李賀明，衛(wèi)小松

LI He-ming1 , WEI Xiao-song2

（1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710000；2.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，西安 710126）

0 引言

半導(dǎo)體制造業(yè)是一個(gè)典型的技術(shù)密集型的科技制造行業(yè)，其過(guò)程是一個(gè)離散的制造生產(chǎn)過(guò)程。半導(dǎo)體光電子器件的生產(chǎn)過(guò)程具有產(chǎn)品中類(lèi)多、周期短、多批次等特點(diǎn)。由于系統(tǒng)的特殊性，企業(yè)上層資源管理系統(tǒng)ERP（Enterprise Resources Planning）與底層工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)PSC（Process Control System）存在信息交互不及時(shí)的問(wèn)題，上層派發(fā)的信息在底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)不能立即執(zhí)行。生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性和精確性，要求半導(dǎo)體制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程需要實(shí)施更加精細(xì)化的管理。MES的出現(xiàn)，為企業(yè)提供了一個(gè)快速反應(yīng)、精細(xì)化的生產(chǎn)制造環(huán)境[1]。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System）處于上層企業(yè)管理計(jì)劃系統(tǒng)和底層工 業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)之間的執(zhí)行層，主要作用于生產(chǎn)車(chē)間管理和執(zhí)行調(diào)度管理。利用制造執(zhí)行系統(tǒng)的集成性，控制包括人員調(diào)動(dòng)、物料、設(shè)備、工藝流程、數(shù)據(jù)采集、訂單管理等所有資源提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和生產(chǎn)力[2,3]。

1 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)

半導(dǎo)體的生產(chǎn)制造技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)線長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)化是典型的高新技術(shù)、資金密集型產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)包括三個(gè)部分：1）半導(dǎo)體設(shè)計(jì)業(yè)；2）半導(dǎo)體制造業(yè)；3）半導(dǎo)體封測(cè)業(yè)。半導(dǎo)體的有一般制作流程如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體制作流程[4]

半導(dǎo)體制造是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵，半導(dǎo)體制造就是在硅片上進(jìn)行一系列的化學(xué)及物理加工，最后形成能完成一定電路性能的半導(dǎo)體電路層，即所謂的芯片。半導(dǎo)體產(chǎn)品種類(lèi)多、工序流程復(fù)雜，且由于現(xiàn)代集成電路的出現(xiàn)，晶圓的尺寸要求越來(lái)越大、線寬卻越來(lái)越小，所以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的精確性有很高的要求和挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體MES在半導(dǎo)體的生產(chǎn)應(yīng)用中通過(guò)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。MES收集生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析提供給底層的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

2 半導(dǎo)體MES的系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)是西安某半導(dǎo)體設(shè)備公司的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)，系統(tǒng)分為三層，分別是表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。其中表現(xiàn)層的主要功能模塊采用PC端的C/S模式實(shí)現(xiàn)，一些特殊的模塊如Track In/Track Out等采用Android端的C/S模式實(shí)現(xiàn)。業(yè)務(wù)邏輯層采用.Net開(kāi)發(fā)并封裝，在IIS服務(wù)器上以Web Service的方式暴露，后臺(tái)數(shù)據(jù)層采用企業(yè)級(jí)的Oracle 10g數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 半導(dǎo)體制造執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 C/S結(jié)構(gòu)模式

C/S結(jié)構(gòu)模式由兩部分組成即客戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器程序。其優(yōu)勢(shì)是借用兩端硬件配置環(huán)境，將任務(wù)合理分配到客戶端以及服務(wù)器端來(lái)實(shí)現(xiàn)。在客戶端主機(jī)將數(shù)據(jù)處理之后再提交給服務(wù)器端，可以減少服務(wù)器響應(yīng)的時(shí)間。

本系統(tǒng)主要采用Windows Form作為界面開(kāi)發(fā)技術(shù)。Windows Form是基于.Net Framework的新平臺(tái)，用于微軟窗體應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。除了采用微軟窗體開(kāi)發(fā)自帶的控件之外，還引用全球最優(yōu)秀第三方表現(xiàn)層控件Infragistics用于界面開(kāi)發(fā)。Infragistics通過(guò)新一代表現(xiàn)層元素的使用，不僅可以應(yīng)用于富客戶端環(huán)境，還可以應(yīng)用基于服務(wù)器的多客戶端環(huán)境。

2.2 Web Service分布式技術(shù)

Web Service是一種構(gòu)建應(yīng)用程序的普遍模型，可以在任何支持網(wǎng)絡(luò)通信的操作系統(tǒng)中運(yùn)行,具有較強(qiáng)的平臺(tái)無(wú)關(guān)性。Web Service完全基于XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）、XSD（XML Schema）等獨(dú)立于平臺(tái)、獨(dú)立于軟件供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)[5,6]。MES客戶端利用Web Service技術(shù)同事件服務(wù)通信。

2.3 事件服務(wù)設(shè)計(jì)

Workflow（工作流）是對(duì)半導(dǎo)體加工生產(chǎn)線抽象后描述控制的重要手段。Workflow是用VB語(yǔ)言進(jìn)行描述編寫(xiě)的，采用Com+技術(shù)同事件服務(wù)通信。Workflow中定義了很多對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的API，這些API與實(shí)際的半導(dǎo)體生產(chǎn)線很貼近。在執(zhí)行Workflow時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)更新。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)

ADO.Net（Active Data Object.Net）是MES服務(wù)端訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的主要技術(shù)。ADO.Net是一組面向?qū)ο蟮念?lèi)庫(kù)專(zhuān)門(mén)用于數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取和操作，為開(kāi)發(fā)人員提供了訪問(wèn)關(guān)系型、XML、程序數(shù)據(jù)的組件[7]。ADO.Net的核心組件是.Net Framework數(shù)據(jù)提供程序和DataSet數(shù)據(jù)集合，二者關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ADO.Net 技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)提供程序可以從Oracle中讀取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)MES服務(wù)端的查詢服務(wù)和事件處理服務(wù)。DataSet數(shù)據(jù)集合是用于處理脫機(jī)數(shù)據(jù)，只訪問(wèn)內(nèi)存不直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，讓數(shù)據(jù)庫(kù)空閑去執(zhí)行其他命令操作。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)連接后，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)保存在DataSet中存放在本地內(nèi)存中，斷開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，服務(wù)器端仍舊可以操作數(shù)據(jù)，這時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的操作不會(huì)影響到數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)。如果要及時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)，還需要重新連接數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 半導(dǎo)體MES主要功能

滿足半導(dǎo)體生產(chǎn)車(chē)間的運(yùn)行需求是決定一個(gè)半導(dǎo)體MES成功實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)，半導(dǎo)體MES的成功運(yùn)行又依賴于系統(tǒng)中基本功能模塊的實(shí)現(xiàn)。

半導(dǎo)體MES自動(dòng)化解決方案根據(jù)用戶角色的不同分為兩部分，一部分是供生產(chǎn)線操作員操作的圖形化界面（Operator Graphics User Interface，OGUI），另一部分是專(zhuān)門(mén)針對(duì)工藝工程師管理操作的圖形化界面（Engineering Graphics User Interface，EGUI）。OGUI包括了用戶基本的應(yīng)用功能如在制品管理、機(jī)臺(tái)設(shè)備管理、物料管理、看板等。EGUI 功能包括對(duì)用戶角色設(shè)置、PRP（Process Plan）設(shè)定模塊、工藝驗(yàn)證、類(lèi)表維護(hù)以及OGUI功能模塊管理的功能選項(xiàng)等等[8]。結(jié)合半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，提出如圖4所示的半導(dǎo)體MES功能模塊結(jié)構(gòu)。

3.1 PRP設(shè)定模塊

PRP設(shè)定模塊是創(chuàng)建產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程。本系統(tǒng)中芯片線的流程是四層抽象即Route（路徑）—Layer（工序?qū)樱猄tage（工序段）—Operation（工序站）。首先創(chuàng)建工序站，每個(gè)工序站都都有自己的屬性信息。根據(jù)產(chǎn)品工藝的要求，把一系列的工序站連接起來(lái)形成一個(gè)工序段，再把的工序端連接起來(lái)形成工序?qū)?，最后連接工序?qū)咏M成一條完成的產(chǎn)品工藝路徑。這種連接方式，可以提高工序?qū)?、工序段以及工序站的重用性。工藝路徑結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 半導(dǎo)體MES功能模塊結(jié)構(gòu)

圖5 工藝路徑結(jié)構(gòu)

3.2 在制品管理模塊

WIP（Wafer in Process）模塊是半導(dǎo)體MES中非常重要的一個(gè)模塊。WIP模塊注重于生產(chǎn)執(zhí)行。從生產(chǎn)訂單的接收開(kāi)始創(chuàng)建批次，到生產(chǎn)物料的投入以及產(chǎn)線中對(duì)批次的查詢、批次扣留、物理分批、批次報(bào)廢等，按照工藝工程師在PRP設(shè)定模塊中創(chuàng)建的產(chǎn)品工藝流程，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品批次從開(kāi)始站點(diǎn)一站一站的流動(dòng)。

3.3 設(shè)備管理模塊

設(shè)備管理模塊主要是對(duì)生產(chǎn)線上機(jī)臺(tái)設(shè)備以及子設(shè)備的監(jiān)控管理。生產(chǎn)線上的操作員通過(guò)設(shè)備監(jiān)控面板實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廠區(qū)各個(gè)區(qū)域機(jī)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)并制定PM計(jì)劃、設(shè)備檢測(cè)計(jì)劃等。

3.4 數(shù)據(jù)收集模塊

EDC模塊是采集集工藝生產(chǎn)線上的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理分析，在相應(yīng)的工序站上預(yù)先設(shè)定采集信息的參數(shù)規(guī)格以及超出規(guī)格范圍執(zhí)行的事件，系統(tǒng)會(huì)按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行檢查、收集，如果系統(tǒng)中有異常會(huì)觸發(fā)預(yù)先設(shè)定的事件，比如扣留批次等。

3.5 報(bào)表管理模塊

報(bào)表模塊主要是對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理，以報(bào)表的方式呈現(xiàn)給相關(guān)工作人員。報(bào)表主要包括在制品分布報(bào)表、產(chǎn)品合格率以及報(bào)廢率報(bào)表、設(shè)備故障率報(bào)表等。

4 系統(tǒng)企業(yè)應(yīng)用

在某公司半導(dǎo)體生產(chǎn)線正式上線后，對(duì)于半導(dǎo)體制造實(shí)施有著明顯的幫助，其優(yōu)勢(shì)在于MES對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于實(shí)時(shí)狀況能夠及時(shí)向上層ERP報(bào)告，ERP將企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的更加細(xì)致、精確。機(jī)臺(tái)批次監(jiān)控狀態(tài)顯示如圖6所示。

圖6 機(jī)臺(tái)批次監(jiān)控狀態(tài)

5 結(jié)束語(yǔ)

半導(dǎo)體MES的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體企業(yè)車(chē)間的信息共享，將企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)車(chē)間與企業(yè)計(jì)劃緊密的結(jié)合起來(lái)，提高了設(shè)備的利用率和企業(yè)生產(chǎn)車(chē)間的管理效率。本套半導(dǎo)體MES自動(dòng)化解決方案還存在一些改進(jìn)的地方，C/S的結(jié)構(gòu)模式需要根據(jù)不同的操作系統(tǒng)要及時(shí)調(diào)整，且系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)都會(huì)帶來(lái)一定的困難[9]。將C/S模式與B/S模式結(jié)合起來(lái)是下一步半導(dǎo)體MES項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)施的重點(diǎn)。

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