程功勛，劉麗蘭，俞 濤

CHENG Gong-xun, LIU Li-lan, YU Tao

（ 上海大學(xué) 上海市機(jī)械自動(dòng)化及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072）

單晶硅片制造工藝管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and implementation of the manufacturing processing management system of monocrystalline silicon piece

程功勛，劉麗蘭，俞 濤

CHENG Gong-xun, LIU Li-lan, YU Tao

（ 上海大學(xué) 上海市機(jī)械自動(dòng)化及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072）

通過(guò)對(duì)單晶硅片制造業(yè)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)中小型規(guī)模的單晶硅片制造業(yè)在生產(chǎn)工藝管理上還是手工管理為主，工作任務(wù)繁重、效率低下，工藝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性不高，制造與管理成本居高不下，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的培植。因此，分析了單晶硅片制造的工藝流程，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于MVC模式的單晶硅片生產(chǎn)工藝管理系統(tǒng)，系統(tǒng)在上海某電子材料公司進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，性能良好，能夠有效改善生產(chǎn)工藝流程的管理。

單晶硅片；制造工藝管理系統(tǒng)；MVC模式

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)能源的需求量也不斷的提高，各種不可再生能源的剩余量都告急。因此，可再生能源就成了研究的對(duì)象，全球把太陽(yáng)能作為可再生資源研究的對(duì)象首選。全球的能源研究機(jī)構(gòu)都在不斷的探索太陽(yáng)能的收集方式，研究各種制造大功率太陽(yáng)能電池的方法，到現(xiàn)在已經(jīng)研究出并被應(yīng)用的方式有很多，在制造高質(zhì)量大功率的太陽(yáng)能電池時(shí)，單晶硅片是其重要的原材料，單晶硅片的質(zhì)量直接影響太陽(yáng)能電池的效率。所以，為了保證和提升單晶硅片的質(zhì)量，除了確保原材料的質(zhì)量外，單晶硅片制造工藝的科學(xué)合理性就更加重要。

由于全球金融危機(jī)的影響，歐盟對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)品的補(bǔ)貼取消了。因此全球的太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)業(yè)都受到了嚴(yán)重的影響，尤其是我們國(guó)家。權(quán)威部門(mén)調(diào)查顯示，我國(guó)太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重過(guò)剩，作為太陽(yáng)能電池原材料的單晶硅片產(chǎn)業(yè)也受到了重創(chuàng)。因此，各個(gè)單晶硅片的生產(chǎn)企業(yè)都在探索在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)如何降低單晶硅片的成本，使其在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中具有優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)我們對(duì)長(zhǎng)三角區(qū)域的單晶硅片制造企業(yè)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前單晶硅片的生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模以中小型為主，企業(yè)的管理主要還是手工管理。由于受金融危機(jī)的影響，有部分企業(yè)開(kāi)始探索新的管理方式來(lái)提升企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。由于信息化管理在其它行業(yè)成功的表現(xiàn)，企業(yè)在探索新的管理方式時(shí)，首選的是對(duì)企業(yè)管理進(jìn)行信息化建設(shè)。然而，部分企業(yè)在進(jìn)行信息化建設(shè)時(shí)卻忽略了對(duì)單晶硅片的生產(chǎn)工藝管理的信息化建設(shè)。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，單晶硅片的生產(chǎn)工藝過(guò)程中具有大量的數(shù)據(jù)需要處理，手工管理嚴(yán)重影響了工作效率，數(shù)據(jù)的質(zhì)量也缺乏保證，工藝數(shù)據(jù)的質(zhì)量無(wú)保證將會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，每個(gè)批次的產(chǎn)品合格率都有較大的浮動(dòng)，嚴(yán)重阻礙了制造工藝過(guò)程的優(yōu)化，最終將直接導(dǎo)致產(chǎn)品成本的上升。因此，為了提高工作效率、規(guī)范制造工藝過(guò)程以及為優(yōu)化工藝奠定基礎(chǔ)，本文通過(guò)研究硅片的制造工藝，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適合行業(yè)特點(diǎn)的個(gè)性化工藝管理系統(tǒng)。

1 單晶硅片制造工藝分析

根據(jù)對(duì)長(zhǎng)三角區(qū)域單晶硅片制造企業(yè)的調(diào)研，總結(jié)和分析了硅片的制造工藝流程，同行業(yè)的龍頭企業(yè)工程師研究當(dāng)前最優(yōu)的制造工藝流程，如圖1所示。

圖1 單晶硅片生產(chǎn)工藝流程圖

整個(gè)工藝過(guò)程是制造部門(mén)從倉(cāng)庫(kù)獲取原材料開(kāi)始，在原材料進(jìn)入車(chē)間前，核心原材料多晶硅在入庫(kù)前是經(jīng)過(guò)工作人員檢測(cè)過(guò)的，檢測(cè)好的原材料都詳細(xì)記錄了相關(guān)的化學(xué)特性，在車(chē)間領(lǐng)取前都有標(biāo)示。車(chē)間工作人員進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)取材料，庫(kù)房工作人員把多晶硅按煉晶爐的容量標(biāo)準(zhǔn)分別裝入容器中，煉晶爐工作人員把其放入煉晶爐，在煉晶過(guò)程中，工作人員要不斷的測(cè)試和記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，從煉晶爐出來(lái)的物料有鍋底料和晶錠兩種，鍋底料經(jīng)過(guò)酸洗處理后回收至原材料倉(cāng)庫(kù)，倉(cāng)庫(kù)管理員需要對(duì)清潔后的鍋底料各種性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)再利用。

晶錠作為半成品，質(zhì)檢科對(duì)晶錠進(jìn)行檢測(cè)并詳細(xì)記錄晶錠的相關(guān)參數(shù)，合格的進(jìn)入下一個(gè)工藝流程：開(kāi)段、筑方和滾磨，開(kāi)段、筑方和滾磨的加工工藝都是根據(jù)客戶(hù)的需求來(lái)進(jìn)行的，不合格的返回原材料倉(cāng)庫(kù)以備進(jìn)一步處理，做原材料再加工利用。晶錠被開(kāi)段、筑方和滾磨后出來(lái)的半成品是單晶硅方棒，質(zhì)檢科對(duì)方棒進(jìn)行檢測(cè)并記錄相關(guān)參數(shù)。合格的方棒半成品進(jìn)入線(xiàn)切割工藝，切割出來(lái)的物料為單晶硅片，切割是至關(guān)重要的工藝，硅片的厚度、表面平整度都會(huì)影響能量轉(zhuǎn)化效率，切割工藝的數(shù)據(jù)室非常重要的。最后，切割出的單晶硅片被質(zhì)檢科檢驗(yàn)合格后方為成品，對(duì)不合格的產(chǎn)品進(jìn)行清潔，達(dá)到原材料性能標(biāo)準(zhǔn)的可以再利用。

整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中，任何一道工藝出現(xiàn)的廢品，都可以經(jīng)過(guò)清潔再加工作為原材料繼續(xù)被利用。

2 系統(tǒng)功能模塊的分析與設(shè)計(jì)

2.1 單晶硅片制造工藝數(shù)據(jù)流建模

在單晶硅片的制造工藝流程中，每次出現(xiàn)半成品，質(zhì)檢科都要進(jìn)行檢測(cè)并記錄半成品詳細(xì)的參數(shù)，然后才能進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)；每個(gè)新工藝的開(kāi)始所用的物料都是來(lái)自倉(cāng)庫(kù)，各個(gè)加工工藝在準(zhǔn)備時(shí)，只要按照工藝卡片說(shuō)明，把加工用的設(shè)備參數(shù)按照工藝卡片說(shuō)明設(shè)置好即可。因此，工藝流程中的各個(gè)工序開(kāi)始接受的僅僅是最后半成品或產(chǎn)品的規(guī)格。但是在各種半成品的加工過(guò)程中都有詳細(xì)的檢測(cè)記錄。所以，對(duì)所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝管理系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠記錄整個(gè)工藝流程的檢測(cè)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)工藝卡片數(shù)據(jù)，在各個(gè)子流程之間系統(tǒng)能夠自動(dòng)傳遞各個(gè)過(guò)程的加工要求及產(chǎn)品或半成品的規(guī)格型號(hào)信息。經(jīng)過(guò)研究，從制造工藝中提煉出十個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體，分別是：直接單晶拉制記錄、晶棒交接單、單晶硅物理測(cè)試參數(shù)匯總、開(kāi)段跟蹤、線(xiàn)筑方上機(jī)記錄、筑方跟蹤單、硅單晶檢驗(yàn)、線(xiàn)切割跟蹤、切割片檢驗(yàn)和硅片質(zhì)量保證。這十個(gè)工藝數(shù)據(jù)實(shí)體的數(shù)據(jù)流模型如圖2所示。

圖2 單晶硅片生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)流圖

2.2 單晶硅片制造工藝管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)單晶硅片生產(chǎn)工藝流程的分析，單晶硅生產(chǎn)工藝管理系統(tǒng)應(yīng)該具有如下功能：系統(tǒng)維護(hù)、工藝信息管理、工藝數(shù)據(jù)查詢(xún)及分析和報(bào)表打印輸出，功能模塊圖如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)功能分析

2.3.1 系統(tǒng)維護(hù)模塊

圖3 單晶硅片生產(chǎn)工藝管理系統(tǒng)的功能模塊圖

系統(tǒng)維護(hù)模塊具有用戶(hù)權(quán)限管理功能，允許為用戶(hù)分配角色(賬戶(hù))，不同角色的用戶(hù)具有不同的職能和權(quán)限。系統(tǒng)通過(guò)登錄界面來(lái)限定用戶(hù)的權(quán)限級(jí)別，并限制其訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的范圍。

同時(shí)，管理員還具有對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的輔助數(shù)據(jù)管理能力，分別是：部門(mén)管理和工藝資源基本信息管理。這些數(shù)據(jù)都是系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性是系統(tǒng)有效運(yùn)行的保證。因此，該功能模塊必須對(duì)這些數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行全面的檢查。

2.3.2 工藝信息管理模塊

為了完整科學(xué)的對(duì)單晶硅片生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，該模塊下面具有五個(gè)子功能，每個(gè)子功能都具有插入、修改和刪除的功能。

1）物料檢測(cè)。整個(gè)工藝流程中，只要出現(xiàn)新的物料，就必須檢測(cè)。因此，物料檢測(cè)模塊必須記錄所有檢測(cè)數(shù)據(jù)，以備統(tǒng)計(jì)分析用，對(duì)這些數(shù)據(jù)的保存有利于分析工藝流程過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

2）單晶拉制。單晶拉制需要記錄每次在拉制過(guò)程中全部的數(shù)據(jù)，包括手工現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)測(cè)試的和機(jī)器自動(dòng)控制系統(tǒng)顯示的。對(duì)這些進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能夠有利于分析針對(duì)不同的材料對(duì)拉直過(guò)程的工藝參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置。

3）開(kāi)方滾圓。這個(gè)工藝流程是，從倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)取晶錠加工成方棒。晶錠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和需要加工成的方棒的數(shù)據(jù)都是從倉(cāng)庫(kù)或其他部門(mén)紙質(zhì)傳遞到加工部門(mén)的，通過(guò)該系統(tǒng)功能模塊可以進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)的傳遞，使加工現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)的簡(jiǎn)單明了的獲取需要的工藝加工參數(shù)。

4）晶片加工。晶片加工工藝過(guò)程是利用切割機(jī)對(duì)方棒進(jìn)行切割，方棒和晶片的規(guī)格過(guò)去都是通過(guò)紙質(zhì)傳遞的，限制了現(xiàn)場(chǎng)工作效率的提高，通過(guò)該系統(tǒng)功能模塊必須對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理。

5）晶片檢測(cè)。晶片檢測(cè)是工藝流程中最后一道工序，合格的晶片即為成品。晶片檢測(cè)的數(shù)據(jù)非常重要，詳細(xì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)是找出質(zhì)量不合格產(chǎn)品原因的依據(jù)。因此非常有必要對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)管理。

2.3.3 工藝數(shù)據(jù)查詢(xún)及分析

工藝數(shù)據(jù)查詢(xún)及分析是單晶硅片生產(chǎn)工藝管理系統(tǒng)為用戶(hù)的服務(wù)，它能夠查詢(xún)系統(tǒng)的各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工藝中工序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)工藝進(jìn)行分析。因此，該模塊具有以下三個(gè)子功能：

1）各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢(xún)。生產(chǎn)管理的各個(gè)部門(mén)能夠及時(shí)的獲取各類(lèi)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且還可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在的問(wèn)題，這些數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。

2）工藝數(shù)據(jù)查詢(xún)。工藝數(shù)據(jù)查詢(xún)分為歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取，系統(tǒng)可以把歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析存在的異同，對(duì)非正?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)的提醒工作人員，對(duì)存在的問(wèn)題及時(shí)的修正，對(duì)降低次品率有極大的幫助。

3）工藝數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)可以把各個(gè)批次的加工工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，利用數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則算法對(duì)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為分析相同的原材料、相同的工藝參數(shù)，結(jié)果產(chǎn)品的合格率卻不一樣存在的原因提供建議。工藝數(shù)據(jù)的分析，有利于公司的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和培植核心技術(shù)。

2.3.4 打印輸出模塊

打印輸出模塊經(jīng)過(guò)對(duì)工藝文件進(jìn)行審核匯總之后，按照指定格式輸出各種報(bào)表與工藝卡片等文件以供使用。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖4 用戶(hù)操作界面實(shí)例

本系統(tǒng)采用JAVA語(yǔ)言進(jìn)行服務(wù)器端應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，使用Tomcat作為應(yīng)用服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)選用SQL Server 2000。整個(gè)系統(tǒng)采用基于MVC模式的Struts框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有良好的安全性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。用戶(hù)操作界面如圖4所示

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)完全結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的，并在上海某電子材料公司進(jìn)行了測(cè)試運(yùn)行，測(cè)試結(jié)果顯示，性能良好。能夠有效提供工作人員的工作效率，工藝數(shù)據(jù)的獲取變得尤其方便、準(zhǔn)確、有效，尤其是降低了工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)紙質(zhì)文檔的管理，為降低管理成本，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力提供保證。但系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析功能還需進(jìn)一步的完善。

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TP39

A

1009-0134(2010)10(上)-0082-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).26

2010-03-11

上海市科委資助項(xiàng)目（08DZ1123400）

程功勛（1983 -），男，江西九江人，博士研究生，研究方向?yàn)橹圃炀W(wǎng)格、制造/裝備工藝、產(chǎn)品生命周期/數(shù)據(jù)管理。