国际器件与系统路线图对半导体工厂集成标准化的启示

国际器件与系统路线图对半导体工厂集成标准化的启示

何旻哲

（广东省标准化研究院）

摘要：2022版国际器件与系统路线图中的工厂集成白皮书对半导体行业未来的工业化发展提供了标准应用建议以及标准化趋势预测，对于我国的半导体标准化活动具有重要的借鉴意义。

关键词：半导体 工厂集成 路线图 标准化

1  概述

国际器件与系统路线图（International Roadmap for Devices and Systems，IRDS），前身为美国半导体工业协会（SIA）联合日本、欧洲、韩国、台湾的半导体工业协会制作的国际半导体技术发展路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS），后于2017年由美国电气与电子工程师协会（IEEE）接手并改名。路线图分为摘要版、详细版以及总体路线图技术特征总表，供高层决策者、企业和科研人员参考，同时在每个版本中不断引入新的章节，以更好反映技术发展新态势和行业发展新动向[1]。路线图旨在从宏观上总结行业发展态势，并对产业链具体环节展开分析，评估和预测全球半导体工业未来15年的技术走向，为企业和学术团队的研发工作提供从战略到技术上的指导。

本文根据2022版国际器件与系统路线图的“工厂集成（Factory Integrate，FI）”章节白皮书，摘录了FI焦点工作组对半导体行业发展的标准应用建议，以及对关联领域标准化趋势的预测。

2困难与挑战

根据国际器件和系统路线图，目前到2025年为止半导体行业需要面临的挑战主要包括工厂和设备在可靠性、产能、产率和生产成本方面的要求。其中仍需解决的问题包括：通过对法律和商业指南的标准化实现价值共享，通过各方合作（例如背景数据共享和行业专家合作）提出提高产能、产率和可靠性的实际方案，并以衍生知识产权的形式使各方受益；制定关于关键零部件供应链可追溯性的标准，从而更好地认识零件的使用寿命、适用性或稳健性；提供标准的最佳实施方案，以便于供应商根据零部件的退化特性，进一步开展故障的跟踪和预测。而在2025年以后，为满足先进工厂的灵活性、延伸性和扩展性需求，还需要对工业基础设施建设的标准化活动的成本与任务进行规划布局。

3标准化趋势

3.1  生产工艺

在450 mm晶圆得到应用之前，工业生产技术要求的其中一个重点在于提升现行工艺的生产力。为了减少30%的生产成本和缩短50%的生产周期，需要减少300 mm晶圆工艺产生的浪费，但由于未适时制定推行与等候时间浪费相关的指标和标准，相关的改进未能得到实施。减小设备差异也是提高生产力的一个途径，未来可以通过标准和规范对相关指标进行量化。

设备输出废弃物（EOW）也是调整生产力优化方向的一个重要指标。为工厂系统集成（FI）引入更全面、可测量的工厂级废弃物指标，有助于明确高度复杂的制造系统整体生产力的优化方向。实现减少废弃物的指标需要新的制造控制模型和算法，同时需要行业合作来满足废弃物可视化和减少量的要求。对废弃物指标的定义和测量方法的标准化可能是有效的方法之一。

3.2  生产设备

生产设备除了工艺和计量相关的设备，还包括嵌入式控制器、前端模块、连接主系统的软件和固件接口以及其他设备接口等。对于300 mm晶圆工艺，大多数工厂和生产设备的接口已实现标准化。但为了实现在非加工期间生产设备的程序和供能自动关闭、在恢复加工时又能快速启动的智能节能模式，需要对主系统和生产设备之间、生产设备和辅助间支持设备之间的通信协议进行标准化。SEMI E167标准规定了主系统和设备之间的通信方法，包括节能模式和正常运行模式的预期时间和周期长度以及两种模式之间的切换。另有SEMI标准工作组正在编制特定生产设备和辅助间支持设备之间的通信标准。

智能制造要求未来的设备具有预测能力，例如，能减少误处理、报废和潜在损坏的设备偏移预测，能提高产能、减少浪费的调度预测，以及能改进过程控制和缩短周期时间的虚拟计量。为此需要制定设备预测方面的新规范和标准。例如，SEMI E171提出了物流预测（PCL）规范，旨在提供一种用于在设备和工厂系统之间交换物流相关信息、特别是预测信息的通信方案，来支持运输方面的无缝连接，以使微电子制造系统或类似系统中的设备能持续运行。

为了更好地实现预测能力，需要提高系统的数据质量。现有系统在设计时通常没有考虑这一点，因此未必有合格的数据质量去支撑经济高效的预测能力。数据质量问题例如准确性、及时性、可用性等，常出现在维护管理系统里依赖人工输入的数据中。应用SEMI E151和E160等数据质量指南和标准可以减少人为造成的错误，在解决流程问题时也可以提高针对性，使数据质量得到优化。

3.3  信息控制系统

提高产量和减少废料在很大程度上需要依靠工厂信息控制系统（FICS）。FICS可以实现先进过程控制系统（APC）、制造执行系统、设备性能跟踪、工厂调度、维护管理、自动物料搬运系统和供应链元素之间的协同集成，从而确保在合适的时间、位置交付正确的材料、批次和晶片，最大限度地提高设备利用率。作为FICS解决方案的一个组成部分，采用APC技术的过程控制系统（PCS），包括批间（R2R）控制、故障检测、故障分类、故障预测和统计过程控制等将得到更普遍的应用。标准SEMI E133规定了PCS解决方案的定义、性能评价和可识别的接口要求。标准SEMI E126适用于辨识特定过程类型的R2R控制能力。高度集成的PCS解决方案可以提高产量和工艺性能，同时减少周期时间、预热检查时间、计划内或计划外的停机时间、废片、废料和返工度。

随着FICS关键组成系统之间的协同集成和数据交换水平提高、批量减小以及流程窗口更加密集，必须由FICS管理的消息和数据负载将会增加。生产设备将产生更多的数据，比如故障检测所需的传感器数据、先进过程控制数据和设备性能数据等。为了适应数据的增长速率并进行数据的收集、存储和检索，FICS需要具备可扩展性，借助分布式数据和应用程序可以缓解工厂的带宽压力，并增强FICS过滤大量数据的能力。为了满足FICS系统的这些需求，需要在数据采集、数据交换和配方管理等方面与行业标准保持一致，包括与垂直领域供应链的标准一致以支持集成供应链的数据交换。特殊设备或生产商定义的专用接口会增加集成电路生产商和FICS供应商的实现时间和成本，因此需要集成电路生产商、设备供应商和FICS供应商的合作来缩短新标准制定的时间。

3.4  智能制造

智能制造所用的分布式网络数据在各个操作步骤中都有可能泄露专利关键信息。虽然集成电路生产商可能希望全部数据都能在自己拥有的所有设备上共享，以便进行流程优化，但是设备供应商也会担心其工艺专利的详细信息有可能通过下游设备泄露给竞争对手。如果供应商只提供集成的端到端智能制造解决方案，而将有风险的专利封装在自己的生态系统中，这样会对行业发展造成不利的影响。因此需要为供应商和生产商之间的授信网络连接制定标准，在需要时能提供必要的数据，同时营造互信的合作环境。可以通过由智能合同管理的自动数据共享协议的，或者是可信任的第三方托管系统，来保护数据的使用，同时也能够享受模块化系统带来的协同优势。在制定工业物联网（IIoT）方案的协同数据共享领域标准时，需要同时考虑数据使用者、数据所有者和供应商在数据共享和收益归属方面的需求。

在制定行业信息共享标准时，还需要考虑供应链网络的需求。集成供应链可以看作是一个由智能节点组成的网络，这些节点根据网络上下游的信息做出生产决策。更紧密的数据链接会带来更高的操作简便性、库存管理能力、操作灵活性、需求响应能力和可追溯性，以解决保修和召回调查等问题。尽管共享的内容可能有些不同，集成供应链与IIoT同样需要建立合理的信任和协作模式。当数据在分布式网络中传输时，如果使用传统的IT结构进行数据控制，对数据元素访问权限的控制能力将会受到限制。因此需要制定并非限定于工业领域的供应链数据集成标准。

4 启示

作为我国半导体材料的标准归口管理单位，全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会建立了较为完善的半导体材料标准体系，已基本满足半导体产业对标准的需求。目前我国已有的半导体材料标准以基础标准、产品标准、检测方法标准为主，管理标准则主要围绕安全生产、节能降耗、资源再生以及绿色制造等方向[2]。为适应半导体行业未来的发展、紧跟行业的新兴需求，需要加强对生产工艺、设备预测性、信息控制系统和数据共享等方面标准化的关注，充分发挥标准的前瞻性和指导性作用，以破解“卡脖子”、补短板、国产替代为主要方向，加速产业链优化升级，抓住智能制造和工业4.0的机遇，在半导体工业领域实现弯道超车。

参考文献

[1]张晓沛, 余和军, 李少帅. 国际器件与系统路线图对我国科技规划的启示[J]. 世界科技研究与发展, 2018, 40(4):6.

[2]杨素心. 半导体材料领域国内标准现状及发展方向分析[J]. 世界有色金属, 2020(14):3.