米乐M6 M6米乐半导体工业软件（一）：EAP（设备自动化）

　　M6 米乐M6 米乐米乐M6 M6米乐为了遵循摩尔定律，以低成本获得高性能，半导体制造的发展主要依靠以下三个方面：

　　至少在未来 10 年中计算机硬件的发展速度仍然遵循摩尔定律。随着晶圆尺寸越来越大，加工工艺越来越复杂，传统晶圆的批加工已经不能满足蚀刻、化学气相沉积和快速高温加工等工艺的要求。所以目前，200mm 以上的晶圆越来越多地采用自动化组合设备(cluster tool)进行加工。采用自动化组合设备实现单片加工，体现了晶圆制造的最新技术，也是大直径晶圆制造的必然趋势。

　　从半导体制造自动化技术的发展历程来看，目前在半导体自动化/集成上所取得的成就可以分为以下几类：

　　1. 过程自动化：将每一个过程的自动化，从手工或半自动到全自动。生产率和生产力的提高是主要驱动力。

　　2. 过程集成化：将不同过程集成于单一设备内。这包括将传输带/移动机械及机器视觉检查集成进每个工艺过程，并将这些信息连接到单元控制器。

　　3. 单元/线自动化：将不同工艺过程及设备集成到一条生产线或单元，由一个材料传输系统进行连结，由线或单元控制器控制，控制器可能连接或不连接到制造执行系统。

　　4. 制造执行系统集成化：将工程过程设备及单元控制器连接到制造执行系统，实现透明的、准确的实时信息能及时更新到整个组织。访问实时信息能帮助降低周期时间，提高生产率。

　　IC芯片生产线生产率是对于每个生产线每小时生产芯片收入的量度。要提高IC芯片生产线生产率须针对成本中的可变成本部分作为主攻目标，通过采用自动化技术来达到：

　　1. 控制生产线，使其符合规格地在线. 收集数据，使工艺自动化，减少手工搬运以及工艺工程师和操作工对工艺的干预，最终使生产线生产率达到最高，而使可变成本降到最低。

　　随着半导体工艺制程的发展，半导体制造商需要在多变的全球市场中展开激烈竞争，制造商必须能够做到最大化使用设备、优化制造流程和制程参数、增加生产能力(throughput)、减少进入量产的准备时间，并提供更灵活和便捷的工作环境使得生产更有效率。由于制造流程的成本和复杂程度的增加，设备自动化已经成为前段半导体制造中必要的部分。今天，每一家前道的加工(FABRICATION: FAB)厂都在不同程度上实现了自动化。设备监控、数据搜集、报警和事件管理等能力，都是基本的自动化需求。

　　由于 12 英寸晶圆生产线采用单晶圆片、连续流生产方式，且对于 12 英寸晶圆厂，每片晶圆的单价和成本相当高，任意一片报废，损失都非常惨重。另外，根据德国某著名半导体洁净室设计公司对附着在晶圆上的微尘(Particle)来源做分析后指出，人体是微尘的最主要来源，而微尘又是影响半导体产品品质的最大手，因此要改善产品品质可靠度的最有效途径就是尽量减少人与产品的直接接触，所以晶圆厂需要实行高度的自动化，以保证高效精确的生产。而制造执行系统如何与半导体设备进行整合，从而高效准确地控制设备，它们之间的桥梁——设备自动化（Equipment Automation Programming，EAP）系统就显得尤为重要了。

　　EAP（Equipment Automation Programming）实现了对生产线上机台的实时监控，是工厂自动化不可缺少的控制系统。EAP系统与FAB中的机台紧密相关，系统的设计与开发必须与生产线的机台实际生产流程相一致，才能达到控制机台生产的目的。

　　EAP是MES与设备的桥梁，EAP通过SECS国际标准协议与机台进行数据传输。SECS是半导体设备（半导体行业称设备为机台）必须遵循的一种国际通信协议。EAP就是通过SECS与设备通信、传输数据、发送指令控制设备按照预先定义的流程进行生产加工，达到对设备远程控制和状态监控，实现设备运行的自动化。

　　EAP是CIMS系统最低层的子系统，也是FAB中最为关键的系统之一。所有的生产过程，生产数据和机台状态数据都是通过EAP系统收集，然后传送给MES、AS等服务器对应的数据库，MES通过这些数据对产品和设备事件进行跟踪和监控。如果没有EAP系统FAB中的CIMS就没有实际的意义，生产的自动化也就无从谈起。EAP系统的开发基于SECS国际标准协议。

　　EAP是CIMS系统与设备系统联系最紧密的子系统，也是CIMS中底层的系统。FAB生产线实现自动化过程中，EAP是不可缺少的子系统。

　　1. EAP是CIMS中其他系统所需数据的数据源。EAP为MES、AS、ERP等子系统提供各自所需的数据和信息，如产品参数、品质参数、生产线状况、材料状态以及机台状况等信息。而这些数据是上层制造管理系统或者资源规划、决策系统所必须的。

　　2. EAP系统直接控制机台，使得CIMS系统的优势得到了充分的发挥。在半导体行业，为了确保产品合格率，厂家在生产自动化系统投入了大量的财力物力，生产的自动化达到了相当的程度。使得CIM的理念在半导体行业显现的更加有效和实用。

　　3. EAP系统的实现不断推动CIM理论的发展和完善，促进了制造业生产技术不断提高，从硬件的设备系统到软件的管理系统都在不断的飞速发展，在汽车、半导体等流程工业领域全自动生产成为一种必然的趋势。

　　制造执行系统是半导体生产线的核心，它的主要功能是过帐，工厂中所有与生产相关的元素都要在制造执行系统上过帐。例如各种设备、生产机台、操作工、量测机台，甚至每一片正在加工或等待加工的晶圆，都以 ID 的形式记录在制造执行系统实时数据库中。每一种元素的状态发生变化时，都必须告知制造执行系统以便及时更新数据库。所以，制造执行系统能够实时地监控整个生产线状况。

　　设备自动化系统是制造执行系统收集实时数据的来源。设备自动化系统在控制机台生产过程中，要实时地将机台的状态数据、产品参数等报告给制造执行系统。下面的例子说明设备自动化系统是如何与制造执行系统协同工作的。

　　当一批晶圆在某个机台加工之前，必须首先在制造执行系统上过帐，即这批晶圆的状态由“激活”(Active)变为“派工”(Dispatch)状态。然后这批晶圆才可以从仓库(Stocker)拿出放在机台的前台(Port)上，设备自动化系统会收到来自机台已上货(MaterialReceived)事件，而后设备自动化将会下达机台相应的指令，命令机台进行加工。当机台开始加工时，设备自动化系统必须报告制造执行系统晶圆已经开始加工的信息，制造执行系统将把这批晶圆的状态由“派工”改为“正在加工”(Processing)。

　　同样当机台生产加工结束时，设备自动化系统向制造执行系统告知加工已结束的信息，制造执行系统将这批货的状态由“正在加工”改为“加工完成”(Batch Finish)，而后进入下一个加工步骤的“激活”状态。下图演示了晶圆加工期间的状态及其之间的关系。

　　设备自动化系统是半导体制造厂整个生产线中与设备联系最紧密的系统，实现了对生产线上的机台的实时监控，是工厂自动化不可缺少的控制系统。下图矩形部分描绘了设备自动化系统在半导体制造生产线中位置。

　　如图所示，设备自动化系统与生产线中其它系统之间的通讯采用 Tibco RV 协议，Tibco RV 是一种广播式通信格式。而设备自动化系统与机台之间通过 SECS/GEM 通信，从而实现对机台的控制。

　　设备自动化系统是生产线中其它系统所需数据的数据源，为制造执行系统、缺陷检测与分类系统(FDC)、企业资源计划系统(ERP)等提供各自所需要的数据和信息，如产品参数、品质参数、生产线状况、材料状态以及机台状况等信息。

　　在逻辑上，系统处于制造执行系统和半导体设备之间。EAP系统与制造执行系统之间采用 Tibco RV 协议进行通讯，与半导体设备通讯方面，则采用业界通用的 SECS/GEM 通讯标准。

　　系统在设计时考虑到大多数半导体机台的一些共性，比如作业的创建、执行到完成，期间进行的一些数据收集等工作，因此这部分共性的功能需要在系统中实现。对于特定机台的部分特性，只需在此系统上进行扩展，编写一个小的适应器，绝大部分共性的功能不需要重新编写，即可完成对该机台的设备自动化系统的开发，使得系统开发和测试的周期大大缩短，并且系统的质量也得到了保证。

　　设备初始化控制。当设备需要重启并建立了通讯连接后，需要进行一些初始化工作，如定义事件、警报等。

　　物料状态跟踪。实时对正在设备上加工的物料状态进行跟踪监控，如晶圆目前正在哪个加工仓(Chamber)，进行哪一个步骤的加工等。

　　当机台出现故障时，根据机台的警报及时传达给相应的设备工程师，以便及时处理。机台状态监控。实时监控机台的状态，是运行、空闲还是维护等，以便合理地利用机台，提高设备利用率。

　　机台在跑不同批次的货时，采用不同的配方，设备自动化系统通过对每一批货的判断，指示机台采用相应的配方进行加工。数据采集。在半导体生产过程中，将会产生大量诸如温度、压力等参数，这些参数对于晶圆能够保持在正常合理的参数下进行加工，有着非常重要的参考价值。在生产运行过程中，当工艺设备生产到一定的批数以后，有些参数会漂移，通过缺陷检测分类系统能够及时探测到偏差，并通过 Run-to-Run 的实时方式做调整，不断搜集机台当前运行的参数，当参数偏离原值、并可能超出设定的区间范围时，可以通过实时调整的方式直接修改参数，并不断的反馈、调整以确保生产的正常运营。

　　控制机台的生产模式，是自动生产还是手动操作。因为有些情况，机台需要手动操作，比如在上线测试的时候。

　　焦海霞. 计算机集成制造系统 (CIMS) 中设备自动化 (EAP) 设计与开发[J]. 西安电子科技大学, 2004.

　　汤轶婧. 半导体制造控制领域中 EAP 的系统设计和实现[D]. 上海交通大学, 2008.