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成功規劃更有效益的全新晶圓廠

By Haim Albalak

今日興建全新晶圓製廠的成本可高達 100 億美元,如此高昂的資本支出,使快速實現投資回報變得更為重要。應用材料公司 FabVantage™ 諮詢團隊推出全新的晶圓廠先期階段規劃服務,能幫助客戶更快且更有效率地創設全新晶圓廠。

新建或擴建晶圓廠時,合理規劃能發揮關鍵作用;合理規劃有助於確定晶圓廠如何採取快速、有效率且具成本效益的方法,以利達到理想性能水準並實現可預期的投資回報。實際上,一些研究估計,在安裝機台前合理規劃生產運作,能使營運支出降低 10-20%。

精確規劃設備產能對資本支出與未來晶圓廠的生產力有關鍵影響,因此進行新晶圓廠產能模擬時,需要考慮許多因素。這些因素包含機台選用、生產時序循環、批量規模、機台運作彈性與檢修計劃等等。

舉例來說,若一家製造商能將整座晶圓廠的製程機台資本開支降低 2%,則可省下 6,000 多萬美元成本。具體做法是運用模擬技術建立晶圓廠與機台的運作曲線後,進行敏感度分析,驗證瓶頸機台與非瓶頸機台的產能估計值並加以修正。

晶圓廠規劃和建廠是從可行性分析開始,一直持續到可安裝設施為止。這一系列關鍵工作需要豐富的經驗,遺憾的是,在目前的市場條件下,很多半導體企業可能缺乏擁有如此經驗的人才。更糟的是,目前全球大約有 20 間甚至更多的晶圓廠處於規劃或建設階段,如此數量的新廠需求,加劇了人才短缺。[1]

有效規劃新創晶圓廠意味著,一方面可將一系列成本、進度和品質等風險降至最低,同時可達到最佳資本支出,並確保工廠快速達到設計性能。當上述某些方面發生缺失時,晶圓廠的管理人員會發現難以避免的失誤、疏忽和策略失效的情形,因而限制了晶圓廠產能、增加商業風險,並導致不必要的資本支出。

新晶圓廠的規劃必須以管理層一致同意的標準或目標作為基礎;此基礎將成為計劃團隊在整個規劃過程中的指導方針,並有助於管理層做出客觀的決策。

值得注意的是,不同晶圓廠有著不同標準,應根據企業目標具體分配權重。分配權重的標準有助於晶圓廠管理層評估各方面的設計選項,例如平面配置、機台選擇、 廠址選擇等。應用材料公司建議採用結構化的方法來建立標準並分配權重,例如採用層級分析法 (AHP)。圖 1 顯示了在同一套標準上,不同類型的晶圓廠可能會分配不同的權重。

圖 1. 晶圓廠規劃沒有放諸四海皆準的模式。不同晶圓廠有不同的標準,應根據企業的具體目標分配權重。這些權衡標準有助於管理層評估新晶圓廠各方面的設計選項。

合適的晶圓廠平面概念配置對晶圓廠未來的性能表現有著重大影響,因此最佳平面配置應根據晶圓廠總體設計標準做決策。概念設計期間常面臨需要分期實施建廠計劃的難題。

例如,圖 2 顯示了一間分兩期生產階段啟動的晶圓廠,有著兩套不同的設計方案。兩套方案各有利弊,應根據晶圓廠總體標準做選擇。

圖 2. 製造商需要分兩期啟動生產,這往往使其難以事先確定晶圓廠的最佳平面配置。上圖顯示了在假設的平面配置設計過程中涉及的一些衝突和權衡取捨。最終的決策應根據晶圓廠總體標準決定,FabVantage 顧問可幫助客戶在規劃程序啟動時制訂這些標準。

製造商往往會尋求外部資源幫助他們應對這些挑戰。但是,外部人員可能沒有所需的建廠經驗;或無法獲取先前晶圓廠規劃方面累積的經驗和知識;或無法參照業界最佳標準來衡量設施和機台。

缺少高度專業知識會造成新晶圓廠建廠規劃失效,而導致各種失誤與問題,例如:

  • 潔淨室下層設計無法輕鬆支援未來可能的產能擴張
  • 選擇了不合適的機台或低效能的機台配置
  • 無法完全運用全自動模式下,先進電腦整合生產 (CIM) 的優勢
  • 物料搬運規劃不合適,倉儲能力不足
  • 測量設備能量不足或過剩
  • 設備和自動化系統佈置不當導致生產缺乏靈活性
  • 高污染區選址不當而造成過度的良率損失

幫助客戶創設晶圓廠

助客戶創設晶圓廠 應用材料公司 FabVantage 諮詢團隊開發了 FabVantage 先期規劃服務,旨在幫助新創晶圓廠在更少時間內從初步規劃至完成高效率生產廠房,同時降低風險,提高資本利用效率。

這項 FabVantage 服務為晶圓廠提供快速、有效率、全面的規劃支援服務,同時協助完成各個階段的規劃執行工作。具體而言, FabVantage 顧問可幫助客戶:運用精心設計的製程使設備達到所需產能和要求、審查晶圓廠配置、最佳化工廠設施、產能模擬、專案規劃,並實現工廠自動化(見圖 3)。

圖 3. 應用材料公司的 FabVantage 晶圓廠先期規劃是以「資訊收集、規劃與設計」的全方位方法為依據。

應用材料公司獨具優勢與資格,能為晶圓廠提供先期規劃支援。數十年來,本公司一直是業界領先的生產商,提供最廣泛的半導體系列生產設備、軟體和服務,在全球 18 個國家 80 多個地點裝機 38,000 餘台。應用材料公司的晶圓廠設施、晶圓廠和機台性能可為業界最佳標準設定基準。例如,我們的知識庫擁有來自 13,000 多個製程反應室的數據,涉及 113 個不同晶圓廠的 70 多種平台配置。我們簽署了數千套機台的服務協議,使我們能獨一無二地掌握業界最佳的機台性能和操作方式(見圖 4)。

圖 4. 我們的知識庫有著業界最佳的基準數據;這些數據來自簽屬本公司服務協議的數千套機台。

以下範例顯示應用材料公司 FabVantage 晶圓廠先期規劃顧問如何幫助客戶降低風險並節省營運支出和資本支出。

自動化物料搬運系統 (AMHS) 設計. 此系統對晶圓廠未來績效有重大影響,尤其是系統複雜度不斷增加的大型先進晶圓廠。在驗證 AMHS 設計方面,運用模擬和建模技術非常重要。此技術可估算處理能力並找出潛在的瓶頸,快速而輕鬆地作出評估。

舉例來說,FabVantage 顧問發現若 AMHS 未能按照晶圓廠內某些高產能機台的平面配置需求正確佈線,將導致這些機台的空載時間增加 2%,因為機台必須等待 AMHS 輸出半成品 (WIP)。此空載時間將增加 500-1,000 萬美元的成本,通常是由於在同一 AMHS 服務區塊放置過多短製程機台所造成。圖 5 顯示了該問題。

圖 5. 上圖是需要有效進行產能規劃的一個例子,圖中顯示了 AMHS 系統規劃不當如何導致高產能機台空載時間比實際所需高出 2%。FabVantage 晶圓廠先期規劃顧問透過晶圓廠模擬和建模發現此一問題。

規劃節能機制. 從一開始就規劃好節能機制是實現節能的最佳方式。其中一個關鍵途徑是啟動設備空載 /睡眠模式。為充份利用這個機制,最重要的是在規劃階段選擇正確的潔淨室下層設備,因為總體節能潛力可高達晶圓製造廠總電力消耗的 15%。

FabVantage 顧問利用應用材料公司在 2,700 多台 iSystem™ 潔淨室下層節能設備與 2,000 多台泵前電漿除汙減碳系統安裝過程所積累的經驗,幫助客戶規劃潔淨室下層配置,以減少能源和資源消耗、更有效監控潔淨室下層組件,並協助有效減少溫室氣體 (GHG) 排放(見圖 6)。

圖 6. 從一開始就規劃好節省能源和資源機制是實現節能的最佳方式。其中一個關鍵途徑是在潔淨室下層設備上啟用空載 / 睡眠模式。總體節能潛力可高達晶圓製造廠總電力消耗的 15%。

專家支援與工廠自動化方案

FabVantage 晶圓廠先期規劃會在新晶圓廠建廠規劃中提供客戶高層主管級的決策支援,在專案周期中為客戶提供專家諮詢服務。這包含眾多相關領域的專家,並利用應用材料公司晶圓廠和設備知識庫中的大量資源。 FabVantage 顧問還能發揮應用材料公司在 CIM 軟體解決方案領域的專長,並利用與多家領先半導體企業合作而積累的豐富經驗,幫助客戶的新建晶圓廠達到世界級的性能水準和快速的投資回報。

應用材料公司的知識庫是 FabVantage 專家工作的重要基礎。這是一個範圍廣泛的業界資源百科,匯集了業界基準以及關於機台、運作、製程、自動化、設施和工廠級技術等已成功的最佳實務經驗和作業程序。

結論

無論是新建或是擴建晶圓廠,半導體業面臨著迫切的需求,但全球各地卻缺乏經驗豐富的專業人員。

FabVantage 晶圓廠先期規劃專為這方面需求提供服務,是應用材料公司幫助客戶應付最棘手難題的一項服務。

Haim Albalak 是應用材料公司 FabVantage 諮詢團隊的晶圓廠生產效率實務主管。

欲知詳情,請聯繫 haim_albalak@amat.com

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