張鵬，丁晗，沈天翊，胡超

（無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫214135）

基于RFID的數(shù)字化掩模制造

張鵬，丁晗，沈天翊，胡超

（無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫214135）

介紹了中微掩模智能化生產系統(tǒng)，提出了利用RFID技術實現(xiàn)對掩模版制造流程的智能化管理。利用智能化生產系統(tǒng)提高了和客戶之間的交互性，利用智能貨柜系統(tǒng)實現(xiàn)了掩模版私有云制造。依托現(xiàn)有智能生產管理系統(tǒng)，提出了集成電路全產業(yè)鏈智能制造的概念。

掩模數(shù)字化生產；全生命周期管理

1 引言

掩模制造在集成電路設計制造產業(yè)鏈中位于IC設計與晶圓制造之間，是集成電路設計制造實物化的第一個階段。無錫中微掩模電子有限公司經過多年信息化建設，已建成一套集掩模制版數(shù)據(jù)自動化處理、掩模訂單生產管理系統(tǒng)、產品信息在線交互平臺于一體的數(shù)字化管理信息系統(tǒng)。設計公司完成芯片設計后，可直接通過互聯(lián)網將電路版圖數(shù)據(jù)傳輸至掩模廠，并可完全通過在線方式進行掩模制版圖形數(shù)據(jù)確認、在線下單、生產進度跟蹤、質量反饋分析、物流信息跟蹤等過程，直至掩模版到達晶圓廠；可實現(xiàn)全過程數(shù)字化、虛擬化、實時化的信息交互，而無實物掩模版交接。通過RFID與智能貨架技術的應用，可實現(xiàn)掩模版從掩模工藝制作、光刻工藝使用、返廠維修到再次使用的全生命周期數(shù)字化管理。在0.13 μm工藝節(jié)點八英寸晶圓廠蓬勃發(fā)展、中國制造2025全面推進的大背景下，中微掩模成為國內集成電路產業(yè)鏈信息協(xié)同必不可少的一環(huán)。

圖1 掩模制造全流程管理架構

2 掩模制版數(shù)字化設計

2.1 數(shù)字化進案

作為集成電路設計實物化的第一個階段，掩模制造的第一個環(huán)節(jié)就是對接集成電路設計輸出的電路版圖數(shù)據(jù)。通常版圖數(shù)據(jù)與掩模版制作要求會通過互聯(lián)網，以數(shù)據(jù)形式傳輸至掩模廠。這一過程在掩模廠稱為制版數(shù)據(jù)進案。

客戶可以通過連接在互聯(lián)網中的各類終端設備，例如PC機、平板電腦、手機等，隨時隨地下達訂單，方便快捷。通過互聯(lián)網將制版數(shù)據(jù)和掩模制版要求發(fā)送至掩模廠，擺脫了原來的紙質文件和光盤的傳遞，方便客戶隨時進案，也方便客戶隨時更新版圖數(shù)據(jù)和制版要求。在數(shù)據(jù)格式方面，掩模廠針對不同行業(yè)的客戶，支持各種格式的數(shù)據(jù)，包括GDSII、OASIS、DXF、CIF、MEBES等。數(shù)據(jù)安全方面，支持數(shù)據(jù)加密，包括對稱與非對稱加密，同時也支持通道加密，包括VPN、SSL等技術。

2.2 掩模制版數(shù)字化再設計

目前國內工藝相對較為成熟先進的六英寸與八英寸晶圓廠，在使用掩模版進行光刻工藝時，為了更好地控制產品質量，通常都會使用微縮光刻技術，使用成像圖形5:1或者4:1倍率的掩模版。因此客戶的版圖數(shù)據(jù)一般都無法直接用于掩模制版。晶圓廠會要求掩模廠根據(jù)其工藝要求對版圖數(shù)據(jù)進行再設計，生成相關工藝所專用的掩模制版數(shù)據(jù)。如圖2所示，掩模制版數(shù)據(jù)數(shù)字化再設計過程是一個繁瑣且復雜的過程。

圖2 掩模制版數(shù)據(jù)再設計

通過掩模數(shù)據(jù)自動化處理平臺，自動抓取制版要求，轉化生成固定的腳本，并自動處理生成掩模制版數(shù)據(jù)。實現(xiàn)對客戶數(shù)據(jù)的全自動數(shù)字化再設計，取代大量手工作業(yè)，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準確率。

2.3 掩模制版數(shù)字化樣品

隨著集成電路制造工藝的不斷發(fā)展，對掩模制版的要求也越來越復雜。為確保掩模制版的正確性，在實際進行掩模制版工藝制作之前，客戶會對掩模制版數(shù)據(jù)進行一次確認。如圖3所示，通過互聯(lián)網訪問掩模制版私有云平臺，客戶可以實時快捷地進行在線協(xié)同交互，對再設計生成的掩模制版數(shù)字化樣品進行確認。

圖3 掩模制版數(shù)字化樣品確認

在客戶完成確認，上線制作前，還需要再對掩模制版數(shù)據(jù)進行一次處理，加入掩模制造工藝參數(shù)，并處理生成曝光工藝數(shù)據(jù)。

通過互聯(lián)網+掩模制版私有云平臺，掩模制版數(shù)字化設計實現(xiàn)了快速自動化的數(shù)據(jù)處理，實時的在線協(xié)同交互可對客戶要求進行快速響應，提升客戶服務。

3 掩模數(shù)字化生產

掩模制版是典型的小批量多品種的混線生產模式。產品定制化程度高，可以說沒有兩塊掩模版是一樣的，同時掩模制版工序多且工藝復雜，數(shù)字化生產可以大大提高掩模制版的效率。通過MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)字化智能化的物料準備、排產調度、設備互聯(lián)、工藝管理、遠程監(jiān)控等功能，實時掌控計劃、調度、質量、工藝、設備、物料、運行等情況，使各相關部門及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，最終建立規(guī)范的生產管理信息平臺，使企業(yè)內部現(xiàn)場控制層與管理層之間的信息互聯(lián)互通，以此提高企業(yè)核心競爭力。

凈化間關鍵生產設備都接入內網，設備運行的關鍵參數(shù)都可以實時記錄在數(shù)據(jù)庫中。設備工程師可以隨時通過MES系統(tǒng)監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，及時采購備件。同時，MES系統(tǒng)可以實時反映每臺機臺設備的產品負載情況，為產品調度排產提供參考信息。

通過MES系統(tǒng)的建設，掩模廠實現(xiàn)了車間管理的數(shù)字化、智能化，其產生的實時數(shù)據(jù)對掩模制造私有云平臺提供了數(shù)據(jù)支撐，使得掩模制版過程可以與客戶進行實時信息交互?？蛻艨赏ㄟ^手機微信、客戶端網頁和iPad等各種聯(lián)網的移動設備隨時隨地了解產品的實時生產進度、物流狀態(tài)和質量報告，同時可以反饋異常問題和在線溝通交流。用戶可以通過手機隨時隨地查看自己產品的進度信息和預估完成時間，如有加急或者延期都可以及時知曉。傳統(tǒng)的生產工藝線，客戶無法知道產品完成情況，有時候會出現(xiàn)產品延期等突發(fā)情況，客戶無法提早知道，因此提高客戶和產品信息的交互性可以提高生產方和客戶的效率，出現(xiàn)問題可以及時溝通解決。

除了采用云平臺界面進行信息交互，也可采用客戶自定義數(shù)據(jù)交互協(xié)議，進行更高效的定制化信息交互。

表1 客戶自定義交互協(xié)議

MES系統(tǒng)的實施效果非常明顯，極大地提高了工作效率、提升了準確率。以掩模產品合格證為例，由于行業(yè)的特殊性，掩模COA存在著種類多、項目多、標準多的特點。中微現(xiàn)有種類已達10種，項目多達100多個，標準也有10套，每套標準還有十多個級別和20個標準值。同時其數(shù)據(jù)來自多個部門和不同工藝步驟，數(shù)據(jù)收集匯總極其繁瑣。未使用MES系統(tǒng)時，各部門和工藝步驟操作人員需要手動制作產品報表，產品相關的數(shù)據(jù)信息均需要手動錄入和計算，再通過人工進行復核，平均一份最基本的產品合格證就需要花費1個多小時，而制作海外客戶的合格證需要的時間更是多出一倍。手工作業(yè)不僅效率低下，準確率也無法得到保證，漏檢情況也時有發(fā)生，后期產品管理也沒有數(shù)據(jù)支撐。而MES系統(tǒng)很好地解決了這個問題，所有的掩模產品合格證都可以從系統(tǒng)中直接導出，并且系統(tǒng)能夠自動匹配對應客戶的標準自動卡控，每份產品合格證制作并檢查只需要5分鐘。MES系統(tǒng)的實施完全取代人工手動作業(yè)，數(shù)字化的生產有效地提高了工作效率和正確率，在無設備增加、各崗人員數(shù)量不變的情況下，成功支撐了公司產能從400片到10000片的突破，同時也為后期智能化生產提供了信息化支撐。

4 掩模版全生命周期數(shù)字化管理

射頻識別技術RFID(Radio Frequency Identification)是近年來新興的一項自動識別技術[1]。RFID利用射頻的方式進行通信，從而對物品的信息進行識別和采集。RFID技術有許多突出的優(yōu)點，如不需要人工干預、不需要光學可視即可完成信息的輸入和處理，可以工作于各種環(huán)境，應用便利，操作簡便，壽命長、數(shù)據(jù)安全[2]。RFID優(yōu)點突出，逐漸被廣泛應用于跟蹤、交通、運輸生產、設備管理、醫(yī)療、物流、防偽等需要進行數(shù)據(jù)收集和處理的領域[2]。隨著微電子技術和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，RFID產品的成本不斷降低，因此RFID可以應用在工業(yè)生產領域中，如流水線生產自動化管理、物品管理、倉儲管理等。

目前，許多制造型企業(yè)貨品管理主要是基于相應規(guī)范的手工作業(yè)及電腦半自動化管理實現(xiàn)的，其弊病顯而易見，即需要投入大量人力進行規(guī)范物品的放置、人工整理盤點以及手工出入庫登記等工作，這使得貨品管理十分繁瑣，浪費大量時間。基于MES系統(tǒng)的貨品管理系統(tǒng)，對貨品各環(huán)節(jié)實施全過程控制管理，并可對產品進行產品名稱、參數(shù)、批次、客戶信息、配送、維保信息等記錄，實現(xiàn)電子標簽檔案化管理，對整個生產、入庫、貨品查詢、貨品定位、出庫、發(fā)貨、物流、客戶收貨到返廠加工等各個環(huán)節(jié)的規(guī)范化作業(yè)，還可根據(jù)需求定制多種生產趨勢圖及統(tǒng)計報表。將RFID技術引入貨品管理，淘汰了傳統(tǒng)手工書寫輸入的步驟，解決數(shù)據(jù)信息陳舊滯后的弊病。掩模貨品管理系統(tǒng)能幫助企業(yè)合理有效地管理生產貨品的全流程，以快速、準確、低成本的方式為企業(yè)生產管理提供最好的信息化服務。

如圖4所示，該系統(tǒng)主要由RFID超高頻標簽、超高頻RFID手持端、RFID標簽錄入終端、智能貨柜、智能制造系統(tǒng)、智能制造服務云平臺六大部分組成。

通過已經定義的RFID標簽，使每塊掩模版都擁有唯一的“身份”編號，在掩模版的整個流轉生命周期中，所有信息都會以這個編碼記錄，從而實現(xiàn)對掩模版管理的智能化和數(shù)字化。通過RFID標簽讀寫器將掩模版的主要信息錄入標簽內，同時將掩模版的詳細參數(shù)錄入云平臺數(shù)據(jù)庫，建立該掩模版的電子檔案，與掩模版標簽相綁定。RFID標簽管控了掩模版的物資流，實現(xiàn)了物資流與數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一。掩模版RFID數(shù)據(jù)定義如圖5所示。

圖4 貨品管理系統(tǒng)架構圖

圖5 掩模版RFID數(shù)據(jù)定義圖

掩模制版過程中，通過掃描RFID，可將信息接入MES系統(tǒng)，每經過一道工序便將信息上傳至服務器，并由系統(tǒng)處理后上傳至云平臺。在工序開始前，先進行掃碼確認，確認是否是當前工序、基版類型以及預計工藝時間、當前產品預計完成時間等。工序結束后需要再次進行掃碼記錄信息。制版過程中數(shù)據(jù)、信息實時上傳，為后續(xù)和客戶的交互提供了支持。工藝工程師則可以對掩模版的參數(shù)進行實時監(jiān)控和分析，提早發(fā)現(xiàn)問題，避免產品報廢。

智能貨柜系統(tǒng)（如圖6所示）的引入進一步簡化了生產過程中的物資流管理過程和掩模版的發(fā)貨流程，大大節(jié)約了時間。智能貨柜有著基版存取和智能發(fā)貨的功能，工程師將一天所需的基板提前放入智能貨柜中并分配RFID碼，產線根據(jù)智能貨柜的提示對產品進行生產。同時，每個工藝環(huán)節(jié)站點都配有智能貨柜，工程師可以精確定位每塊掩模版的物理位置，及其所經過的工藝過程。產品工藝結束后放回智能貨柜，發(fā)貨人員再根據(jù)貨柜提示進行發(fā)貨。智能貨柜同時具備自動分揀功能，可根據(jù)不同客戶的裝箱要求，最大程度地節(jié)約物流成本，減少了人工分揀的工作量，提高發(fā)貨的效率和準確率。

圖6 智能貨架系統(tǒng)架構圖

貨品發(fā)至客戶單位后，客戶利用其賬戶登錄手持端，可通過掃描掩模標簽確認貨品參數(shù)和規(guī)格信息。客戶在確認貨品參數(shù)無誤后，可點選手持端系統(tǒng)中的確認收貨，完成收貨作業(yè)，云平臺數(shù)據(jù)庫將該掩模版自動劃入相應客戶的數(shù)據(jù)庫中?？蛻衾檬殖侄藪呙铇撕灂r，所有的掃描記錄和確認收貨信息將會上傳至云平臺數(shù)據(jù)庫中，從而實現(xiàn)對掩模貨品的物流及收貨管理。

當掩模版在客戶使用過程中出現(xiàn)問題或到期需要維護時，客戶可通過掃描掩模標簽，并在手持端中點選返廠維護選項，并填入相關備注及問題，告知廠家該掩模需要返廠維護，輸入物流信息后，云平臺將通知MES系統(tǒng)有掩模正在返廠的途中，提前排產。同時所有返廠維護、參數(shù)規(guī)格調整、出入庫和收發(fā)記錄將被云平臺記錄于數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)對掩模版的全生命周期數(shù)字化管理。

掩模制版是集成電路產業(yè)鏈中的一環(huán)，是連接IC設計和晶圓流片的紐帶。依托RFID技術，以掩模版為媒介，通過智能貨柜可推進產業(yè)鏈智能化生產管理?；诨ヂ?lián)網，通過掩模制版云平臺提高客戶和掩模廠商之間的交互度、簡化流程、降低產品出錯率。利用互聯(lián)網平臺，使IC設計公司、掩模廠和晶圓廠商聯(lián)系更緊密，大大減少集成電路最終產品的生產周期。

5 展望

在國內十二英寸晶圓線大力發(fā)展的時代背景下，在28 nm、14 nm先進工藝平臺基礎上，建立面向工藝、檢測、量測、修補的統(tǒng)一數(shù)據(jù)鏈?；诓⑿羞\算架構與多協(xié)議遠程安全接入技術，進一步打造高性能掩模數(shù)據(jù)設計、處理、制版私有云平臺。通過技術手段的提升，帶動生產流程的優(yōu)化與管理方式的提升，實現(xiàn)掩模制版過程的自動化和數(shù)字化。

借助傳感器、機器人、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網等新興技術，使產線設備具有數(shù)據(jù)加工與判斷能力，設備網絡化與數(shù)據(jù)采集自動化，生產與信息化進一步融合，徹底實現(xiàn)設備智能化、生產自動化、生產現(xiàn)場信息化，進一步提升掩模制版智能化水平，打造“黑燈工廠”。智能化生產系統(tǒng)及過程，以及網絡化生產設施的實現(xiàn)，涉及整個企業(yè)的生產管理、物流管理，實現(xiàn)人機互動，最終從以人為主要決策核心的人機和諧系統(tǒng)向以機器為主體的自主運行轉變。

推進掩模制版私有云平臺與公有云對接，參與全社會化、全產業(yè)鏈的云制造、柔性生產。積極響應“中國制造2025”，推進“信息化”與“工業(yè)化”的兩化融合，通過對接集成電路工業(yè)云平臺，實現(xiàn)掩模制版與集成電路產業(yè)鏈上下游之間的信息共享、數(shù)據(jù)交互、業(yè)務協(xié)同，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產、管理和服務的智能化水平，最終實現(xiàn)全產業(yè)鏈的智能生產。

6 結論

本文介紹了中微掩模電子有限公司的智能生產系統(tǒng)，利用RFID技術實現(xiàn)了掩模制版的智能化管理。數(shù)字化的物料準備、排產調度、設備互聯(lián)、工藝管理、遠程監(jiān)控大大提高了制板的效率。掩模制版私有云平臺的引入也提高了和客戶之間的交互性，讓客戶可以實時了解產品的動態(tài)。智能貨柜的引入進一步完善了智能生產系統(tǒng)，實現(xiàn)了企業(yè)私有云制造。目前的生產系統(tǒng)還可以進一步升級，借助新興的物聯(lián)網技術可以實現(xiàn)由自動化工廠到智能化工廠的轉變，對接IC設計公司和晶圓廠實現(xiàn)全產業(yè)鏈的智能生產。

[1]吳永祥.射頻識別(RFID)技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].微計算機信息,2006,22(11Z):234-236.

[2]李成淵.射頻識別技術的應用與發(fā)展研究[J].無線互聯(lián)科技,2016(20):146-148.

Digital Mask Manufacturing Based on RFID

ZHANG Peng，DING Han，SHEN Tianyi，HU Chao
（Wuxi Zhongwei Mask Electronics Co.,Ltd.,Wuxi 214135,China）

In the paper,an intelligent production system for Wuxi Zhongwei Mask Electronics Company and RFID-based intelligent management of mask manufacturing process are presented.The use of intelligent production systems enhances the interaction with customers.The private cloud manufacturing of mask is realized by the intelligent container system.Based on the existing intelligent production management system, the conceptofintegrated circuitwhole industry chain intelligentmanufacturing isproposed.

digitalmask manufacturing;full-lifecycle management

TN305.7

A

1681-1070（2017）08-0044-05

張鵬（1982—），男，山東海陽人，畢業(yè)于東南大學計算機系，主要從事掩模數(shù)據(jù)處理與信息化建設相關工作。

2017-6-8