Полная автоматизация кремниевого производства

Одним из аспектов развертывающегося производства и обработки кремниевых пластин диаметром 300 мм становится создание специальных инженерных систем, способных исполнять функции наблюдения и контроля всей технологической цепочки. Без производств с высокой степенью автоматизации не удастся снизить в несколько раз цены на их продукцию.

В 2001 году прошла первая конференция по автоматизации fab — компаний, обладающих собственными производственными мощностями для создания интегральных схем. Участники конференции пришли к выводу, что без скорейшего решения вопросов автоматизации, переходить к массовому производству и обработке 300-миллиметровых кремниевых пластин не только финансово невыгодно, но и технически опасно из-за чрезмерно усложненного технологического цикла.

Полупроводниковая промышленность (впрочем, как и любая другая) работает успешно только тогда, когда эффективно и гибко используются ее производственные мощности. Современные сложные технологические процессы сопряжены с обработкой огромных массивов данных, порождаемых самыми разнообразными источниками; увы, большая часть производств пока не может адекватно справиться с этой задачей. Между тем, широкое распространение Internet уже привело к появлению эффективных и относительно недорогих инструментов для связи и надежного управления данными, которые можно привлечь к работе реальных технологических цепочек. Они в состоянии помочь использовать накапливаемые массивы данных для трансформирования тех звеньев управления, где до сих пор определяющую роль играет человек. Некоторые пробуют работать по схеме Internet-производства («Е-производство»). Особенно актуальна такая схема для кремниевых производств, переходящих от 200-миллиметровых пластин к 300-миллиметровым: Е-производство служит для синхронизации производственного планирования, обеспечения поставок оборудования, вывода завода на проектную мощность и его бесперебойную работу в целях повышения производительности и снижения издержек [2]. Подобные пилотные технологические линии по обработке 300-миллиметровых пластин имеют, в частности, совместное предприятие Infineon-Motorola, а также Taiwan Semiconductor Manufacturing и Texas Instruments.

Е-производство

Смысл Е-производства прост — обеспечить необходимыми данными технологические участки в нужное время, для чего нужна система, поддерживающая каналы передачи такой информации с участием людей (а лучше без него) [3, 6]. Одним из решающих шагов в снижении издержек является создание интегрированных приложений и централизованная обработка данных. Гибкий интерактивный режим работы информационной системы fab — цель архитектуры Е-производства, которая может быть создана при относительно небольших затратах.

Рис. 1. Открытая архитектура Е-производства

Краеугольным камнем стратегии Е-производства является возможность безопасного обмена информацией между fab и поставщиками производственного оборудования, что позволяет эффективно классифицировать проблемы, связанные с работой оборудования, и совместно принимать те или иные решения. Такие коммуникации можно осуществить через единый, интегрированный с Internet-соединением пользовательский интерфейс, с помощью которого поставщики наблюдают за работой всех элементов оборудования. Это — ключевое звено Е-производства, так называемая «Е-диагностика» [1] с элементами прогнозирования эксплуатационных характеристик оборудования и необходимых сервисных операций. Е-диагностика поддержана инициативой международной отраслевой ассоциации Sematech, которая предложила создать совместную диагностическую группу из представителей кремниевых производств и поставщиков оборудования.

Другим ключевым элементом стратегии Е-производства является возможность отслеживания и анализа данных, генерируемых fab в процессе работы. Объективно персонал (особенно сервисные инженеры и менеджеры различных уровней, которым необходимо контролировать выполнение плановых заданий) заинтересован в создании устройств, анализирующих данные от различных источников на основе стандартизованных алгоритмов и позволяющих осуществлять мониторинг ключевых узлов технологической линейки. Возможность «проникновения внутрь» узлов на протяжении всей технологической линейки является основой эффективного управления выходной продукцией fab, а, следовательно, и максимального удовлетворения заказчиков. Важным звеном Е-производства становится безопасность хранения и передачи информации. Должна обеспечиваться возможность классификации данных по приоритетам, по их «интеллектуальному потенциалу», что определяет уровень защиты информации и является первым шагом в механизмах безопасности Е-систем.

Проблемы интеграции

Международные ассоциации, прежде всего Sematech, Semiconductor Leading Edge Technologies и Japan Electronics and Information Technology Association (JEITA), разработали единые стандарты и инструкции в области автоматизированных инженерных систем, предназначенные для повышения эффективности работы производственного оборудования (Overall Equipment Effectiveness — OEE), улучшения обработки и снижения производственных издержек.

Действие подобных систем распространяется на поддержку всех операций, осуществляющихся как внутри, так и вне fab: оценка расхода материалов за определенный срок, мониторинг состояния оборудования, планирование производственных показателей, управление ресурсами, детектирование и классификация аварийных ситуаций и т.д. Инфраструктура Е-производства должна позволять осуществить любую из этих операций в максимально короткое время.

Концепции Е-производства внедряются не только на новых, но и на существующих кремниевых заводах. Необходимо обеспечить автоматизированный аккуратный сбор нужных данных от оборудования, причем в такой форме, чтобы информацию можно было достаточно просто интегрировать в другие информационные системы. Сейчас точность контроля работы оборудования или сбора данных недостаточна: она во многом зависит от модели оборудования или его поставщиков, что приводит к неупорядоченности собираемой информации.

В этой ситуации помогают специализированные отраслевые спецификации, согласно которым оборудование fab оснащается стандартными автоматическими интерфейсами. Примерами могут служить стандарты SECS (SEMI equipment communication standards), SECS-II и GEM (generic model for communications and control of manufacturing equipment). Кроме того, существует возможность использования передовых компьютерных технологий, опробованных в других сферах производства.

Сложной является и проблема интеграции в традиционные информационные системы fab программных приложений от независимых поставщиков, не входящих в отраслевую цепочку взаимодействия. Сложность проблемы уменьшится при использовании открытых архитектур, модульных приложений независимых поставщиков и интерфейсов, основанных на стандартах типа XML и HTTP.

Е-диагностика

Е-диагностика основывается на удобном, надежном и безопасном Internet-доступе к информации о параметрах оборудования, необходимой для оценки его работоспособности.

Уже почти два десятилетия в основе Е-диагностики как элемента промышленной автоматизации лежат SECS-стандарты, обеспечивающие связь между отдельными технологическими узлами производственного оборудования и центральным узлом управления кремниевого завода. С 1992 года модифицированный протокол SECS/GEM стал использоваться на всех уровнях полупроводниковой индустрии; общая экономия за счет интеграции GEM-совместимого оборудования в производственную инфраструктуру составила около 10 млрд. долл. С 1999 года по инициативе компаний, предполагавших переход на изготовление интегральных схем на пластинах диаметром 300 мм, были разработаны соответствующие сервисные стандарты, стандарты управления технологической обработкой, управления кассетами с пластинами, отслеживания каждой пластины и т.д. Были ужесточены требования к оборудованию, которое должно иметь многоступенчатую систему защиты от сбоев: сложность и стоимость обработки 300-миллиметровых пластин делают брак недопустимым.

Практически все существующие и проектируемые 300-миллиметровые производства — от Dresden Semiconductor 300 (Infineon-Motorola, Германия) до Leixlip (Intel, Ирландия) — имеют в своей инфраструктуре усовершенствованные автоматические Internet-системы управления материалами (auto-material handling systems, AMHS). С их помощью осуществляется транспортировка 40-фунтовых кассет (25 пластин в каждой) непосредственно к очередному технологическому узлу, который снабжен метрологическими инструментами и оборудован входными и выходными модулями, обеспечивающими автоматический импорт и экспорт AMHS-кассет через стандартные механические порты. Для синхронизации этого процесса используется параллельный SEMI-интерфейс.

Информация о технологических обработках (в том числе и об ошибках) поступает в реальном масштабе времени. Использование SECS/GEM-стандартов позволяет «проникать внутрь» технологических действий или цепочек, например, обеспечивать вывод оборудования на заданный температурный режим или может управлять многоступенчатыми температурными обработками в различных средах в некоторых технологических кластерах. Системы связи в инфраструктуре fab по обработке пластин 200 и 300 мм существенно различаются: для пластин 200 мм используется «многопроводная» схема, а для пластин 300 мм — «однопроводная». При многопроводном подходе встроенные в производственное оборудование контроллеры, управляющие его режимом работы, устройства, ответственные за считывание идентификационных кодов с кассет, и входные и выходные модули имеют независимые каналы связи с центральным заводским узлом. При однопроводной схеме каждый технологический узел становится ответственным за интегрирование (синхронизацию) информации от считывателей кодов и входных и выходных модулей. Подобный интегрированный пакет пересылается через единственный SECS-канал на центральный узел, где отпадает необходимость в переработке информации из трех источников, что упрощает и делает более надежной его работу.

В центральном узле собираются результаты Е-диагностики (рис. 2а), которые в случае однопроводной схемы пересылаются через Internet-канал связи к элементам диагностики удаленного поставщика без изменений в системе съема информации от различных технологических узлов, что позволяет осуществить быстрое внедрение. В случае двухпроводной схемы (рис. 2б) Internet-канал обеспечивает соединение непосредственно с соответствующими интерфейсами работающего оборудования.

Рис. 2. Пересылка данных из центрального заводского узла fab (а) или непосредственно из технологического узла (б)

При реализации схемы Е-диагностики информация о состоянии оборудования в настоящее время передается на центральный узел по SECS/GEM-каналам. Однако более перспективным является однопроводной подход, в котором fab принимает на себя известную часть ответственности за результаты диагностики оборудования.

Сбор, архивирование и использование данных

Современное производственное оборудование имеет очень высокую степень автоматизации, включая системы шаговых экспонометров, различные зонды, тестовое оборудование, системы управления перемещением кассет с пластинами по технологическому циклу, все виды процессингового оборудования, способные производить интегральные схемы практически без участия человека. Хотя все эти компоненты уже имеются в наличии, работают они разрозненно. Для интеграции их в единую цепочку производства не требуется никаких принципиально новых информационных технологий; так, вполне подойдет сеть на базе тонких клиентов.

Созданную «единую» базу данных необходимо научиться анализировать с целью извлечения полезной информации, и, наконец, адресовать полученную информацию обратно, к процессинговому оборудованию, поддержав рабочие функции оборудования и функции контроля.

Логика построения замкнутого автоматизированного процесса заключается в том, чтобы получать новые данные, описывающие процесс работы в реальном времени, и осуществлять их анализ на «фоне» исторических, предшествующих данных, несущих информацию о том, как процесс протекал ранее. Подобный анализ лежит в основе решений, направляемых по механизму обратной связи к элементам оборудования, позволяя предвидеть ситуацию в будущем.

Замкнутая петля

Рис. 3. Вариант замкнутой петли

Основные проблемы создания замкнутой петли управления (рис. 3) заключаются в отсутствии на fab единого источника данных. Информация, необходимая для построения замкнутой системы, доступна из трех видов источников: поток данных, постоянно генерируемых работающим оборудованием и следующих в реальном времени; исторические (справочные) данные, доступные из архивной базы данных, и, наконец, данные от различных внешних производителей и других источников.

Современные технологические узлы поддерживают свою собственную структуру файлов, содержащих информацию о том, что и где делается с каждой кассетой с пластинами, и о том, каков результат этих действий. Архив может храниться либо в технологических узлах, либо в центре. Для построения замкнутой системы большое значение имеет «встраивание» в нее потоков информации из внешних источников. Проще всего было бы собирать и хранить все данные в центральном вычислительном устройстве с общим форматом, поисковыми средствами и т. д. В такой ситуации хранение в центральных архивах может дублировать информацию, находящуюся в различных технологических узлах. Другой вариант: в «центре» можно размещать лишь самые важные и нужные данные, но как определить, какие именно данные потребуются завтра?

Наиболее верный способ — хранить данные в месте их сбора, обеспечив возможность легкого доступа к ним со стороны центрального вычислительного устройства. Серверы бизнес-логики (на уровне анализа информации) нужны для того, чтобы узнавать, какие данные и от какого источника доступны в настоящее время, каким образом запрашивать источники и как преобразовать данные в стандартный формат.

Со стратегической точки зрения, для эффективного построения замкнутой системы Е-производства нет необходимости выдвигать обязательным условием ее функционирования расположение той или иной информации в заранее определенном месте и в определенное время. Вся информация, собранная в конкретном технологическом узле, может быть доступна в любом другом месте; однако это ставит вопрос обеспечения безопасности.

Модель «тонкий клиент»

К преимуществам модели «тонкий клиент» можно отнести легкость адаптации к изменившимся требованиям. Кроме того, эта модель обеспечивает надежный механизм безопасности.

Пользователь через Web-браузер локального компьютера инициирует запрос серверу данных, который проверяет наличие у пользователя прав доступа, определяет, какие именно источники данных должны быть задействованы и запрашивает их. Соответствующие источники сами загружают и упаковывают данные в той форме, в какой сервер ожидает их принять. Сервер формирует HTML-представление и отправляет его на локальный компьютер, где браузер показывает пользователю соответствующую Web-страницу.

Что дальше?

Использование Internet позволяет вести удаленный контроль производственных параметров. Так, менеджеры, находящиеся вне стен предприятия, при помощи PDA могут получать информацию о том, что процент выхода годных в какой-то кассете с пластинами падает ниже, скажем, 97%. Как только данный порог будет превзойден, система уведомляет об этом менеджеров. Более того, с помощью контрольных диаграмм менеджер может определить, какова причина падения процента выхода годных: случайные ли это статистические ошибки или реальные проблемы технологического оборудования. Последнее очень напоминает систему централизованного контроля «Скала» реакторов РБМК-1000, где предусматривалась программа диагностической регистрации параметров, в соответствии с которой периодически (минимальное время цикла — 1 с) опрашивается и запоминается несколько сотен, если не тысяч, аналоговых и дискретных параметров. Подобной системой были оснащены все атомные станции СССР, а по диаграммам состояния рабочих параметров реактора восстанавливались события, непосредственно предшествующие Чернобыльской аварии.

Следующим шагом развития замкнутой информационной системы должна стать ее адаптация к автоматическому «разговору» элементов оборудования, обеспечение дополнительных степеней свободы в коррекции технологических процессов даже без уведомления технологов или эксплуатационного персонала. Этим создается механизм полной обратной связи в технологическом процессе.

Пересмотр производственной стратегии

В последнее десятилетие мировая полупроводниковая индустрия динамично трансформируется: фокус усилий сдвигается от повышения процента выхода годных к созданию эффективных интегрированных производственных решений для процессингового оборудования к увеличению производительности fab. При этом стратегия происходящих перемен во многом определяется стремлением к минимизации суммарных затрат. Постепенно приходит осознание того, что выгода от интегрированных производственных решений может намного превзойти затраты на их создание.

Складывается основа для создания рациональных, консолидированных и применяемых во всех звеньях полупроводниковой отрасли стандартов и инструкций, что является особенно важным в процессах управления производительностью fab. Прежняя концепция «выхода годных» останется в силе, но определять важнейший производственный параметр «цена/функция полупроводникового устройства» (Cost/Function, CF) будет полная эффективность работы оборудования, OEE. Это чисто экономическая категория, параметр, включающий в себя отношение реального времени работы оборудования к максимально возможному времени его работы с учетом ресурса оборудования, его ремонтопригодность, степень взаимозаменяемости и т. д.

Постоянно расширяющаяся сфера применения интегральных схем, конъюнктура рынка оказывают весьма серьезное давление на производителей, заставляя их изменять производственную стратегию и в ряде случаев переходить от высоких объемов узкоспециализированной продукции к меньшим объемам продукции более широкой номенклатуры, производство которой имеет «короткий» цикл. Подобная политика приводит к фундаментальным изменениям в управлении качеством продукции. Уже недостаточно проводить «инспекцию» и тестовые испытания продукции — необходимо эффективно управлять производительностью оборудования и контролировать «короткий» технологический цикл. В свою очередь, производители интегральных схем начинают оказывать давление на поставщиков процессингового оборудования, добиваясь от них максимальных гарантий его бесперебойной работы. В заключенных между ними контрактах начинают доминировать требования быстрой, точной диагностики работы оборудования и, в случае необходимости, незамедлительного восстановления его работоспособности, а также минимизации затрат на сервисное обслуживание.

Контроль и учет

Сетевая инфраструктура fab содержит выделенную коммуникационную подсистему, связывающую основные элементы производственного оборудования и вспомогательные технологические узлы, причем пошаговый контроль работающего оборудования может быть осуществлен поставщиком с помощью датчиков, использующих высокоскоростные Еthernet-соединения [5]. Подобные высокоскоростные каналы коммуникаций могут быть дополнены Internet-технологиями, которые реализуются в виде «Е-диагностики». Новые решения в этой области позволяют поставщикам оборудования (скажем, в лице, групп технической поддержки или сервисных инженеров) получать безопасный удаленный доступ к элементам оборудования, что резко уменьшает время вынужденного простоя оборудования и затраты на эксплуатационную поддержку. Адаптация этих решений и является сегодня определяющим фактором, управляющим уменьшением значения CF.

Появляется все большее число стандартов «строительных блоков», необходимых для скорейшей реализации перспективной производственной стратегии. Новые стандарты и инструкции прекрасно «ложатся» на фундамент — давнишнюю инициативу Sematech, известную систему контроля процессинга и оборудования AEC/APC (Advanced Equipment Control/Advanced Process Control) [4]. Одним из результатов этой инициативы стало появление стандарта SEMI E54.9, являющегося спецификацией для датчиков и описывающего метод их связи по Ethernet.

Современное производственное оборудование снабжено стандартными «одноранговыми» (peer-to-peer) SECS/GEM-коммуникации, где не предусмотрено использование объектно-ориентированных интерфейсов типа Java или Active X. Одноранговый протокол предохраняет от несанкционированного доступа к данным, поступающим от оборудования.

Рис. 4. Система Equipment Engineering System

По мере того, как Web-технологии все активнее внедряются в инфраструктуру fab, начинает происходить постепенная унификация стандартов и инструкций. Эта деятельность ведется в рамках совместного проекта Sematech и JEITA, который направлен на создание системы EES (Equipment Engineering System). Эта унифицированная система (рис. 4) описывает действие сетевых связей между источниками данных, механизм сбора и обработки данных. В трехуровневой системе EES (одной из ее подсистем является ОЕЕ) функции Internet-диагностики и АРС становятся практически идентичными. На нижнем уровне используются коммуникационные стандарты для ключевых источников данных — процессингового оборудования и датчиков. Функционально это напоминает простую связку «датчики — сервер», но интерфейс последнего должен обеспечить объектно-ориентированные коммуникации верхнего уровня в целях обеспечения одновременной связи для многих пользователей. Средний уровень включает стандартные методы автоматического управления сбором данных и управления архивной информацией от ключевых источников данных; на этом уровне требуется очень быстро создавать параметрические базы данных, поскольку объем поступающей информации крайне велик. На высоком уровне производится собственно диагностика, обнаружение ошибок и их классификация.

Необходимые данные собираются соответствующими системами управления сбора данных и архивируются в базе данных реального времени на среднем уровне (рис. 4). Системы принятия решений, расположенные в иерархии EES на верхнем уровне и имеющие механизмы «общения» со средним уровнем через открытые объектно-ориентированные интерфейсы, производят анализ данных и определяют параметры и условия работы оборудования. Это позволяет на мониторе любой подсистемы в реальном времени наблюдать за состоянием отдельных технологических узлов, либо за ситуацией в целом (на языке производственников такой процесс называется активным мониторингом и превентивным поддержанием работоспособности оборудования). При этом значительно сокращается время диагностирования ошибок в работе технологических узлов, уменьшаются затраты на эксплуатационные расходы и время на ремонт оборудования.

Еще раз о производственной стратегии

Сегодня можно считать состоявшимся переход полупроводникового производства от «продукто-ориентированного» управления качеством к управлению качеством, ориентированному на оборудование. Схемы, основанные на простом электротестировании полупроводниковых приборов в конце технологической линейки, уходят в прошлое. Отрасль стала более сложной технологически, появилась необходимость осуществления контроля внутри производственной цепочки.

Управление производительностью оборудования развивалось аналогично системам автоматической классификации дефектов на пластине; для оборудования она имеет название «автоматической системы классификации ошибок в работе оборудования». Разработаны спецификации для работы оборудования, указывающие, какими должны быть величины плотности дефектов на каждой стадии, чтобы гарантировать высокий процент выхода годных. В целях упрощения процесса обнаружения и классификации дефектов создано так называемое программное обеспечение «автоматической классификации дефектов». До его появления операторы вручную измеряли плотность тех или иных дефектов, соотнося их появление с той или иной стадией технологического процесса.

В отношении оборудования первоначальные усилия фокусировались на контроле его состояния, причем особое внимание обращалось на отказы и аварийные ситуации. С момента создания концепции ОЕЕ за состоянием оборудования стала следить специальная автоматическая система, определяющая неполадки работы технологических узлов с помощью соответствующих программных приложений; мониторинг при этом ведется в реальном времени.

Подобно тому, как значения плотностей дефектов являлись ключевыми «реперными точками» в концепции выхода годных, параметры наиболее эффективной работы оборудования служат «маяками» в концепции ОЕЕ.

Аналитики утверждают, что мониторинг в реальном времени в рамках ОЕЕ, в конечном счете, приводит к значительному сокращению времени обнаружения событий, отрицательно влияющих на качество продукции, что снижает риск крупных финансовых потерь. С другой стороны, становится гораздо проще и быстрее вывести на рабочий режим новые технологические процессы.

Взгляд в будущее

fab-300 практически готова для полной автоматизации: каждый технологический узел «генерирует» огромное количество данных, получаемых с помощью датчиков. Особенно ценна информация, в которой содержится сообщение о сбоях в технологическом процессе или аварийных ситуациях. Использование Web-технологий применительно к контролю оборудования и управлению производственным процессом весьма привлекательно, поскольку предоставляет возможность удаленного отслеживания эксплуатационных повреждений, уменьшая тем самым численность технического персонала и количество посещений нежелательных для людей производственных мест.

Основное преимущество «электронной» fab заключается в возможности установления связи (а, следовательно, и координации действий) с системой электронных закупок. Такая интеграция сделает Е-производство, или Internet-производство, реальностью.

Дмитрий Мурин (dm@kapella.gpi.ru) — научный сотрудник ИОФ РАН (Москва)

Литература