多重入半导体晶圆制造系统多目标整合式派工法则研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 1.02MB 49 页 15积分
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第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 研究背景、目的及意义
§1.1.1 研究背景及目的
半导体产业具有竞争激烈、产品生命周期短，技术层次高等特性，如何在这
激烈的竞争中脱颖而出，已成为国内半导体从业者最重要的经营方针。由于半导
体晶圆其制造一般需要几百道工艺，生产周期需要 2 个月左右，而生产过程中一
些突发事件的影响，加上其复杂的制造特性，以及回流特性，很容易引起生产周
期的延长，因此，如何控制并缩短生产周期是晶圆厂生产管理的主要目标之一。
晶圆厂除了生产周期的均值外，其波动（Variance）大小也是要考核的重要绩标
之一。生产周期波动小，产出预期更加准确。同时半导体产品寿命周期短，而生
产周期较长，客户对交货水平往往要求严格，因此，提高晶圆厂的准时交货率也
是晶圆厂生产管理的主要目标之一。
派工法则由于其运用简单，效果明显，其在晶圆厂的运用非常广泛。例如关
键比例法（critical ratio），最短加工时间法（shortest processing time），
最早交货期法则（EDD）[1]等
然而上述派工法则只针对某个单一的绩效指标进行优化，并不能顾及其他重要
的绩效指标，例如 SPT 在缩短平均流程时间上具有很好的绩效，然而其确会增加
平均流程时间（CT）的方差，从而使提前期（Lead time）。又例如关键比例法（CR）
在提高准时交货率上具有相当高的绩效，但是其在优化流程时间（CT）以及其方
差上表现较差。
因此，大多数的派工法则目标具有单一性，而半导体生产系统需要兼顾多个
绩效指标，如考虑生产流程时间的同时，需要顾及准时交货率，这就需要建立能
够兼顾多个绩效指标的派工法则，不仅需要考虑某些单一的绩效指标，同时还要
考虑生产系统的系统表现。
本研究的目标是为具有多重入回流特性的半导体晶圆生产系统建立一个能够
兼顾多个绩效指标的派工法则，研究兼顾以下几个绩效指标：(1)准时交货率（on
time delivery）;(2)延迟时间的方差（variance of lateness）;(3)平均流程时
间（mean cycle time）;(4)平均流程时间方差（variance of cycle time）。
§1.1.2 研究意义
1、晶圆制造系统是资金密集程度极高、制造过程极为复杂的制造系统,值得研究
多重入半导体晶圆制造系统多目标整合式派工法则研究
2
1）它是世界上资金最为密集的制造系统之一
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，投资额度也越来越大。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。1970 年代的 3 英寸线，投资额仅 0.25 亿美元，现在 8 英寸线投资额
10 亿美元，12 英寸线投资额高达 20-30 亿美元。其投资强度大的原因之一就是设
备数量多，且价格昂贵，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。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。
2）它是世界上流程最为复杂的、设备回访率最高的制造系统
晶圆的加工单位为一个 lot（1 批，约 25 个晶圆片），半导体晶圆制造以晶圆
做基片，采用逐层方式重复在晶圆上加工，形成一层层的电路系统。加工完一层
后，晶圆会重复以前的某几个步骤，即重入到以前的设备继续加工。图 1-1 为某
晶圆产品的制造示意图，B 代表每个工作中心的仓储区。图中晶圆在黄光区加工了
3 次，蚀刻区加工了两次。由于晶圆加工设备极为昂贵（每台设备投资高达几百万
美元甚至数千万美元），为了减小设备投资，提高设备利用率，需要将同种加工操
作的 Lot 安排在同类型设备上完成。这样，同一设备前待加工的在制品（WIP）既
有不同产品类型的在制品，又有属于同一产品类型但处于不同加工阶段的在制品。
半导体晶圆直径进入 8 英寸以后，其半导体制造系统的加工复杂程度呈现指
数级上升，每片晶圆都要经过三、四百道加工工艺，加工层数约 20-40 层，即重
入 20-40 次。某些被重复访问次数多的设备就容易成为系统瓶颈。重入特性增加
了晶圆制造工艺的随机性，使得生产线的瓶颈漂移现象突出，生产线极不平衡，
严重影响了企业绩效指标的实现。
2、晶圆厂各绩效指标之间存在冲突，该问题突出，值得研究，
半导体晶圆厂的主要绩效指标有：生产周期（CT，也称生产流程时间）、准时
交货率，设备利用率、产出、在制品等，这些绩效指标中有的存在相互消长的关
系。例如，提高设备利用率，尤其是瓶颈设备，对每个晶圆厂的生产管理者来说
是很重要的工作，因为这能提高整个系统的产出。但是，由于晶圆制造系统的高
度复杂性、动态特性，存在大量不确定因素，为避免产能损失，通常会投入大量
在制品来解决，使系统 WIP 库存增加，进而造成生产周期时间的延长。又如，盲
目追求短期产出率，会选择加工时间短的在制品加工，结果使另外一些在制品等
待时间增加，造成系统周期时间增加，从而也影响到某些订单的交货期。又如，
第一章 绪论
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为提高订单交货准时率，会优先选择交期紧迫的产品加工，结果使某些产品的等
待时间延长，导致总生产周期时间增加。
平衡这些绩效指标的关系，从而获得晶圆厂最需要的绩效是晶圆厂的重要的
生产管理目标之一，因此值得研究。
3 我国半导体晶圆制造业 8 英寸生产线的发展在 21 世纪初才形成主流，其生产
线的研究刚刚起步，为开展复杂制造系统运作与管理研究提供了难得的机会
20 世纪末 21 世纪初，随着跨国公司将制造业大规模地转移到我国，2000 年
起半导体晶圆制造业开始在我国崛起，8 英寸生产线迅速由 1 条扩展到 10 条，据
国际 IT 产业咨询机构预测，在今后 10 年内中国还将建立 30 条以上的晶圆生产线，
见表 1-1。对于这些复杂生产线的建设我们国家不仅在微电子技术方面准备不足，
而且在其制造系统的生产运作与管理方面，其理论与实践的准备也是极为不足。
这对于制造系统运作管理本身的发展来说，提供了很好的研究空间。
表 1-1 目前我国大陆主要晶圆制造生产线
生产线
现状
公司名称
工艺
投资
（万美元）
产能
（片/月）
厂址
12 英寸
生产
中芯国际
0.11μm-90nm
125000
20000
北京
筹建
和舰科技
0.15μm-90nm
150000
苏州
筹建
海力士
200000
无锡
8 英寸
生产
华虹 NEC
0.18-0.35μm
30000
上海金桥
生产
中芯国际
0.13-0.25μm
148000
45000
上海张江
生产
中芯国际
0.25μm
100000
25000
天津
生产
上海宏力
0.18-0.25μm
164000
27000
上海张江
生产
和舰科技
0.18-0.25μm
100000
20000
苏州
生产
上海先进
0.35μm
66000
30000
上海
在建
上海新进
0.25μm
66000
20000
上海
生产
柏玛微电子
0.25-0.35μm
10000
20000
常州
生产
台积电
0.25μm
112000
35000
上海松江
在建
沈阳科希
0.25μm
30000
10000
沈阳浑南
在建
广州南科
0.25μm
18600
30000
广州
在建
海力士
0.25μm
无锡
筹建
美国 COC
60000
杭州萧山
筹建
华润上华
0.25μm
100000
20000
无锡
筹建
茂德科技
0.25μm
99000
上海青浦
多重入半导体晶圆制造系统多目标整合式派工法则研究
4
筹建
韩国 LMNT
140000
北京
筹建
美国汉昇科
50000
上海青浦
筹建
南通青山
0.25μm
47000
15000
江苏南通
在建
常州纳米
0.25μm
90000
40000
江苏常州
筹建
美国 SPS
BiCMOS
828000
30000
北京
筹建
中芯环球
0.25μm
125000
38000
北京
筹建
太仓西菱
江苏太仓
筹建
贝里斯旭庆
上海青浦
筹建
青岛海尔
20000
20000
山东青岛
筹建
中宁微电子
40000
浙江宁波
*资料来源半导体行业期刊
4、目前的研究不成熟，有利于我们取得创新成果
目前对多重入半导体晶圆制造系统派工问题研究集中在单一的派工法则来优
化企业的某一个绩效指标。从平衡各绩效指标关系的角度出发，研究多重入晶圆
制造系统的文献几乎没有，而各绩效指标的平衡问题恰恰是该类复杂制造系统中
最期待解决的问题。因此，从平衡各绩效指标关系的角度出发，有利于取得突破
性成果，解决棘手的晶圆生产管理问题。
§1.2 研究思路、假设、内容及论文框架
§1.2.1 研究思路
本文目标是建立一个兼顾各个绩效指标的派工方法:将多个不同优化目标的
派工法则集成为一个派工方法,使其能够兼顾多个不同的绩效指标。
本文首先建立一个全局性的派工法则——生产线平衡派工法则，目标是平衡
半导体晶圆生产系统的产出，使生产系统的产出、在制品分布具有均衡性，从而
避免在制品不均衡、产出不均衡导致的 CT 长，在制品量堆积等现象，从全局的角
度优化生产系统；接着将全局性的派工法则与具有不同优势的局部派工法则进行
整合，局部派工法者有不同的侧重点，分别侧重 CT、产出、交货期。这些派工法
则的整合是通过线性整合实现的：为每一个方法设定其规范化的派工优先级指数
以及各个方法的权重.然后将这些方法进行线性组合得到一个综合派工优先指数.
即为指导派工优先顺序的参数.然后，通过 DOE 以及多响应优化方法中的满意度函
数法将各个派工法则的权重进行优化（满意度函数法是将多响应目标转化为单一
响应目标,然后再对单一目标进行优化）。最后，将该整合式派工方法与常用的派
第一章 绪论
5
工方法进行比较，以显示其不同于其他派工法则的优势。
§1.2.2 研究假设
为便于研究，现做出以下假设：
假设之一：晶圆制造厂有两种发展模式，一是晶圆代工厂（Foundry）模式，
即没有品牌的 IC 制造商；二是整合元件制造商（Integrated Device Manufacturing,
IDM），或称半导体全程制造商，即有自己品牌的制造商。整合元件制造商实行存
货式生产，生产目标更侧重于系统产出[8]
（Maiorana,1997）。而代工型晶圆厂实行
订单式生产，以提供技术制程来制造客户需要的产品。产品类型为多品种少批量，
需求量变化波动大，产品寿命周期短，在生产目标上注重生产周期以及客户交期
准时率。从全球 IC 产业链的发展来看，已从纵向模式向横向模式过渡，基本上分
成 IC 设计、制造、封装和测试四大块，越来越多的 IDM 企业向全球 IC 业流行的
F&F（设计与制造分立运行）模式过渡。因此，晶圆代工式生产是未来晶圆厂发展
模式的主流，本文以代工型晶圆厂为研究对象。实际上，我国大陆现有的晶圆制
造厂也多为代工加工模式。
假设之二：在晶圆厂，对于一种特定产品，一般是由不同的制程或技术完成的，
制程技术会因成熟度不同而有不同生产制程版本的修正。同样，对于一个特定的
加工步骤（Step），使用的工艺配方（Recipe）或加工设备不同，也会有加工步骤
版本的修订。本文研究中忽略对这方面的考虑。
假设之三：晶圆制造过程中存在因为产品良率等原因造成的“扣留”（Hold）
现象，正在加工的晶圆批被停止加工，等待技术人员解决处理。为适当简化问题，
本文不考虑生产过程中的“扣留”现象。
§1.2.3 研究内容
第一章：绪论；
介绍本文的研究背景、目的、研究思路等。
第二章：半导体晶圆生产系统简介及派工法则综述
首先分析了晶圆制造系统 “多重入”的含义及特征，简要介绍半导体晶圆制
造行业常用术语，并对半导体制造过程以及晶圆制造工艺进行介绍。详细分析晶
圆制造系统的复杂性以及常用绩效指标间的相互关系。
接着综述半导体晶圆制造派工法则，分析历史研究的局限性，并提出兼顾多个绩
效指标的整合式派工法则。
第三章：半导体晶圆厂多目标整合式派工方法构建
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1研究背景、目的及意义§1.1.1研究背景及目的半导体产业具有竞争激烈、产品生命周期短，技术层次高等特性，如何在这激烈的竞争中脱颖而出，已成为国内半导体从业者最重要的经营方针。由于半导体晶圆其制造一般需要几百道工艺，生产周期需要2个月左右，而生产过程中一些突发事件的影响，加上其复杂的制造特性，以及回流特性，很容易引起生产周期的延长，因此，如何控制并缩短生产周期是晶圆厂生产管理的主要目标之一。晶圆厂除了生产周期的均值外，其波动（Variance）大小也是要考核的重要绩标之一。生产周期波动小，产出预期更加准确。同时半导体产品寿命周期短，而生产周期较长，客户对交货水平往往...

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