行政院國科會專題研究成果報告
晶圓廠機台控制界面程式模組化構建之研究
The Construction of Modularized Machine Interface and Emulator for a Wafer Fab 計畫編號：NSC 89-2212-E-009-028 執行期限：1999 年 8 月 1 日至 2000 年 7 月 31 日 主持人：彭德保 教授 國立交通大學工業工程與管理學系 計畫參與人員：王佩琳、李齊偉 研究生 國立交通大學工業工程與管理系 一.中文摘要 半導體產業在變遷迅速與競爭激烈 的前提下，如何將製造控制環境最佳化是 相當重要的目標，而主要的關鍵在於機台 的利用與管理；目前國內晶圓廠在機台控 制技術方面已有相當成熟的發展，但對於 其機台控制界面程式的建構方面，仍需花 費相當的人力與時間。在另一方面，由於 晶圓廠設備技術的提升以及複雜度的提 高，對於機台控制而言，更需要彈性化的 發展與結構化的構建，才能適時準確地控 制機台的一切加工動作，可是目前國內對 於彈性化與結構化之機台控制界面程式 建構方面的研究，仍然不足。 因此本研究針對晶圓廠機台高度自 動化、功能複雜多變化以及精確性製程控 制的特性，發展出一套彈性化、結構化的 機台控制界面程式建構流程。本建構流程 的機制，是利用軟體工程模組化與結構化 的方法分析，將機台自動化控制流程予以 分割為各個專司處理不同功能的模組，依 此功能模組架構再來完成機台控制界面 程式的建構與程式的撰寫，另一方面，可 以依此架構來建構各類型模組的程式資 料庫，提供給欲構建類似控制流程的機台 控制界面程式之用，如此不但可增加機台 控制界面程式的撰寫彈性、縮短其實際構 建的時間，更可增加程式可讀性與簡化程 式更新、維護的步驟。對機台控制方面而 言，更能依現場實際控制的需求，較簡便 地進行適當、精確的調整與變更。對現場 操作人員、設備維護工程師以及自動化部 門的工程師均可帶來莫大的便利。 關鍵字：機台控制界面程式、模組化與結 構化設計 Abstract
Under the fast growth and highly competitiveness situation of semiconductor industry, how to optimize the manufacturing environment is a very important issue. One of the key issues is about the utilization and management of the manufacturing equipment. Currently, there is sound technique in the automatic control of the equipment. But, it is still in its infancy in the area of automatic construction of the machine interface. Much effort and long time have to be spent in constructing a linkage when a new manufacturing equipment is to be added. Due to the progress of semiconductor manufacturing technique and equipment, a structured machine interface construction approach has also to facilitate the production line maintenance. Only very few research result can be found in the present.
This project is to develop a set of reconfigurable and structured function modules in constructing the interface between semiconductor manufacturing equipment. The construction mechanism uses the modularized and structured methodology and based on the domain knowledge of semiconductor automatic manufacturing. We divide the equipment automatic control flow into separate modules by different manufacturing functions. On the other hand, a set of motion pictures and graphics are used to demonstrate the operations and the message streams of the implemented interfaces between equipments. The proposed architecture can provide a set of modularized function libraries for those
who want to construct similar interfaces between the automatic manufacturing equipments. Thus, the effort and time spent will be greatly reduced. Under such circumstances, the shop floor staffs, including operators, equipment maintenance engineers and automatic engineers, can easily use, understand and construct the automatic environment of a wafer fab. Keywor d : machine interface,
reconfigurable and structured function 二. 緣由與目的 以往的半導體工廠是屬於主機集中式 的系統管理架構，生產作業則是以操作員 為中心。但是因為產品的多樣化與產量的 增加，使得必要的管理資訊量 (製程、批 量、裝置) 亦急速增加，所以對於人員的 管理已達其界限了。同時為求潔淨度的提 昇與晶圓大口徑化，假設仍由人員介入處 理將會難於達成。再加上作業環境的要求 嚴酷，漸漸地將難於確保人才。針對這些 問題，可行的對策將是考慮提升自動化的 程度，亦即是：(1) 裝置自動化／搬運自 動化／資訊自動化之提升; (2) 資料庫系 統功能之增強與分散式管理; (3) 控制系 統的即時性。 近年來，各產業之生產工廠紛紛朝向 自動化發展，希望能藉由遠端主機與生產 機台直接的通訊，將控制命令直接由主機 下達給機台，進行自動化生產[鍾聖倫, 1995]。但一般工廠在自動化的過程中，面 臨一個重要的關鍵問題是，如何整合分散 在工廠各個角落的機台。解決的方法之一 是，定義一套完整、嚴謹、有彈性的通訊 協定[鍾聖倫,1995]。在半導體工廠中所使 用的通訊協定是由 SEMI (Semiconductor Equipment and Materials
International)[Book of SEMI Standards, 1997] 所定義的 SECS 標準，此 SECS 主 要是有關半導體製造裝置與主機電腦之 間訊息交換的通訊界面。 機台控制界面程式在工廠電腦整合 自動化實行中，是扮演著與機台直接溝通 的角色，也是關係著機台是否能依現場生 產需求而正常加工的重要關鍵部份，所以 就工廠全面自動化而言，機台控制界面程 式的構建與準確的控制，就顯得格外重 要。 就機台控制界面程式撰寫過程之複 雜與缺乏彈性而言，國內相當多系統依然 有這方面的問題，所以本研究的目的，想 透過學術上與實務上的探討來達到： 1. 增加機台控制界面程式的可讀性； 2. 增加機台控制界面程式對各類型機 台撰寫過程的彈性化； 3. 增加機台控制界面程式對現場控制 流程變更時的應變能力； 4. 減少機台控制界面程式開發所需的 時間； 5. 減少機台控制界面程式做更新、維修 時，所花費的時間； 並要求所建構的自動化機台控制界面 程式需達到下列功能： 1. 監控機台運作狀態； 2. 自動記錄機台工作日誌(log file)； 3. 自動收集機台量測資料； 4. 連線自動過帳與生產配方的下達; 5. 機台異常狀況的自動告知。 三.結果與討論 半導體工廠的投資重心，主要在於生 產設備上，動輒數百億台幣，如何有效的 發揮設備生產力，是每個公司獲利的關 鍵，所以本研究提出的機台控制界面程式 模組化構建，主要的貢獻可分別由以下四 點描述之： (1) 透過模組化構建的程式設計理念，使 機台控制界面程式在開發過程中，擁 有以下數點特性：平行獨立式開發、 構建彈性化、構建流程簡單化、程式 碼重覆使用性高、程式適應性高、程 式結構化。 (2) 透過模組化構建的程式設計理念，縮
短機台控制界面程式開發時所花費 的時間與步驟。 (3) 機台控制界面程式是由各類專司不 同功能之模組元件架構而成，無形中 增加了程式可除錯的能力，由以往的” 大海撈針”方式轉變成”對症下藥”的 模式，相對地也縮短了程式做編修及 除錯所花費的時間與成本。 除錯追蹤方式： 大海撈針： 事件 à 原始程式碼 (由 前至後循序追蹤) 對症下藥： 事件 à 模組元件 à 控 制處理程序(原始程式碼) (4) 由 於 機 台 控 制 界 面 程 式 的 核 心 部 份，是由不同類型的功能模組元件所 架構而成，所以欲新增額外的控制功 能時，對控制界面程式在構建過程 中，並不會造成過多的困擾與障礙； 架構於此發展的環境條件下，本研究 所構建之機台控制界面程式可提供 以下數項功能： ∅ 連線自動過帳與生產配方的下達； ∅ 異常狀態的處理(例如：警訊自動告 知或暫時停止機台運作)； ∅ 製 程 環 境 的 檢 查 ( 例 如 溫 度 或 壓 力)； ∅ 機台維修時間的自動告知或機台加 工負荷時數的限制； ∅ 自動收集機台量測資料與自動記 錄機台工作日誌； 增加控制界面程式的功能，一方面能 夠 降 低 上 層 控 制 系 統 的 處 理 負 荷 量，另一方面因應現場的狀態，能夠 做出即時性的控制與處理，避免造成 更多的錯誤與損失，相對地便能提昇 機台穩定性及製程穩定度，進而提升 晶圓製造的總體效益。 (5) 本研究所構建之控制界面程式，在訊 息溝通界面上，同時支援 RS-232 與 TCP/IP 的通訊標準。如此，較以往控 制界面程式的不同之處，在於已完成 與上層 MES 系統直接連線通訊，縮 短了訊息資料傳送的時間；在未來的 MES 系統構建理念上，也朝向模組化 的構建方式，並且其功能也愈漸強 大，所以對機台控制界面程式而言， 可能將會成為上層 MES 系統與下層 機 台 間 重 要 的 溝 通 橋 樑 [ 林 浚 民,1999]； (1) 本研究所搜集的資料仍相當有限，所 構建之模組元件，其適用範圍僅局限 在某幾類機台(蝕刻、量測、CVD、 DVD)；對於特殊功能的機台而言， 需另建模組元件控制。因此，若欲構 建較完整的虛擬晶圓廠，可將擴增模 組元件種類，列為未來研究發展之重 點。 (2) 對於本研究所提出之半導體廠生產 運作自動化控制的系統架構，僅完成 最基層的機台溝通界面部份，對於上 層之各項模組系統，可架構在此環境 下，繼續加以開發完成，對虛擬晶圓 廠自動化控制方面，將會有莫大的幫 助。 (3) 對於機台控制界面程式在構建技巧 上，未使用 OOD 及 OOP 的物件導向 設計理念，故缺乏封裝性及繼承性， 所以亦可為未來發展的方向。 四.計畫成果自評 本計畫經一年來的努力，所得到的結 果，與當初所預期的目標甚為相符，未 來，可真正將此成果運用在晶圓代工廠 上，幫助各製造機台的連線，做到更有效 率的自動化生產技術。除此之外，各廠想 要持續提升生產力跟良率，更新新技術、 製程、並訓練新進人員如：製程工程師， 線上作業員等，都需要適當的操作訓練環 境，然而，製造機台昂貴，將成為各廠的 主要障礙，本計畫成果，將可輕易的解決 此問題。本計畫考量實際的生產環境和資 訊，利用虛擬機台替代實際機台，並將操 作時有關的實際資訊一併呈現出來，受訓 者不需到實際的生產環境，透過電腦網路 便可得到相同的訓練成效，這對於提升競 爭力將是一大貢獻。 在此，我們願意將這些成果的相關技 術提供給產業界和學術界，希望相關單
位，能將此成果公開於有關學術期刊，供 所需者參考。
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