半导体晶圆制造中的设备效率和设备能力

1 设备效率

　　半导体工业极大依赖于半导体制造设备的投资，而且是同步增长的。随着设备的硅片尺寸大直径化、设备的高精度化、自动化，设备价格日益昂贵化，工艺线的设备总投资更是成倍地增长。对工艺线来说，在设备投资加大的同时，设备折旧的负担也加大，设备折旧与维修占硅片加工总成本的最大比重[1]，设备效率和设备能力能否达到其最大利用率是决定硅片成本的重要因素之一，因此设备效率和设备能力已成为半导体制造者非常关心的问题。

　　国际半导体设备与材料组织（SEMI）于1999年提出了一种能准确计算设备效率的方法——全面设备效率（OEE）。

　　1.1 OEE简介

　　OEE考虑了设备所有的运行情况，完全依据设备的状态时间计算[2]（见图1），计算方便准确，并且更加适合柔性生产设备，弥补了SEMI以往计算效率方法的不足。

　　SEMI将全面设备效率定义为可用效率（AE或称Up Efficiency）、生产效率(OE )、速率效率(RE)和质量效率(QE )之积，具体OEE模型如下所示[3]
　　OEE=AE ×OE ×RE×QE
　　其中，AE：％设备完好且能进行工艺的时间占总时间的比例；OE：％设备进行工艺的时间占可用时间的比例；RE：％设备加工的理论生产时间占生产时间的比例；QE：％有效加工的理论生产时间(无废片、无回流)占总理论生产时间的比例或％工艺完成后的硅片数占总硅片数的比例。

　　1.2 OEE的计算

　　虽然SEMI组织已经给了OEE的计算方法，但是半导体公司根据其自身的特点给出了简单的OEE计算方法，下面将介绍两种常用的计算方法，以单台设备一天为例
　
　　（1） OEE＝理论生产时间÷总时间
　　其中，理论生产时间＝（当天工艺i加工的硅片数×工艺i每片理论加工时间，n为当天的工艺总数）；总时间＝24h。

　　（2）OEE＝实际出产的硅片数÷理论出产的硅片数。
　　表1是国内某半导体制造有限公司运用第一种方法的OEE实例。
　　
　　1.3 OEE的提高

　　OEE是设备管理中一种非常好的衡量方法，通过OEE模型的各子项分析，可以很容易地找出影响设备效率的原因（表2），然后有针对性地解决问题，达到提高设备效率的目的。

　　2 设备能力

　　设备能力对于企业生产计划是非常重要的。面对市场需求的不断变化，为了生产计划能快速响应新的产品组合，最好的方法就是要充分了解设备能力，避免过载而造成的损失。设备能力可用生产时间、或是生产产品数量来衡量，本文介绍用时间作单位的设备能力，即是指计划期内机器能够运转的时间，包括有效的加工时间和设备能力效率两个参数。

　　2.1 有效加工时间

　　硅片生产分为单片、单批、多批等不同工艺，因此不同工艺的有效加工时间都归一化为单片的有效加工时间。某机台某个工艺步骤的有效加工时间除了包括理论加工时间外，还应考虑机器理论装卸时间、启动和转换时间、以及回流率等，即
EPT=(TPU+TAL+TSP)×(1＋AR)

　　2.2 设备能力效率

　　设备能力效率计算中值得注意的是空闲时间的选取。由于产品组合的原因，车间会出现瓶颈设备，会限制其它设备的生产能力。因此，要区分设备空闲时间是自身原因还是瓶颈设备造成的。因为由于瓶颈造成的空闲时间仍可被当作可以获得的产能，而瓶颈设备的最小空闲时间才是不可获得的产能。最小空闲时间还取决于工厂追求的生产周期，如果工厂追求100％的设备利用率，则空闲时间较短，若是90％则相对较长。除此之外，最小空闲时间还取决于调度策略、操作者的班次及加工可靠性等。假设最小空闲时间已确定，则单台设备的设备能力效率（CEE）计算公式如下[4]：
　　CEE=(1－DT－MIT) ×CRE
　　CRE=

　　其中，DT为宕机的时间比例；MIT为最小空闲时间比例；CRE为设备比率效率；WS为该工艺加工的硅片数；EPT为该工艺每片有效加工时间；TP为总时间；n为该台设备的工艺总数。

　　2.3 设备能力计算

　　通过上述能力分析，可以很容易地计算出具有相同功能设备的设备组的生产能力。令Q为可服务的有相同功能设备的数量，W为计划期内该设备组能够工作的时间。生产计划是对未来的预测，因此在计算时，应对实际值进行标准化。假设每台设备CEE的组成部分都已计算出来，并已获得其标准值；通过这些标准值，可以得出该设备类型标准的CEE（std_CEE），即：
　　std_CEE＝(1－std_DT－std_MIT)×std_CRE
　　由于设备组里空闲时间的分配是任意的，因此用标准效率比用单台设备的效率更加合理。所以该设备组在计划期内的设备能力（CAPY）为
　　CAPY=std_CEE×Q×W

　　3 OEE与能力分析

　　除了可调度空闲时间带来的损失和包含在EPT中的损失外，CEE与OEE是类似的。对于非瓶颈设备的空闲时间损失，CEE小于OEE，但对于瓶颈设备，CEE大致与OEE相同。由于CEE与OEE存在相似性，使得有许多半导体企业在做设备能力估算时，会用OEE代替CEE， 但事实上并不准确。OEE是对过去设备运行情况的衡量，是观察期内的真实值，而生产计划需要对未来效率的预测，是基于真实值的移动平均数得到的。因此，生产计划模型中能力约束有关参数的选取应值得注意，能力约束式子如下

　　其中，xit为t时期内产品i的计划投片数。

　　对于aji、cjt两个参数须选用能过反映设备能力情况的，如果OEE与产品组合无关，这两个参数则分别对应通过OEE得出的能力和理论加工时间，但事实并非如此，如空闲时间损失、产品间的转换生产时间、设备未能满载所引起的损失都与产品组合有关，OEE的值会随产品组合的不同而变化。因此生产计划模型中能力约束参数aji选取计划期内的设备能力，约束参数cjt选取有效加工时间。

　　4 数据收集

　　4.1 相关数据

　　要确保设备效率和设备能力的准确性，必须先保证所需相关数据的准确性，相关数据如下：

　　（1）设备状态情况，包括设备的宕机时间、生产时间、空闲时间；
　　（2）在制品（WIP）情况，记录某个工艺加工前和后总lot数和每个lot中的硅片数；
　　（3）lot的移动过程，记录每个lot的加工路径、经过的设备、工艺菜单以及实际加工时间，通过这些还可以计算出不同的批量的设备启动时间。
　　（4）工艺标准，记录每个工艺的理论加工时间以及每个工艺单片理论加工时间；
　　（5）操作情况，记录输入加工菜单时间、转换加工菜单时间等。

　　4.2 数据收集方法

　　半导体企业一般具有较高的自动化程度，拥有计算机辅助制造系统，如生产执行系统，该系统能对生产情况进行跟踪记录，并形成数据库，诸如设备跟踪数据库、在制品跟踪数据库等等，然后根据实际需要，对生产数据库进行分析，归纳整理出不同的数据报表，并及时更新。值得提出的是，理论加工时间和有效加工时间在衡量设备效率和设备能力中占有十分重要的地位，而目前许多半导体计算机辅助系统中缺乏这两方面的数据，因此迫切需要建立一个存储每个工艺的理论加工时间和有效加工时间的数据库。