作者：CRITICAL MANUFACTURING 公司

半导体制造无疑是世界上最复杂且容易受影响的制造工艺之一。在硅晶圆上制作小到 5nm（或更小）的线宽和几十亿个晶体管，意味着在制造过程中，哪怕是极小的振动或位错，都将造成问题。除了制造所要求的精细复杂的工艺流程之外，该行业还面临着进一步的挑战，包括非常短的产品寿命周期（涉及成百上千万的器件），抑或是需要在几十年的时间里生产小批量的利基产品。在当今世界上，只有为数很少的几家半导体公司有能力投资新建拥有最新设备和技术的大容量晶圆厂。由于需要购置极其昂贵的设备，比如单台售价超过 1.25 亿美元的极紫外光（EUV）扫描仪，还要建立造价不菲的洁净室，因此真正使得 IC 制造成为最具挑战性的企业环境之一。

在过去的20年里，在前端芯片加工中增加晶圆尺寸和提升性能一直是业界关注的焦点，制造商指望依靠更昂贵的 300mm 晶圆技术来满足客户对于高品质、大批量产品的需求。但是，随着芯片制造规模的扩大，以及使用芯片的产品的数量和种类日益增多，人们逐渐认识到：并不是所有芯片的生产都需要采用最新的技术并以百万颗为产量级别。在现今生产的 IC（甚至是先进产品中使用的那些集成电路）当中，有相当大一部分仍然能以高效和有盈利的方式在较小的 150mm 和 200mm 晶圆厂进行生产，这些晶圆厂近几年来正经历着一场令人惊讶的复兴。在此类规模较小的晶圆厂中，有许多是上世纪 90 年代（甚至 80 年代）起家的；很多设备虽然都追溯到上个世纪，但是依旧遵守工业制造标准。由于频繁的升级、随时可用的替换部件，以及更精细复杂的机器人和传感器的加入，加上全面的维护计划部署到位，因此这种设备的寿命之长可能会让人颇感惊讶。

智能制造逐步在半导体行业站稳了脚跟，而且工业4.0技术正在为日趋老化的工艺装备注入新的活力，以使它们的运行更具成本效率。通过采用新式的制造执行系统（MES），可以延长陈旧半导体生产设备的寿命，并能增添先进的功能，可以为半导体行业提供未来发展的途径。

面向未来的MES为制造商提供了应对诸多挑战的解决方案。它能够通过改进效率来提升生产能力和总产量，并不需要扩大成本昂贵的洁净室空间。它可以改善生产的一致性，减少会造成严重损失的加工误差，加快新产品的上市，并为打造最新、最先进的生产流程提供解决方案。部分或者所有这些优势不仅对于制造商的盈利能力至关紧要，而且可能实际上也是事关一家公司生存的关键。

为什么要采用 MES？该如何选择呢？

面对半导体制造的成本因素和变化多端的格局，需要一种能够适应未来的 MES 解决方案。数据的重要性比以往任何时候都高，它可以使制造商拥有一种更好的监视和控制工艺过程的方法，并为帮助解决生产难题和支持决策提供更深入的见解。

随着数据量继续以惊人的速度增长，首要的是，面向未来的 MES 需要纳入一个完全可扩展的工业物联网（IIoT）数据平台，用于摄取、处理和分析大量的数据点，如果语境化和分析正确完成，就能提高学习速度，以帮助推动生产效率的提高，并提供持续的工艺改进。

虽然新建的晶圆厂和采购的设备可以是高度自动化的，但是为此承担的成本是非常高的。对于老的晶圆厂来说，新式 MES 解决方案提供了一种延长设备和工具寿命的方法，这样，就不会出现由于需要建造和装备一家新的晶圆厂而耗资数十亿美元的严酷局面。但是，获取成功需要借助高度通用的系统，此类系统能够实现新型 IoT 装置与老式传统设备的整合，以提供工厂作业的完全可视化。通过提供更好的控制和更严格的加工精度，合适的 MES 解决方案能够提高生产能力、效率和总产量，从而为生产商提供显著的优势，特别是在当前市场上芯片供应出现短缺的情况下。

△图1：专为支持先进半导体制造而设计的上佳 MES 的标志之一是一个简单的接口；理想情况下，该接口应当：直观；支持多个生产场地；提供多语种选项和简易导航。

比较老的工厂常常具有一个老式 MES，以及操作人员多年来使用的形形色色完全不同的系统。在给定的环境中长期操作也许能建立信心，但是，由于多年的技术升级和额外应用程序的添加，此类老系统的维护消耗了大量的专用资源，这是一个客观事实。

由于这么多的资源都重点放在了保持“虽然过时、但却为人熟悉的”系统的正常运转上，因而很容易忘却这样一点，那就是，目前可用的先进 MES 可以实质性地改善企业的生产能力和盈利能力。对于企业已经合并或被收购的情况来说，尤其是这样；位于不同地点的晶圆厂常常具有不同的 MES 解决方案。这给工厂的开销增添了一个额外的维护层（maintenance layer），并影响和抑制了跨多个厂地全面优化生产的能力。

△图2：在记录信息流和实现诸如工艺步骤变更批准等任务的自动化时，层次结构和工艺流程的简单图形描述（图示）有助于快速理解手头的任务。

对于老的晶圆厂来说，从新型 MES 可以期待获得什么呢？一家主要制造商发现，将完全不同的系统和工艺流程纳入一个与 ERP 集成的整体 MES 解决方案，可以产生实质性的好处。首先，它迫使他们组织信息和执行协议，这反过来又形成了更好的理解和持续的改进，以满足日益严紧的要求。与以前采用老式 MES 技术来指导车间工艺流程相比，新型 MES提供了急需的精细度增加，以推动效率提升。采用新型 MES后，一次合格率增加，而生产周期缩短；另外，还有有益信息流增加、工艺流程可视化程度提高，以及误差减少等优点。总的说来，这对盈亏底线的影响是很显著的。但对于未来而言，也许更重要的是：今天在完全可扩展 MES 方面所做的投资，为这家客户通过老式设备整合和更严格的参数控制来降低成本和扩大生产能力，同时实现未来的拓展，提供了更多的方法。从本质上说，该客户既拥有了生产效率大幅提高的当前生产环境，又为将来的发展收获了一条更加容易的途径。

晶圆厂里的每件产品都可能要求跟踪数千条信息，这些信息有关工艺流程、配方、参数、光罩、规格和采样，等等。新式 MES 必须能够容易地维护和控制这些海量的数据，并提供最终产品的完整材料历史，以及全面的变更管理和版本化控制。

它必须能灵活地处理为每一层做变更的常见子流程，并提供重用完整流程块、同时定义适当上下文的机制。

△图3：具有明确存取点的典型控制布局；MES 工具的开发应始终听取来自当前用户和新用户的持续反馈。

生产某个给定的半导体产品可能要经历几百甚至上千道工序，在整个过程中必需对所有的事项实施跟踪，并进行检查，以确保没有发生错误加工。在加工之前进行自动验证，可以降低出错的风险，借助的方法是：验证适当的产品是否采用了合适的加工工具，是否采用了正确的工艺配方和恰当的耐用材料，以及操作人员是否经受了正确的培训并拥有授权。

集束型设备具有多个腔室，这些腔室能够并行（或者按顺序）运行工艺流程，从而提供了很高的效率。工具供应商通常针对效率最大化、腔室专用或某些工程案例提供不同的运行模式。然而，这些工具需要正确的建模和 MES 中的特殊控制逻辑，以充分利用复杂的功能。例如，如果有任何腔室不能工作，那么 MES 就需要确定机器是否仍然可以用于任何给定产品。另外，它还需要在关键绩效指标（KPI）计算中得到反映，如可用性、利用率和设备综合效率（OEE）。

由于许多半导体产品的生命周期都很短，因此在生产晶圆过程中，工程改造和开发产品所占的比例有时会达到 50% 以上。这需要对小批量产品进行高效管理，并具有调整过程变量和快速比较结果的能力。实验设计（DoE）模块可以支持实验晶圆组的加工处理，并考虑到涉及的许多过程变量。将DoE模块集成到 MES 中，即可容易地创建试验运转，并将它们与所有其他生产批次一起执行。MES 内部固有的跟踪和可追溯性将进一步确保收集到所有必要的数据，以实现高效的结果评估。

前端半导体加工制程会涉及高度复杂的工艺配方；至关重要的是，应确保对某个特定的产品使用了合适的工艺配方。具有集成型工艺配方管理系统的 MES 为用户提供了集中管理工艺配方及其参数的能力。此外，通过设备集成，可以更有效地管理在 MES 和设备之间进行的工艺配方的按需上传和下载。自动化工艺配方管理可以避免发生人为错误，并减少晶圆的被迫返工或报废。

△图4：对一个工艺配方与那些正在开发的工艺配方的各个方面进行比较能力，是任何优良 MES 应提供给其用客户的一个关键优势。

对于提高良率和改善质量来说，前馈和反馈工艺程序控制是必不可少的。MES 能够分析前一个批次的数据，以确定是否需要对工艺配方参数进行调整，从而始终保持严紧的容限。例如，假若某道蚀刻工艺的结果开始出现参数漂移，那么，或许意味着晶圆必需在化学浴中停留更长的时间，或者，就需要增大电流，以实现所要求的工艺结果。对于复杂的批次对批次计算，MES 应能够与某种专用应用程序（如 Matlab）互动。

除了跟踪晶圆之外，MES 还需要跟踪光罩和探针卡，从而确保使用正确的耐久材料，同时实现车间内数千种耐久材料中任一种的高效准确定位。它必须在适当的加工步骤强制使用正确的掩模，并出于维护目的跟踪使用情况。它必需在批次历史材料内纳入有关掩模的数据，并能够依照生产调度将可用甚至专用掩模分配给不同的制程工作。

△图5：MES 体系内部的工艺配方管理必需与生产经理设定的主要参考点、以及公司希望拥有访问和管理特权的任何其他参考点相对应。

有时需要将一颗晶圆从输送盒拆分后提前运送，以测试某项工艺。必需对该拆分（在此过程中对单颗晶圆单独加工处理）进行跟踪，但是，系统后来还需要能够将这颗晶圆合并回原先所属的批次中。在有些场合，这并不需要进行晶圆的物理拆分。作为替代，通过提前运送通道（send-ahead path）移动整个晶圆输送盒，由 MES 负责控制设备所需加工的凹槽，同时将其余的晶圆遮蔽起来。MES 必需支持创建一个提前运送的运行程序，并为该晶圆批次的其余晶圆提供适当的场景支持，直到确认了该工艺步骤的成功为止。

尽管用于构建微处理器的晶圆都是采用相同方法制造的，但是，在加工结束时，有些芯片的性能或许有所不同。最高效芯片的售价可以较高。因此，对芯片进行分级是可取的，这就需要识别产品性能的高低。不管是单独的应用，抑或是 MES 的一部分，分选都是一项至关重要的生产能力。

不管是卡盒、箱子、抑或是前开式晶圆传送盒（FOUP），容器与其所装载的内容有关的信息也是需要跟踪的。MES 必需确保容器得到了正确的维护，而且在工艺制程之间没有交叉污染的风险。它必须支持不同污染等级之间的相容性矩阵的定义，并随着载具的使用自动地增加其受污染程度。空容器的管理对于确保它们在启动制造、拆分或转移等物流步骤中的及时可用是很重要的。

△图6：监视工艺步骤和子组件模块应当是直接和具有明确访问共性的，不管是在生产车间使用，还是在管理中心使用。

许多前端制造工艺都具有严格的时效性。而且，某些工艺步骤之间的时间也经常需要监视，这样就不会有工艺步骤明显偏离其既定的容限范围。MES 必须支持任何工艺步骤之间的进程队列时间限制的定义，并确保所有的时间限制均得到遵守，而当未得到遵守的时候，需要发出警告，假如违反了时间参数，那么错误规则应开始起作用。

业务繁忙的半导体生产晶圆厂经常需要优先考虑特定的批次，或在分配机器时以它们在加工某些特定产品类型时的表现为依据。新式 MES 必须支持一种通用的机制，以预先设定在某个特定的工艺步骤，必须使用哪些设备（腔室、耐用材料，等等）来加工一个批次的产品。

前端半导体制程的复杂性和变化性需要采用功能丰富、并且高度灵活的 MES。解决方案应能适应所有的生产场景，并为越来越多来自设备和传感器的数据量提供现成的可扩展性。面对目前很高的半导体市场需求，新式 MES 能够帮助老的晶圆厂保持业务的盈利性，同时延长其工具和运营的生命周期。它能够增加小晶圆厂的产能、提高良率、减少加工误差和提高生产速度。它提供了一种有效管理可用数据和从这些数据获取价值的方法，并为将来处理增添新的传感器、设备和应用模块提供了灵活性。先进的 MES 是为可配置性、灵活性和直接部署专门构建的。一旦正确部署，MES 就能降低管理生产系统的开支费用，同时延长老晶圆厂的生存期。