半導體晶圓制造中的設備效率和設備能力

1 設備效率

　　半導體工業極大依賴于半導體制造設備的投資，而且是同步增長的。隨著設備的硅片尺寸大直徑化、設備的高精度化、自動化，設備價格日益昂貴化，工藝線的設備總投資更是成倍地增長。對工藝線來說，在設備投資加大的同時，設備折舊的負擔也加大，設備折舊與維修占硅片加工總成本的最大比重[1]，設備效率和設備能力能否達到其最大利用率是決定硅片成本的重要因素之一，因此設備效率和設備能力已成為半導體制造者非常關心的問題。

　　國際半導體設備與材料組織（SEMI）于1999年提出了一種能準確計算設備效率的方法——全面設備效率（OEE）。

　　1.1 OEE簡介

　　OEE考慮了設備所有的運行情況，完全依據設備的狀態時間計算[2]（見圖1），計算方便準確，并且更加適合柔性生產設備，彌補了SEMI以往計算效率方法的不足。

　　SEMI將全面設備效率定義為可用效率（AE或稱Up Efficiency）、生產效率(OE )、速率效率(RE)和質量效率(QE )之積，具體OEE模型如下所示[3]
　　OEE=AE ×OE ×RE×QE
　　其中，AE：％設備完好且能進行工藝的時間占總時間的比例；OE：％設備進行工藝的時間占可用時間的比例；RE：％設備加工的理論生產時間占生產時間的比例；QE：％有效加工的理論生產時間(無廢片、無回流)占總理論生產時間的比例或％工藝完成后的硅片數占總硅片數的比例。

　　1.2 OEE的計算

　　雖然SEMI組織已經給了OEE的計算方法，但是半導體公司根據其自身的特點給出了簡單的OEE計算方法，下面將介紹兩種常用的計算方法，以單臺設備一天為例
　
　　（1） OEE＝理論生產時間÷總時間
　　其中，理論生產時間＝（當天工藝i加工的硅片數×工藝i每片理論加工時間，n為當天的工藝總數）；總時間＝24h。

　　（2）OEE＝實際出產的硅片數÷理論出產的硅片數。
　　表1是國內某半導體制造有限公司運用第一種方法的OEE實例。
　　
　　1.3 OEE的提高

　　OEE是設備管理中一種非常好的衡量方法，通過OEE模型的各子項分析，可以很容易地找出影響設備效率的原因（表2），然后有針對性地解決問題，達到提高設備效率的目的。

　　2 設備能力

　　設備能力對于企業生產計劃是非常重要的。面對市場需求的不斷變化，為了生產計劃能快速響應新的產品組合，最好的方法就是要充分了解設備能力，避免過載而造成的損失。設備能力可用生產時間、或是生產產品數量來衡量，本文介紹用時間作單位的設備能力，即是指計劃期內機器能夠運轉的時間，包括有效的加工時間和設備能力效率兩個參數。

　　2.1 有效加工時間

　　硅片生產分為單片、單批、多批等不同工藝，因此不同工藝的有效加工時間都歸一化為單片的有效加工時間。某機臺某個工藝步驟的有效加工時間除了包括理論加工時間外，還應考慮機器理論裝卸時間、啟動和轉換時間、以及回流率等，即
EPT=(TPU+TAL+TSP)×(1＋AR)

　　2.2 設備能力效率

　　設備能力效率計算中值得注意的是空閑時間的選取。由于產品組合的原因，車間會出現瓶頸設備，會限制其它設備的生產能力。因此，要區分設備空閑時間是自身原因還是瓶頸設備造成的。因為由于瓶頸造成的空閑時間仍可被當作可以獲得的產能，而瓶頸設備的最小空閑時間才是不可獲得的產能。最小空閑時間還取決于工廠追求的生產周期，如果工廠追求100％的設備利用率，則空閑時間較短，若是90％則相對較長。除此之外，最小空閑時間還取決于調度策略、操作者的班次及加工可靠性等。假設最小空閑時間已確定，則單臺設備的設備能力效率（CEE）計算公式如下[4]：
　　CEE=(1－DT－MIT) ×CRE
　　CRE=

　　其中，DT為宕機的時間比例；MIT為最小空閑時間比例；CRE為設備比率效率；WS為該工藝加工的硅片數；EPT為該工藝每片有效加工時間；TP為總時間；n為該臺設備的工藝總數。

　　2.3 設備能力計算

　　通過上述能力分析，可以很容易地計算出具有相同功能設備的設備組的生產能力。令Q為可服務的有相同功能設備的數量，W為計劃期內該設備組能夠工作的時間。生產計劃是對未來的預測，因此在計算時，應對實際值進行標準化。假設每臺設備CEE的組成部分都已計算出來，并已獲得其標準值；通過這些標準值，可以得出該設備類型標準的CEE（std_CEE），即：
　　std_CEE＝(1－std_DT－std_MIT)×std_CRE
　　由于設備組里空閑時間的分配是任意的，因此用標準效率比用單臺設備的效率更加合理。所以該設備組在計劃期內的設備能力（CAPY）為
　　CAPY=std_CEE×Q×W

　　3 OEE與能力分析

　　除了可調度空閑時間帶來的損失和包含在EPT中的損失外，CEE與OEE是類似的。對于非瓶頸設備的空閑時間損失，CEE小于OEE，但對于瓶頸設備，CEE大致與OEE相同。由于CEE與OEE存在相似性，使得有許多半導體企業在做設備能力估算時，會用OEE代替CEE， 但事實上并不準確。OEE是對過去設備運行情況的衡量，是觀察期內的真實值，而生產計劃需要對未來效率的預測，是基于真實值的移動平均數得到的。因此，生產計劃模型中能力約束有關參數的選取應值得注意，能力約束式子如下

　　其中，xit為t時期內產品i的計劃投片數。

　　對于aji、cjt兩個參數須選用能過反映設備能力情況的，如果OEE與產品組合無關，這兩個參數則分別對應通過OEE得出的能力和理論加工時間，但事實并非如此，如空閑時間損失、產品間的轉換生產時間、設備未能滿載所引起的損失都與產品組合有關，OEE的值會隨產品組合的不同而變化。因此生產計劃模型中能力約束參數aji選取計劃期內的設備能力，約束參數cjt選取有效加工時間。

　　4 數據收集

　　4.1 相關數據

　　要確保設備效率和設備能力的準確性，必須先保證所需相關數據的準確性，相關數據如下：

　　（1）設備狀態情況，包括設備的宕機時間、生產時間、空閑時間；
　　（2）在制品（WIP）情況，記錄某個工藝加工前和后總lot數和每個lot中的硅片數；
　　（3）lot的移動過程，記錄每個lot的加工路徑、經過的設備、工藝菜單以及實際加工時間，通過這些還可以計算出不同的批量的設備啟動時間。
　　（4）工藝標準，記錄每個工藝的理論加工時間以及每個工藝單片理論加工時間；
　　（5）操作情況，記錄輸入加工菜單時間、轉換加工菜單時間等。

　　4.2 數據收集方法

　　半導體企業一般具有較高的自動化程度，擁有計算機輔助制造系統，如生產執行系統，該系統能對生產情況進行跟蹤記錄，并形成數據庫，諸如設備跟蹤數據庫、在制品跟蹤數據庫等等，然后根據實際需要，對生產數據庫進行分析，歸納整理出不同的數據報表，并及時更新。值得提出的是，理論加工時間和有效加工時間在衡量設備效率和設備能力中占有十分重要的地位，而目前許多半導體計算機輔助系統中缺乏這兩方面的數據，因此迫切需要建立一個存儲每個工藝的理論加工時間和有效加工時間的數據庫。