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合理规划更高效的新晶圆厂创办工作

By Haim Albalak

如今,新建一家晶圆制造厂的成本可能高达 100 亿美元,如此高昂的资本支出使得快速实现投资回报变得更为重要。应用材料公司 FabVantage™ 咨询部现在推出了全新的晶圆制造厂早期阶段规划服务,能帮助客户更快更高效地创办晶圆厂。

在新建或是扩建晶圆制造厂时,合理的运行规划发挥着至关重要的作用,有助于确定晶圆厂能多大程度上快速、高效且富有成本效益地达到理想的性能水平并开始实现可衡量的投资回报。实际上,一些研究估计,在安装机床前合理规划生产运行,能使运营支出降低 10-20%。

精确的设备产能规划对资本支出和未来晶圆制造厂的生产能力有很大的影响,因此在对新晶圆制造厂做产能建模时,需要考虑许多因素。这些因素包括机床和腔室专用安排、等机循环、批次大小、无故障运行时间变化和生产机床的检测计划,等等。

例如,一家制造商发现有机会将整座晶圆制造厂的加工机床资本开支降低 2%,从而节省 6000 多万美元的成本。具体的做法是运用模拟技术建立晶圆厂和机床的运行曲线,然后开展敏感度分析,验证关于瓶颈型机床和非瓶颈型机床的产能假设并进行更新。

机床的产能假设并进行更新。 晶圆制造厂的规划和创办工作从可行性分析开始,并继续进行到设备准备就绪,这一系列关键工作需要丰富的经验,遗憾的是,在目前的市场状况下,很多半导体企业可能缺乏拥有如此经验的人员。更糟的是,目前全球大约有 20 家甚至更多的晶圆制造厂处于规划或建设阶段,如此数量的新厂需要规划,加剧了人才短缺。[1]

新晶圆厂创办规划意味着,一方面最大程度减少成本、进度和质量风险,另一方面优化资本支出,并确保工厂快速达到设计性能。任何一处出现短板,晶圆厂的管理人员都会发现自己处于难以避免失误、疏忽和低效策略的境地,从而会限制工厂生产效率,增加业务风险,并导致不必要的资本支出。

新晶圆制造厂的规划工作必须有管理层一致同意的标准或目标作为支持,这些标准或目标将成为项目团队在整个规划过程中的指导方针,这有助于管理层作出客观的决策。

需要谨记的是,不同晶圆厂有着不同的一套标准,应根据企业的目标来具体分配权重。对标准的权重分配得当,会有助于晶圆厂管理层评估各方面的设计选择,例如平面布局、机床选择、场址选择,等等。应用材料公司建议采用结构化的方法来制定标准并分配权重,例如采用层次分析法 (AHP)。图 1 显示了不同类型的晶圆制造厂 对同一套标准可能会分配不同的权重。

图 1. 晶圆厂规划没有放之四海而皆准的模式。不同的晶圆厂有不同的标准,应根据企业的具体目标分配权重。对标准的权重分配得当,会有助于晶圆厂管理层评估新晶圆厂各方面的设计选择。

为晶圆厂选择合适的概念性布局,就是这方面的一个例证。这对晶圆制造厂未来的性能表现有着重大影响,因此关于最佳平面布局的决策,应根据晶圆厂的设计标准作出。 在概念设计阶段会面临一个常见困境,这与需要分期实施创办计划相关。

例如,图 2 显示了一家分两个生产阶段启动的晶圆制造厂两套不同的设计方案。两套方案各有利弊,应根据晶圆厂总体的标准进行选择。

图 2. 制造商需要分两期启动生产,这往往使其难以事先确定晶圆厂的最优布局。上图显示了在假设的布局设计过程中涉及的一些冲突和权衡取舍。最终的决策应根据晶圆厂的标准作出,FabVantage 顾问可帮助客户在规划过程一开始就制定这些标准。

制造商往往会寻求外部资源来帮助其应对这些挑战。但是,外部人员可能没有必要的创办经验,或无法获取之前晶圆厂规划方面积累的经验和专业知识,或无法参照业界最佳标准衡量设施和机床。

这种高度专业化知识的缺乏会造成新晶圆厂创办规划的低效,导致各种失误和问题,例如 :

  • 厂务层设计不能很好地支持未来潜在产能的增加
  • 选择了不合适的机床或低效的机床配置
  • 无法完全发挥全自动模式下先进计算机集成制造 (CIM) 的优势
  • 物料处理不充分,仓储能力不足
  • 测量设备能力不足或过剩
  • 由于设备和自动化系统布置不当而导致生产缺乏灵活性
  • 由于高污染区选址不当而造成过度的良率损失

帮助客户创办晶圆制造厂

应用材料公司 FabVantage 咨询部开发了一项新的服务——FabVantage 早期规划,旨在帮助新创办的晶圆制造厂用更少的时间从初始规划逐步建成高效生产的设施,同时降低风险,提高资本利用效率。

这项 FabVantage 服务为晶圆厂提供快速、高效、全面的规划支持,同时协助完成各个阶段的规划执行工作。具体而言,FabVantage 顾问为客户提供的帮助是,运用精心设计的流程使设备达到所需能力和要求,评估晶圆厂的平面布局,优化工厂设施,对产能建模,开展项目规划,并实现工厂自动化(见图 3)。

图 3. 应用材料公司的 FabVantage 晶圆厂早期规划是以“信息收集、规划和设计”这样一个全面的方法为基础而开展进行。

应用材料公司在为晶圆制造厂提供早期规划支持方面有着得天独厚的优势和资格。数十年来,公司一直是半导体生产设备的领先生产商以及相关软件和服务的领先制造商,提供最广泛的设备、产品和服务,在 18 个国家 80 多个地点装机 38,000 余台。应用材料公司能参照业界最佳标准衡量晶圆厂设施以及晶圆制造车间和机床的性能。例如,我们的知识库包含来自 13,000 多个工艺腔室的数据,涉及 113 个不同晶圆厂的 70 多种主机配置。我们签署了数千台机床的服务协议,使我们能独一无二地掌握业界最佳的机床性能和操作方式(见图 4)。

图 4. 我们的知识库包含来自我们签署服务协议的数千台机床的业界最佳基准数据。

下面的例子展示了应用材料公司 FabVantage 晶圆厂早期规划顾问如何帮助客户降低风险并节省运行支出和资本支出。

自动化物料处理系统 (AMHS) 设计。. 这些系统对晶圆制造厂未来的绩效有重大影响,尤其是系统复杂度不断增加的大型先进晶圆厂。运用模拟和建模技术来验证 AMHS 的设计很关键。这样就可估算处理能力并找出潜在的瓶颈,快速而轻松地作出评估。

其中有这样一个例子,FabVantage 顾问发现 AMHS 未能按照晶圆厂一些高产能机床的布局要求进行正确布线,导致这些机床的空载时间比必要的长 2%,因为机床必须等待 AMHS 输出在制品 (WIP)。这一空载时间等于增加 500-1000 万美元的成本,因为在 AMHS 轨同一服务区需要定位的短制程机床过多。图 5 显示了该问题。

图 5. 上图是需要有效进行产能规划的一个例子,图中显示了 AMHS 系统规划不当如何导致高产能机床空载时间比正常所需高出 2%。FabVantage 晶圆厂早期规划顾问通过晶圆厂模拟和建模发现了这一问题。

规划节能机制。. 从一开始就规划好节能机制是实现节能的最佳方式。其中一个关键途径是启用设备空载 / 睡眠模式。要最大程度利用这一途径,重要的是在规划阶段选择合适的厂务层组件,因为总体节能潜力可高达晶圆制造厂总电力消耗的 15%。

FabVantage 顾问利用应用材料公司在 2700 多台 iSystem™ 厂务层机床连接和 2000 多台泵前等离子系统安装过程中积累的经验,帮助客户规划厂务层策略,减少能源和资源消耗,更好地监控厂务层组件,并实现温室气体 (GHG) 的高效减排(见图 6)。

图 6. 从一开始就规划好节能机制是实现节能的最佳方式。其中一个关键途径是在厂务层组件上启用设备空载 /睡眠模式。总体节能潜力可高达晶圆制造厂总电力消耗的 15%。

专家支持和工厂自动化解决方案

FabVantage 晶圆厂早期规划在新晶圆厂创办规划中为客户提供高管一级的决策支持,在项目的整个周期中为客户提供专家咨询服务。这包括众多相关领域的主题专家,并利用应用材料公司晶圆厂和机床知识库中的广博资源。FabVantage 顾问还可以发挥应用材料公司在 CIM 软件解决方案领域的专长,并利用与行业多家领先半导体企业合作而积累的丰富经验,帮助客户的新晶圆厂达到世界级的性能水平和获得快速的投资回报。

应用材料公司的知识库为 FabVantage 专家的工作提供支持。这是一个百科全书式的资源,汇集了行业基准以及关于机床、运行、工艺、自动化、设施和工厂级技术已知成功的最佳做法和程序。

结论

半导体行业面临着一项紧迫需求——众多新的晶圆厂和扩建的晶圆厂需要上线,而经验丰富的人员在全球许多地方都稀缺。

FanVantage 晶圆厂早期规划”针对这一需求而量身定制,是应用材料公司帮助客户应对最棘手生产难题的又一项服务。

Haim Albalak 是应用材料公司 FabVantage 咨询部的晶圆制造厂生产效率实践主管。

欲知详情,请联系 haim_albalak@amat.com

[1]http://www.semi.org/en/19-new-fabs-start-construction-0