石貴春

（合肥長(zhǎng)鑫集成電路有限責(zé)任公司，安徽合肥 241000）

FAB 廠房通常又稱晶圓廠房，而芯片制造是在FAB 廠房中利用硅晶圓作為低襯，并在硅晶圓上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)制造，最終成為芯片的一個(gè)過(guò)程。芯片制造是在超高潔凈度及溫濕度的環(huán)境下，同時(shí)伴隨大量物理、化學(xué)反應(yīng)，整個(gè)生產(chǎn)加工工藝極其復(fù)雜。以移動(dòng)終端中的高端動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器芯片為例，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程從硅晶圓涂膜開始到最終功能實(shí)現(xiàn)需要200多道工序，同時(shí)需要60d 時(shí)間才能完成。

芯片制造首先將完好的硅晶圓投入產(chǎn)線，進(jìn)行涂膜光刻膠，然后利用紫外光進(jìn)行曝光，在光刻膠層形成電路圖案，隨后將晶圓浸入刻蝕藥劑中進(jìn)行刻蝕，最后導(dǎo)入特定雜質(zhì)完成摻雜和鍍膜，并不斷重復(fù)上述工藝過(guò)程，最終在晶圓表面沉積絕緣層來(lái)保護(hù)晶體管。如圖1所示。

圖1 芯片制造工藝流程

1 FAB廠房的特點(diǎn)

從上述工藝流程可以看出，芯片制造工藝技術(shù)要求苛刻，工序復(fù)雜。在整個(gè)制造過(guò)程中多次循環(huán)使用光照設(shè)備、刻蝕設(shè)備、離子注入設(shè)備、拋光設(shè)備等。以核心生產(chǎn)設(shè)備光刻機(jī)為例，為保持光刻機(jī)的生產(chǎn)精度，整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中必須要保持23 ℃的恒溫狀態(tài)，同時(shí)對(duì)該設(shè)備的運(yùn)行條件要求則更為苛刻，涉及溫度、濕度、潔凈度等。因此，為保障整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的不間斷及各關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行，還需要潔凈系統(tǒng)、超純水系統(tǒng)、特氣系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、研磨液系統(tǒng)等各子系統(tǒng)與其密切配合?？偟膩?lái)說(shuō)FAB 廠房有如下特點(diǎn)和難點(diǎn)：

（1）建筑體量巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般為多層單向流潔凈室，潔凈室多為大跨距重載荷桁架結(jié)構(gòu)，對(duì)抗微震要求也極高。以12吋芯片廠房為例，單條生產(chǎn)線僅潔凈室面積可達(dá)上萬(wàn)平方米，整座廠房建筑面積可達(dá)數(shù)十萬(wàn)平方米。

（2）復(fù)雜的生產(chǎn)工藝對(duì)生產(chǎn)環(huán)境與各項(xiàng)公用動(dòng)力和工藝動(dòng)力系統(tǒng)要求極其嚴(yán)格。芯片生產(chǎn)區(qū)凈化空調(diào)系統(tǒng)潔凈度等級(jí)高，一般為4.5級(jí)到1級(jí)，同時(shí)環(huán)境的風(fēng)量、溫度、濕度、壓差、照度、潔凈室截面風(fēng)速等均需要嚴(yán)格受控。另外芯片生產(chǎn)對(duì)靜電要求極其嚴(yán)格，尤其對(duì)于濕度敏感，在過(guò)于干燥的FAB 廠房極易產(chǎn)生靜電，造成CMOS 損壞。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)AB廠房的溫度嚴(yán)格控制在22 ℃左右，相對(duì)濕度控制在50%～60%之間（特殊的潔凈區(qū)域有相關(guān)溫濕度規(guī)定）。潔凈室面積越大，處理難度也就越大。

（3）芯片生產(chǎn)制造過(guò)程中涉及到超純氮、氧、氬、氫、氦、二氧化碳等大宗氣體，各種類型的特殊氣體，化學(xué)品和超純水的供應(yīng)，同時(shí)也需要對(duì)各種流體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保其安全穩(wěn)定供應(yīng)。

（4）芯片生產(chǎn)制造同樣對(duì)電源的供應(yīng)要求極其苛刻，生產(chǎn)中的任何電力供應(yīng)中斷或異常電壓波動(dòng)，都會(huì)造成大量原材料的報(bào)廢和設(shè)備的損壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，同時(shí)打斷該行業(yè)的正常供應(yīng)鏈，短期內(nèi)無(wú)法恢復(fù)正常生產(chǎn)。

鑒于此，針對(duì)傳統(tǒng)的冶金、化工、建材、石油等重工行業(yè)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)一般都是各自為政，在每個(gè)車間配備專門一套PLC 或者DCS 便能滿足生產(chǎn)的需要，傳統(tǒng)的PLC 或者DCS 控制模式已無(wú)法滿足芯片生產(chǎn)復(fù)雜工藝以及各系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理需求，于是FMCS 系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，利用FMCS 系統(tǒng)便可以對(duì)工藝設(shè)備和各輔助系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)、狀態(tài)等實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、調(diào)節(jié)、記錄、報(bào)警。

2 FMCS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

FMCS（Facility Management Control System）是通過(guò)統(tǒng)一的通信接口和通信協(xié)議連接至相關(guān)系統(tǒng)和成套設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)FAB 廠房的自動(dòng)化控制功能，并將其關(guān)鍵數(shù)據(jù)整合到FMCS 系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的平臺(tái)上進(jìn)行監(jiān)視與控制、故障報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，降低了廠務(wù)運(yùn)維成本及管理難度，有效提升了廠務(wù)管理水平。

3 FMCS系統(tǒng)的功能及組成

FMCS 系統(tǒng)在FAB 工廠中主要實(shí)現(xiàn)PLC 的控制功能和滿足其他子系統(tǒng)的接入。FMCS 系統(tǒng)主要包括監(jiān)控工作站、系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制柜、遠(yuǎn)程I/O 柜、各類儀表、閥門等。

3.1 FMCS系統(tǒng)的功能

（1）PLC 控制功能。FMCS 系統(tǒng)可以對(duì)潔凈室、冷熱水系統(tǒng)、工藝真空系統(tǒng)、清掃真空系統(tǒng)、酸堿廢氣處理系統(tǒng)、有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)、一般排風(fēng)、工藝?yán)鋮s水等系統(tǒng)直接參與監(jiān)控。

例如，潔凈室的潔凈度、溫度、濕度、壓力、新風(fēng)量等，監(jiān)控對(duì)象有空調(diào)新風(fēng)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)組、洗滌塔、干盤管、FFU 等。冷凍水控制系統(tǒng)為空調(diào)、盤管、熱交換器等一系列設(shè)施提供冰水，主要監(jiān)控對(duì)象為冷凍機(jī)、水泵、水溫、流量、管道壓力、閥門及其他設(shè)備。熱水控制系統(tǒng)對(duì)熱水系統(tǒng)監(jiān)控主要涉及空壓機(jī)熱回收利用溫度控制和燃?xì)忮仩t的通信、水溫、水泵、熱水的壓力監(jiān)控。

（2）其它子系統(tǒng)的接入。FMCS 系統(tǒng)還需要滿足電力監(jiān)控SCADA 系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、純水制備系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、大宗氣體系統(tǒng)、特氣系統(tǒng)、化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)、研磨液系統(tǒng)、特氣偵測(cè)系統(tǒng)等系統(tǒng)的接入。這些系統(tǒng)本身專業(yè)性比較強(qiáng)，并且有自己的控制方式，獨(dú)立成體系，F(xiàn)MCS 系統(tǒng)需要將其整合并納入管理范疇。

3.2 FMCS系統(tǒng)的組成

FMCS 系統(tǒng)在完成常規(guī)PLC 控制以外，需要整合眾多子系統(tǒng)，所以其本身具有穩(wěn)定性強(qiáng)、數(shù)據(jù)吞吐量大、集成度高的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)行業(yè)自動(dòng)化控制到先進(jìn)電子廠房自動(dòng)化控制的提升。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作站和工程師站均通過(guò)一個(gè)高速以太網(wǎng)連接，通過(guò)以太網(wǎng)可以與下級(jí)LOCAL SCADA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。工藝子系統(tǒng)如WWT，UPW，GAS，MEP，CHEMICAL，BGAS 也通過(guò)該以太網(wǎng)連接在一起，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?？刂乒に囘^(guò)程的各子系統(tǒng)設(shè)有LOCAL SCADA，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口可將LOCAL SCADA 連接到FMCS 數(shù)據(jù)服務(wù)器上。FMCS系統(tǒng)的控制層次結(jié)構(gòu)大致可以分為4個(gè)層次：設(shè)備資料收集層、單元控制層、子系統(tǒng)管理層、集中管理層。

（1）設(shè)備資料收集層。設(shè)備資料收集層由傳感器、電動(dòng)閥、變送器、馬達(dá)啟動(dòng)器、控制閥、電磁閥、限位開關(guān)及其他驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備單元所構(gòu)成，經(jīng)由工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上傳至單元控制層，其控制由單元控制層來(lái)完成。

（2）單元控制層。單元控制層包括可完成單元控制層操作的軟件和硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備資料收集層設(shè)備單元的數(shù)據(jù)采集，下發(fā)控制命令，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)控制情況的功能。單元控制層受子系統(tǒng)管理層的監(jiān)督和管理。

（3）子系統(tǒng)管理層。子系統(tǒng)管理層包括各PLC控制子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)SCADA 軟件和硬件，如潔凈室、冷熱水系統(tǒng)、工藝真空系統(tǒng)、清掃真空系統(tǒng)、酸堿廢氣處理系統(tǒng)、有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)、一般排風(fēng)、工藝?yán)鋮s水等，同時(shí)也包括其它各子系統(tǒng)，如電力監(jiān)控SCADA 系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、純水制備系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、大宗氣體系統(tǒng)、特氣系統(tǒng)、化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)、研磨液系統(tǒng)、特氣偵測(cè)系統(tǒng)等廠務(wù)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)SCADA 軟件和硬件。所有這些子系統(tǒng)均要求在集中管理層進(jìn)行監(jiān)視。在這一層，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)SCADA 工作站可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和修改，可以監(jiān)控最底層設(shè)備資料收集層的所有情況。

（4）集中管理層。集中管理層相當(dāng)于人的大腦中樞，包括所有監(jiān)控各子系統(tǒng)的用戶工作站及工程師站。各子系統(tǒng)將在集中管理層進(jìn)行整合。在集中管理層可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和改變、人工干預(yù)及事件分析，可以監(jiān)控所有設(shè)備在底層的工作運(yùn)行情況，可進(jìn)行執(zhí)行報(bào)告、趨勢(shì)分析、系統(tǒng)配置及流量分配、能量消耗等管理，可生成底層執(zhí)行情況的所有操作圖表和報(bào)告等。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信

FMCS 系統(tǒng)中專用控制的以太網(wǎng)負(fù)責(zé)PLC 與PLC 之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，同時(shí)也提供PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制器與LOCAL SCADA 工作站之間的高速數(shù)據(jù)通信。FMCS 中的綜合管理總線負(fù)責(zé)以太網(wǎng)在LOCAL SCADA 工作站及打印機(jī)之間提供高速數(shù)據(jù)通信。PLC 與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的連接采用DB 總線。對(duì)于就地儀表，直接采集現(xiàn)場(chǎng)的控制參數(shù)和狀態(tài)。

4 FMCS系統(tǒng)的價(jià)值

FMCS 系統(tǒng)的價(jià)值主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）實(shí)現(xiàn)信息互通：FMCS 系統(tǒng)將原單一網(wǎng)絡(luò)整合為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了信息的互通有無(wú)，在集中控制室可以迅速了解底層任何設(shè)備的狀態(tài)及參數(shù)。

（2）提高管理績(jī)效：傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)是通過(guò)工廠操作管理人員人工對(duì)工廠的設(shè)備進(jìn)行開關(guān)調(diào)節(jié)。采用FMCS 系統(tǒng)可以在中央控制室完成調(diào)節(jié)控制工作，也可以由計(jì)算機(jī)內(nèi)部的軟件自動(dòng)控制調(diào)節(jié)設(shè)備的參數(shù)及開關(guān)狀態(tài)，真正做到管理的自動(dòng)化，大幅提高管理績(jī)效。

（3）降低運(yùn)行維護(hù)的困難：FMCS 系統(tǒng)可以不斷地、及時(shí)地提供設(shè)備運(yùn)行狀況的報(bào)表，集中收集、整理作為設(shè)備管理的決策的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備維護(hù)工作的自動(dòng)化。報(bào)表包括歷史數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)、設(shè)備診斷等。

（4）降低運(yùn)行及擴(kuò)充成本：FMCS 系統(tǒng)的應(yīng)用使設(shè)備在統(tǒng)一的管理下始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，按照設(shè)備的運(yùn)行狀況制定維護(hù)保養(yǎng)報(bào)告，提示管理人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)，避免超前或延誤維護(hù)、保養(yǎng)，相應(yīng)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，避免突發(fā)性設(shè)備損壞。除此之外，F(xiàn)MCS 系統(tǒng)在建設(shè)初期已建立相關(guān)共同技術(shù)規(guī)范，設(shè)備型號(hào)及版本相互統(tǒng)一，有利于擴(kuò)充計(jì)劃時(shí)成本的控制及設(shè)備的兼容。

（5）安全操作規(guī)范管理：FMCS 系統(tǒng)可以根據(jù)管理人員的不同職務(wù)，給予不同的操作權(quán)限，同時(shí)可賦予不同等級(jí)的密碼，在管理人員亮明身份密碼后，計(jì)算機(jī)便記錄下使用人員的相關(guān)信息，使整個(gè)操作過(guò)程更加安全和規(guī)范。

5 工程實(shí)例

某大型半導(dǎo)體芯片制造工廠，為12 吋生產(chǎn)線，潔凈室面積約為3萬(wàn)m2，建筑面積約50萬(wàn)m2。

FMCS 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備包含：監(jiān)控計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、電子顯示屏、拼接大屏、電力及消防指示流程版、實(shí)時(shí)對(duì)講系統(tǒng)、震波振動(dòng)系統(tǒng)等。

FMCS 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)備包含：SCADA 圖控（iFix）系統(tǒng)、廠務(wù)E 化報(bào)表系統(tǒng)、SPC 警報(bào)統(tǒng)計(jì)管理系統(tǒng)、AMS 圖控報(bào)警簡(jiǎn)訊同步發(fā)送功能、iFMCS點(diǎn)位新增功能、大屏矩陣切換軟件、電子顯示屏操作軟件、E 化手機(jī)巡檢系統(tǒng)、震波振動(dòng)系統(tǒng)等。

FMCS 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由12臺(tái)聚合交換機(jī)與1臺(tái)核心交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，其余接入交換機(jī)為星形連接方式接入到匯聚交換機(jī)，各子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備再接入到各處的接入交換機(jī)。

FMCS 監(jiān)控系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)的SCADA 所用驅(qū)動(dòng)主要以SI7為主，少部分為S7A、IGS 和現(xiàn)場(chǎng)的西門子或歐姆龍PLC 進(jìn)行通信。

依據(jù)以上硬件及軟件設(shè)施，建立一套可以整合全廠務(wù)各系統(tǒng)控制、監(jiān)視的廠務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)，并具有可靠、易于操作和維護(hù)的特征，以便于廠務(wù)人員對(duì)各子系統(tǒng)的運(yùn)作狀態(tài)可以充分掌握，各系統(tǒng)如有任何狀況，可由FMCS 系統(tǒng)資料存儲(chǔ)庫(kù)的歷史資料或報(bào)表數(shù)據(jù)，提供設(shè)備維修、故障排除和分析的解決方案。

FMCS 系統(tǒng)主要包括了一般空調(diào)系統(tǒng)、潔凈空調(diào)系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷凍站系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、大宗氣體系統(tǒng)、特氣系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、漏液偵測(cè)系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)、化學(xué)品系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等，如圖2所示。

圖2 某工程FMCS系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

芯片生產(chǎn)超高精度的復(fù)雜工藝以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、生產(chǎn)原料純凈度等方面的嚴(yán)苛要求，均對(duì)FAB工廠的精細(xì)化管理提出了更高要求，傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制方式恐難以滿足FAB工廠的管理要求，而 FMCS系統(tǒng)解決方案是將FAB工廠各系統(tǒng)的底層監(jiān)控資料利用Ethernet、控制器、通信設(shè)備等逐層整合至中央監(jiān)控設(shè)備，形成全廠監(jiān)控系統(tǒng)，便于互通全廠信息、提升整體管理績(jī)效、降低投資運(yùn)行和擴(kuò)充的成本，提高了安全操作規(guī)范管理，應(yīng)得到廣泛推廣和應(yīng)用。