time）：指原材料投入到生产中直至形成成品离开
系统所需要的时间。生产周期时间的减少可有效增加产出，时间越短良率就越容
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易得到控制，而且可以有效的减少在制品与成品的存货，降低成本。生产周期时
间最小，可以增加公司应付市场变动的能力。
§2.1.2 半导体晶圆制造过程简介
1. 半导体制造概述
将晶体管、二极管、电阻器、电容器等电路组件聚集在硅芯片上，形成一个
完整的逻辑电路，以达成控制、计算或记忆等功能，这个硅芯片就是集成电路
（Integrated Circuit，IC）。IC 的生产流程，从线路设计开始，经过了光罩制作、
晶圆加工制造、晶圆测试、芯片切割、封装、后段测试而产出最终成品。总体上，
半导体芯片的制造过程可分为四个阶段：芯片设计（design）、晶圆制造（wafer
fabrication）、封装（assembly, packaging）以及测试(final test)，如图 2-1 所示。
图 2-1 半导体芯片制造过程
在这系列流程中，IC 制造业的角色系定位在晶圆加工制造阶段（即以晶圆加
工制造厂为主）。 IC 的制造流程，始自 IC 设计，负责 IC 设计的单位有 IC 设计
公司（无晶圆厂，Fabless）及整合型半导体厂（Integrated Device Manufacturer，
IDM，从设计、制造、封装测试到销售都一手包办）的 IC 设计部门。IC 设计完成
后，再按照预定的芯片制造步骤，将 IC 的电路布局图转制于平坦的玻璃表面上，
这块玻璃就是光罩。以照相为例，光罩与 IC 的关系正如底片与相片，故光罩就如
同制造 IC 的模具。
IC 光罩完成后，运用光刻成像的技术，以光阻剂等化学品为材料，将光罩上
极细的线路图一层层复制在硅晶圆上，再运用化学品清洗、蚀刻，就完成晶圆的
制造。
Manufacturing
制造业
(产值:63%)
Design
设计业
(产值:14%)
Assembly
封装业
(产值:19%)
Testing
测试业
(产值:4%)
Wafer (晶圆)
Mask (光罩)
Equipment(设备)
Chemicals (化学品)
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接下来是测试晶圆，然后将合格的芯片自晶圆上切割下来，接着再进行封装
（通常是以金线连接芯片与导线架的线路，再以绝缘的塑料或陶瓷外壳封装）、测
试，即完成 IC 的制造。
在 IC 产业，衡量技术水准高低往往使用线宽，即电子组件间的线路间距，其
实也是电子组件的大小。线宽越细，同样面积能集积的电子组件越多，即 IC 产量
越大，代表的技术水准越高。衡量线宽的单位，一般采用微米（
m），即 10-6m。
随着线宽的日益缩小，现在计算单位已发展到纳米（nm），也就是 10-9m。常见的
报导如制程 0.35 微米，亦即生产的 IC 线宽为 0.35 微米。由于制程技术的迅猛发
展，电路组件越做越小，使 IC 成本越来越低。英特尔名誉董事长摩尔经过长期观
察，提出著名的摩尔定律指出，每隔一年半，IC 内部组件的集积度可提高一倍，
也就是说在同样面积的晶圆下，生产同样规格的 IC，随着制程技术的进步，每隔
一年半，IC 产出量可增加一倍，即成本相对降低五成，亦即每年成本可降低三成
左右。因此，集成电路产业行情呈现大幅下跌的趋势。在 1977 年，每兆位 DRAM
的行情约 1000 美元，到 1999 年已不到 0.2 美元，产品行情就大跌到六千分之一
以下，这种跌价的速度，实非其它产业所能比。
集成电路产量的增加，通常有两种情况，一为设备扩充，包括扩建新厂或扩
增新设备，使 IC 产量增加，也就是“静态产能增加”。另有一种是“动态产能增
加”，主要是指技术的进步（可能需要配合小部分更精良设备的增添），就可增加
IC 的产量。以 DRAM 厂为例，虽然同是八英寸晶圆生产线，但以不同的制程技术
生产 64M DRAM，每片晶圆产量的差异，就会有天壤之别。在 0.2 微米的制程技术
下生产 64M DRAM，每片八英寸晶圆可切割出 588 颗芯片（含良品及不良品），约
为 0.35 微米技术可切割出芯片数的四倍。也就是说，制程技术由 0.35 微米发展
到 0.2 微米，若良率相同，产量就如同增加三座厂一样。虽然高制程技术产量较
多，但未必是最佳选择。首先应考虑良率问题，若 0.2 微米的良率只有 30%，则
每片八寸晶圆可生产良品 176 颗，而若 0.35 微米的良率有 80%，则每片八寸晶圆
可切割出良品 324 颗，两者相比，以 0.35 微米技术生产显然较有利。
2. 半导体晶圆制造过程简介
晶圆制造是半导体制造中资本投入最大、耗时最多、工艺最为复杂的一个阶
段。半导体晶圆的整个制作技术包括：综合氧化、扩散、显影、蚀刻、薄膜，及
离子植入等反复制程，并整合微影技术、光阻处理技术、蚀刻技术、平坦化技术、
扩散与植入技术、薄膜技术及制程控制技术。主要的生产设备有：微影设备、蚀
刻设备、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、离子注入设备、物
理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学机械式研磨（Chemical
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1问题的提出按照生产系统的复杂程度，可以把制造系统分为两大类，一类是简单制造系统，即由单个过程或多个独立的过程构成；另一类是复杂制造系统，即制造过程是由相关的多个过程所构成。在复杂制造系统中，尤以在制品(Work-In-Process,WIP)多次重入生产线（Reentry、Re-entrant）的制造系统最为复杂，半导体晶圆制造系统就是多重入复杂制造系统中的典型代表。它是不同于传统的Job-shop和Flow-shop生产类型的“第三类生产方式”，其生产过程存在典型的“多重入”特征[1-2]。近年来，复杂制造系统成为国内外制造工程界和学术界研究的热点，特别是半导体...

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