國際器件與系統(tǒng)路線圖對半導(dǎo)體工廠集成標(biāo)準(zhǔn)化的啟示

國際器件與系統(tǒng)路線圖對半導(dǎo)體工廠集成標(biāo)準(zhǔn)化的啟示

Summary：2022版國際器件與系統(tǒng)路線圖中的工廠集成白皮書對半導(dǎo)體行業(yè)未來的工業(yè)化發(fā)展提供了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用建議以及標(biāo)準(zhǔn)化趨勢預(yù)測，對于我國的半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化活動具有重要的借鑒意義。Keys：半導(dǎo)體工廠集成路線圖標(biāo)準(zhǔn)化1

概述國際器件與系統(tǒng)路線圖（InternationalRoadmapforDevicesandSystems，IRDS），前身為美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會（SIA）聯(lián)合日本、歐洲、韓國、臺灣的半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會制作的國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors，ITRS），后于2017年由美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）接手并改名。路線圖分為Summary版、詳細(xì)版以及總體路線圖技術(shù)特征總表，供高層決策者、企業(yè)和科研人員參考，同時在每個版本中不斷引入新的章節(jié)，以更好反映技術(shù)發(fā)展新態(tài)勢和行業(yè)發(fā)展新動向[1]。路線圖旨在從宏觀上總結(jié)行業(yè)發(fā)展態(tài)勢，并對產(chǎn)業(yè)鏈具體環(huán)節(jié)展開分析，評估和預(yù)測全球半導(dǎo)體工業(yè)未來15年的技術(shù)走向，為企業(yè)和學(xué)術(shù)團(tuán)隊的研發(fā)工作提供從戰(zhàn)略到技術(shù)上的指導(dǎo)。本文根據(jù)2022版國際器件與系統(tǒng)路線圖的“工廠集成（FactoryIntegrate，F(xiàn)I）”章節(jié)白皮書，摘錄了FI焦點工作組對半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用建議，以及對關(guān)聯(lián)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化趨勢的預(yù)測。2困難與挑戰(zhàn)根據(jù)國際器件和系統(tǒng)路線圖，目前到2025年為止半導(dǎo)體行業(yè)需要面臨的挑戰(zhàn)主要包括工廠和設(shè)備在可靠性、產(chǎn)能、產(chǎn)率和生產(chǎn)成本方面的要求。其中仍需解決的問題包括：通過對法律和商業(yè)指南的標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)價值共享，通過各方合作（例如背景數(shù)據(jù)共享和行業(yè)專家合作）提出提高產(chǎn)能、產(chǎn)率和可靠性的實際方案，并以衍生知識產(chǎn)權(quán)的形式使各方受益；制定關(guān)于關(guān)鍵零部件供應(yīng)鏈可追溯性的標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地認(rèn)識零件的使用壽命、適用性或穩(wěn)健性；提供標(biāo)準(zhǔn)的最佳實施方案，以便于供應(yīng)商根據(jù)零部件的退化特性，進(jìn)一步開展故障的跟蹤和預(yù)測。而在2025年以后，為滿足先進(jìn)工廠的靈活性、延伸性和擴(kuò)展性需求，還需要對工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化活動的成本與任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃布局。3標(biāo)準(zhǔn)化趨勢3.1

生產(chǎn)工藝在450mm晶圓得到應(yīng)用之前，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要求的其中一個重點在于提升現(xiàn)行工藝的生產(chǎn)力。為了減少30%的生產(chǎn)成本和縮短50%的生產(chǎn)周期，需要減少300mm晶圓工藝產(chǎn)生的浪費，但由于未適時制定推行與等候時間浪費相關(guān)的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的改進(jìn)未能得到實施。減小設(shè)備差異也是提高生產(chǎn)力的一個途徑，未來可以通過標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行量化。設(shè)備輸出廢棄物（EOW）也是調(diào)整生產(chǎn)力優(yōu)化方向的一個重要指標(biāo)。為工廠系統(tǒng)集成（FI）引入更全面、可測量的工廠級廢棄物指標(biāo)，有助于明確高度復(fù)雜的制造系統(tǒng)整體生產(chǎn)力的優(yōu)化方向。實現(xiàn)減少廢棄物的指標(biāo)需要新的制造控制模型和算法，同時需要行業(yè)合作來滿足廢棄物可視化和減少量的要求。對廢棄物指標(biāo)的定義和測量方法的標(biāo)準(zhǔn)化可能是有效的方法之一。3.2

生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備除了工藝和計量相關(guān)的設(shè)備，還包括嵌入式控制器、前端模塊、連接主系統(tǒng)的軟件和固件接口以及其他設(shè)備接口等。對于300mm晶圓工藝，大多數(shù)工廠和生產(chǎn)設(shè)備的接口已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。但為了實現(xiàn)在非加工期間生產(chǎn)設(shè)備的程序和供能自動關(guān)閉、在恢復(fù)加工時又能快速啟動的智能節(jié)能模式，需要對主系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備之間、生產(chǎn)設(shè)備和輔助間支持設(shè)備之間的通信協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。SEMIE167標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了主系統(tǒng)和設(shè)備之間的通信方法，包括節(jié)能模式和正常運行模式的預(yù)期時間和周期長度以及兩種模式之間的切換。另有SEMI標(biāo)準(zhǔn)工作組正在編制特定生產(chǎn)設(shè)備和輔助間支持設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)。智能制造要求未來的設(shè)備具有預(yù)測能力，例如，能減少誤處理、報廢和潛在損壞的設(shè)備偏移預(yù)測，能提高產(chǎn)能、減少浪費的調(diào)度預(yù)測，以及能改進(jìn)過程控制和縮短周期時間的虛擬計量。為此需要制定設(shè)備預(yù)測方面的新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。例如，SEMIE171提出了物流預(yù)測（PCL）規(guī)范，旨在提供一種用于在設(shè)備和工廠系統(tǒng)之間交換物流相關(guān)信息、特別是預(yù)測信息的通信方案，來支持運輸方面的無縫連接，以使微電子制造系統(tǒng)或類似系統(tǒng)中的設(shè)備能持續(xù)運行。為了更好地實現(xiàn)預(yù)測能力，需要提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量?，F(xiàn)有系統(tǒng)在設(shè)計時通常沒有考慮這一點，因此未必有合格的數(shù)據(jù)質(zhì)量去支撐經(jīng)濟(jì)高效的預(yù)測能力。數(shù)據(jù)質(zhì)量問題例如準(zhǔn)確性、及時性、可用性等，常出現(xiàn)在維護(hù)管理系統(tǒng)里依賴人工輸入的數(shù)據(jù)中。應(yīng)用SEMIE151和E160等數(shù)據(jù)質(zhì)量指南和標(biāo)準(zhǔn)可以減少人為造成的錯誤，在解決流程問題時也可以提高針對性，使數(shù)據(jù)質(zhì)量得到優(yōu)化。3.3

信息控制系統(tǒng)提高產(chǎn)量和減少廢料在很大程度上需要依靠工廠信息控制系統(tǒng)（FICS）。FICS可以實現(xiàn)先進(jìn)過程控制系統(tǒng)（APC）、制造執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備性能跟蹤、工廠調(diào)度、維護(hù)管理、自動物料搬運系統(tǒng)和供應(yīng)鏈元素之間的協(xié)同集成，從而確保在合適的時間、位置交付正確的材料、批次和晶片，最大限度地提高設(shè)備利用率。作為FICS解決方案的一個組成部分，采用APC技術(shù)的過程控制系統(tǒng)（PCS），包括批間（R2R）控制、故障檢測、故障分類、故障預(yù)測和統(tǒng)計過程控制等將得到更普遍的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)SEMIE133規(guī)定了PCS解決方案的定義、性能評價和可識別的接口要求。標(biāo)準(zhǔn)SEMIE126適用于辨識特定過程類型的R2R控制能力。高度集成的PCS解決方案可以提高產(chǎn)量和工藝性能，同時減少周期時間、預(yù)熱檢查時間、計劃內(nèi)或計劃外的停機(jī)時間、廢片、廢料和返工度。隨著FICS關(guān)鍵組成系統(tǒng)之間的協(xié)同集成和數(shù)據(jù)交換水平提高、批量減小以及流程窗口更加密集，必須由FICS管理的消息和數(shù)據(jù)負(fù)載將會增加。生產(chǎn)設(shè)備將產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，比如故障檢測所需的傳感器數(shù)據(jù)、先進(jìn)過程控制數(shù)據(jù)和設(shè)備性能數(shù)據(jù)等。為了適應(yīng)數(shù)據(jù)的增長速率并進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、存儲和檢索，F(xiàn)ICS需要具備可擴(kuò)展性，借助分布式數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序可以緩解工廠的帶寬壓力，并增強FICS過濾大量數(shù)據(jù)的能力。為了滿足FICS系統(tǒng)的這些需求，需要在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換和配方管理等方面與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)保持一致，包括與垂直領(lǐng)域供應(yīng)鏈的標(biāo)準(zhǔn)一致以支持集成供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)交換。特殊設(shè)備或生產(chǎn)商定義的專用接口會增加集成電路生產(chǎn)商和FICS供應(yīng)商的實現(xiàn)時間和成本，因此需要集成電路生產(chǎn)商、設(shè)備供應(yīng)商和FICS供應(yīng)商的合作來縮短新標(biāo)準(zhǔn)制定的時間。3.4

智能制造智能制造所用的分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在各個操作步驟中都有可能泄露專利關(guān)鍵信息。雖然集成電路生產(chǎn)商可能希望全部數(shù)據(jù)都能在自己擁有的所有設(shè)備上共享，以便進(jìn)行流程優(yōu)化，但是設(shè)備供應(yīng)商也會擔(dān)心其工藝專利的詳細(xì)信息有可能通過下游設(shè)備泄露給競爭對手。如果供應(yīng)商只提供集成的端到端智能制造解決方案，而將有風(fēng)險的專利封裝在自己的生態(tài)系統(tǒng)中，這樣會對行業(yè)發(fā)展造成不利的影響。因此需要為供應(yīng)商和生產(chǎn)商之間的授信網(wǎng)絡(luò)連接制定標(biāo)準(zhǔn)，在需要時能提供必要的數(shù)據(jù)，同時營造互信的合作環(huán)境。可以通過由智能合同管理的自動數(shù)據(jù)共享協(xié)議的，或者是可信任的第三方托管系統(tǒng)，來保護(hù)數(shù)據(jù)的使用，同時也能夠享受模塊化系統(tǒng)帶來的協(xié)同優(yōu)勢。在制定工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）方案的協(xié)同數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)時，需要同時考慮數(shù)據(jù)使用者、數(shù)據(jù)所有者和供應(yīng)商在數(shù)據(jù)共享和收益歸屬方面的需求。在制定行業(yè)信息共享標(biāo)準(zhǔn)時，還需要考慮供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的需求。集成供應(yīng)鏈可以看作是一個由智能節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上下游的信息做出生產(chǎn)決策。更緊密的數(shù)據(jù)鏈接會帶來更高的操作簡便性、庫存管理能力、操作靈活性、需求響應(yīng)能力和可追溯性，以解決保修和召回調(diào)查等問題。盡管共享的內(nèi)容可能有些不同，集成供應(yīng)鏈與IIoT同樣需要建立合理的信任和協(xié)作模式。當(dāng)數(shù)據(jù)在分布式網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，如果使用傳統(tǒng)的IT結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，對數(shù)據(jù)元素訪問權(quán)限的控制能力將會受到限制。因此需要制定并非限定于工業(yè)領(lǐng)域的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)集成標(biāo)準(zhǔn)。4

啟示作為我國半導(dǎo)體材料的標(biāo)準(zhǔn)歸口管理單位，全國半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會材料分技術(shù)委員會建立了較為完善的半導(dǎo)體材料標(biāo)準(zhǔn)體系，已基本滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)的需求。目前我國已有的半導(dǎo)體材料標(biāo)準(zhǔn)以基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、檢測方法標(biāo)準(zhǔn)為主，管理標(biāo)準(zhǔn)則主要圍繞安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗、資源再生以及綠色制造等方向[2]。為適應(yīng)半導(dǎo)體行業(yè)未來的發(fā)展、緊跟行業(yè)的新興需求，需要加強對生產(chǎn)工藝、設(shè)備預(yù)測性、信息控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)共享等方面標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)注，充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)的前瞻性和指導(dǎo)性作用，以破解“卡脖子”、補短板、國產(chǎn)