張鵬，丁晗，沈天翊，胡超

（無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫214135）

基于RFID的數(shù)字化掩模制造

張鵬，丁晗，沈天翊，胡超

（無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫214135）

介紹了中微掩模智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，提出了利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對掩模版制造流程的智能化管理。利用智能化生產(chǎn)系統(tǒng)提高了和客戶之間的交互性，利用智能貨柜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了掩模版私有云制造。依托現(xiàn)有智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)，提出了集成電路全產(chǎn)業(yè)鏈智能制造的概念。

掩模數(shù)字化生產(chǎn)；全生命周期管理

1 引言

掩模制造在集成電路設(shè)計制造產(chǎn)業(yè)鏈中位于IC設(shè)計與晶圓制造之間，是集成電路設(shè)計制造實(shí)物化的第一個階段。無錫中微掩模電子有限公司經(jīng)過多年信息化建設(shè)，已建成一套集掩模制版數(shù)據(jù)自動化處理、掩模訂單生產(chǎn)管理系統(tǒng)、產(chǎn)品信息在線交互平臺于一體的數(shù)字化管理信息系統(tǒng)。設(shè)計公司完成芯片設(shè)計后，可直接通過互聯(lián)網(wǎng)將電路版圖數(shù)據(jù)傳輸至掩模廠，并可完全通過在線方式進(jìn)行掩模制版圖形數(shù)據(jù)確認(rèn)、在線下單、生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤、質(zhì)量反饋分析、物流信息跟蹤等過程，直至掩模版到達(dá)晶圓廠；可實(shí)現(xiàn)全過程數(shù)字化、虛擬化、實(shí)時化的信息交互，而無實(shí)物掩模版交接。通過RFID與智能貨架技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)掩模版從掩模工藝制作、光刻工藝使用、返廠維修到再次使用的全生命周期數(shù)字化管理。在0.13 μm工藝節(jié)點(diǎn)八英寸晶圓廠蓬勃發(fā)展、中國制造2025全面推進(jìn)的大背景下，中微掩模成為國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈信息協(xié)同必不可少的一環(huán)。

圖1 掩模制造全流程管理架構(gòu)

2 掩模制版數(shù)字化設(shè)計

2.1 數(shù)字化進(jìn)案

作為集成電路設(shè)計實(shí)物化的第一個階段，掩模制造的第一個環(huán)節(jié)就是對接集成電路設(shè)計輸出的電路版圖數(shù)據(jù)。通常版圖數(shù)據(jù)與掩模版制作要求會通過互聯(lián)網(wǎng)，以數(shù)據(jù)形式傳輸至掩模廠。這一過程在掩模廠稱為制版數(shù)據(jù)進(jìn)案。

客戶可以通過連接在互聯(lián)網(wǎng)中的各類終端設(shè)備，例如PC機(jī)、平板電腦、手機(jī)等，隨時隨地下達(dá)訂單，方便快捷。通過互聯(lián)網(wǎng)將制版數(shù)據(jù)和掩模制版要求發(fā)送至掩模廠，擺脫了原來的紙質(zhì)文件和光盤的傳遞，方便客戶隨時進(jìn)案，也方便客戶隨時更新版圖數(shù)據(jù)和制版要求。在數(shù)據(jù)格式方面，掩模廠針對不同行業(yè)的客戶，支持各種格式的數(shù)據(jù)，包括GDSII、OASIS、DXF、CIF、MEBES等。數(shù)據(jù)安全方面，支持?jǐn)?shù)據(jù)加密，包括對稱與非對稱加密，同時也支持通道加密，包括VPN、SSL等技術(shù)。

2.2 掩模制版數(shù)字化再設(shè)計

目前國內(nèi)工藝相對較為成熟先進(jìn)的六英寸與八英寸晶圓廠，在使用掩模版進(jìn)行光刻工藝時，為了更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量，通常都會使用微縮光刻技術(shù)，使用成像圖形5:1或者4:1倍率的掩模版。因此客戶的版圖數(shù)據(jù)一般都無法直接用于掩模制版。晶圓廠會要求掩模廠根據(jù)其工藝要求對版圖數(shù)據(jù)進(jìn)行再設(shè)計，生成相關(guān)工藝所專用的掩模制版數(shù)據(jù)。如圖2所示，掩模制版數(shù)據(jù)數(shù)字化再設(shè)計過程是一個繁瑣且復(fù)雜的過程。

圖2 掩模制版數(shù)據(jù)再設(shè)計

通過掩模數(shù)據(jù)自動化處理平臺，自動抓取制版要求，轉(zhuǎn)化生成固定的腳本，并自動處理生成掩模制版數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)對客戶數(shù)據(jù)的全自動數(shù)字化再設(shè)計，取代大量手工作業(yè)，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確率。

2.3 掩模制版數(shù)字化樣品

隨著集成電路制造工藝的不斷發(fā)展，對掩模制版的要求也越來越復(fù)雜。為確保掩模制版的正確性，在實(shí)際進(jìn)行掩模制版工藝制作之前，客戶會對掩模制版數(shù)據(jù)進(jìn)行一次確認(rèn)。如圖3所示，通過互聯(lián)網(wǎng)訪問掩模制版私有云平臺，客戶可以實(shí)時快捷地進(jìn)行在線協(xié)同交互，對再設(shè)計生成的掩模制版數(shù)字化樣品進(jìn)行確認(rèn)。

圖3 掩模制版數(shù)字化樣品確認(rèn)

在客戶完成確認(rèn)，上線制作前，還需要再對掩模制版數(shù)據(jù)進(jìn)行一次處理，加入掩模制造工藝參數(shù)，并處理生成曝光工藝數(shù)據(jù)。

通過互聯(lián)網(wǎng)+掩模制版私有云平臺，掩模制版數(shù)字化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了快速自動化的數(shù)據(jù)處理，實(shí)時的在線協(xié)同交互可對客戶要求進(jìn)行快速響應(yīng)，提升客戶服務(wù)。

3 掩模數(shù)字化生產(chǎn)

掩模制版是典型的小批量多品種的混線生產(chǎn)模式。產(chǎn)品定制化程度高，可以說沒有兩塊掩模版是一樣的，同時掩模制版工序多且工藝復(fù)雜，數(shù)字化生產(chǎn)可以大大提高掩模制版的效率。通過MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能化的物料準(zhǔn)備、排產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備互聯(lián)、工藝管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，實(shí)時掌控計劃、調(diào)度、質(zhì)量、工藝、設(shè)備、物料、運(yùn)行等情況，使各相關(guān)部門及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，最終建立規(guī)范的生產(chǎn)管理信息平臺，使企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)場控制層與管理層之間的信息互聯(lián)互通，以此提高企業(yè)核心競爭力。

凈化間關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備都接入內(nèi)網(wǎng)，設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)都可以實(shí)時記錄在數(shù)據(jù)庫中。設(shè)備工程師可以隨時通過MES系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時采購備件。同時，MES系統(tǒng)可以實(shí)時反映每臺機(jī)臺設(shè)備的產(chǎn)品負(fù)載情況，為產(chǎn)品調(diào)度排產(chǎn)提供參考信息。

通過MES系統(tǒng)的建設(shè)，掩模廠實(shí)現(xiàn)了車間管理的數(shù)字化、智能化，其產(chǎn)生的實(shí)時數(shù)據(jù)對掩模制造私有云平臺提供了數(shù)據(jù)支撐，使得掩模制版過程可以與客戶進(jìn)行實(shí)時信息交互。客戶可通過手機(jī)微信、客戶端網(wǎng)頁和iPad等各種聯(lián)網(wǎng)的移動設(shè)備隨時隨地了解產(chǎn)品的實(shí)時生產(chǎn)進(jìn)度、物流狀態(tài)和質(zhì)量報告，同時可以反饋異常問題和在線溝通交流。用戶可以通過手機(jī)隨時隨地查看自己產(chǎn)品的進(jìn)度信息和預(yù)估完成時間，如有加急或者延期都可以及時知曉。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝線，客戶無法知道產(chǎn)品完成情況，有時候會出現(xiàn)產(chǎn)品延期等突發(fā)情況，客戶無法提早知道，因此提高客戶和產(chǎn)品信息的交互性可以提高生產(chǎn)方和客戶的效率，出現(xiàn)問題可以及時溝通解決。

除了采用云平臺界面進(jìn)行信息交互，也可采用客戶自定義數(shù)據(jù)交互協(xié)議，進(jìn)行更高效的定制化信息交互。

表1 客戶自定義交互協(xié)議

MES系統(tǒng)的實(shí)施效果非常明顯，極大地提高了工作效率、提升了準(zhǔn)確率。以掩模產(chǎn)品合格證為例，由于行業(yè)的特殊性，掩模COA存在著種類多、項(xiàng)目多、標(biāo)準(zhǔn)多的特點(diǎn)。中微現(xiàn)有種類已達(dá)10種，項(xiàng)目多達(dá)100多個，標(biāo)準(zhǔn)也有10套，每套標(biāo)準(zhǔn)還有十多個級別和20個標(biāo)準(zhǔn)值。同時其數(shù)據(jù)來自多個部門和不同工藝步驟，數(shù)據(jù)收集匯總極其繁瑣。未使用MES系統(tǒng)時，各部門和工藝步驟操作人員需要手動制作產(chǎn)品報表，產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)信息均需要手動錄入和計算，再通過人工進(jìn)行復(fù)核，平均一份最基本的產(chǎn)品合格證就需要花費(fèi)1個多小時，而制作海外客戶的合格證需要的時間更是多出一倍。手工作業(yè)不僅效率低下，準(zhǔn)確率也無法得到保證，漏檢情況也時有發(fā)生，后期產(chǎn)品管理也沒有數(shù)據(jù)支撐。而MES系統(tǒng)很好地解決了這個問題，所有的掩模產(chǎn)品合格證都可以從系統(tǒng)中直接導(dǎo)出，并且系統(tǒng)能夠自動匹配對應(yīng)客戶的標(biāo)準(zhǔn)自動卡控，每份產(chǎn)品合格證制作并檢查只需要5分鐘。MES系統(tǒng)的實(shí)施完全取代人工手動作業(yè)，數(shù)字化的生產(chǎn)有效地提高了工作效率和正確率，在無設(shè)備增加、各崗人員數(shù)量不變的情況下，成功支撐了公司產(chǎn)能從400片到10000片的突破，同時也為后期智能化生產(chǎn)提供了信息化支撐。

4 掩模版全生命周期數(shù)字化管理

射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是近年來新興的一項(xiàng)自動識別技術(shù)[1]。RFID利用射頻的方式進(jìn)行通信，從而對物品的信息進(jìn)行識別和采集。RFID技術(shù)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如不需要人工干預(yù)、不需要光學(xué)可視即可完成信息的輸入和處理，可以工作于各種環(huán)境，應(yīng)用便利，操作簡便，壽命長、數(shù)據(jù)安全[2]。RFID優(yōu)點(diǎn)突出，逐漸被廣泛應(yīng)用于跟蹤、交通、運(yùn)輸生產(chǎn)、設(shè)備管理、醫(yī)療、物流、防偽等需要進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理的領(lǐng)域[2]。隨著微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，RFID產(chǎn)品的成本不斷降低，因此RFID可以應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，如流水線生產(chǎn)自動化管理、物品管理、倉儲管理等。

目前，許多制造型企業(yè)貨品管理主要是基于相應(yīng)規(guī)范的手工作業(yè)及電腦半自動化管理實(shí)現(xiàn)的，其弊病顯而易見，即需要投入大量人力進(jìn)行規(guī)范物品的放置、人工整理盤點(diǎn)以及手工出入庫登記等工作，這使得貨品管理十分繁瑣，浪費(fèi)大量時間。基于MES系統(tǒng)的貨品管理系統(tǒng)，對貨品各環(huán)節(jié)實(shí)施全過程控制管理，并可對產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品名稱、參數(shù)、批次、客戶信息、配送、維保信息等記錄，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽檔案化管理，對整個生產(chǎn)、入庫、貨品查詢、貨品定位、出庫、發(fā)貨、物流、客戶收貨到返廠加工等各個環(huán)節(jié)的規(guī)范化作業(yè)，還可根據(jù)需求定制多種生產(chǎn)趨勢圖及統(tǒng)計報表。將RFID技術(shù)引入貨品管理，淘汰了傳統(tǒng)手工書寫輸入的步驟，解決數(shù)據(jù)信息陳舊滯后的弊病。掩模貨品管理系統(tǒng)能幫助企業(yè)合理有效地管理生產(chǎn)貨品的全流程，以快速、準(zhǔn)確、低成本的方式為企業(yè)生產(chǎn)管理提供最好的信息化服務(wù)。

如圖4所示，該系統(tǒng)主要由RFID超高頻標(biāo)簽、超高頻RFID手持端、RFID標(biāo)簽錄入終端、智能貨柜、智能制造系統(tǒng)、智能制造服務(wù)云平臺六大部分組成。

通過已經(jīng)定義的RFID標(biāo)簽，使每塊掩模版都擁有唯一的“身份”編號，在掩模版的整個流轉(zhuǎn)生命周期中，所有信息都會以這個編碼記錄，從而實(shí)現(xiàn)對掩模版管理的智能化和數(shù)字化。通過RFID標(biāo)簽讀寫器將掩模版的主要信息錄入標(biāo)簽內(nèi)，同時將掩模版的詳細(xì)參數(shù)錄入云平臺數(shù)據(jù)庫，建立該掩模版的電子檔案，與掩模版標(biāo)簽相綁定。RFID標(biāo)簽管控了掩模版的物資流，實(shí)現(xiàn)了物資流與數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一。掩模版RFID數(shù)據(jù)定義如圖5所示。

圖4 貨品管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖5 掩模版RFID數(shù)據(jù)定義圖

掩模制版過程中，通過掃描RFID，可將信息接入MES系統(tǒng)，每經(jīng)過一道工序便將信息上傳至服務(wù)器，并由系統(tǒng)處理后上傳至云平臺。在工序開始前，先進(jìn)行掃碼確認(rèn)，確認(rèn)是否是當(dāng)前工序、基版類型以及預(yù)計工藝時間、當(dāng)前產(chǎn)品預(yù)計完成時間等。工序結(jié)束后需要再次進(jìn)行掃碼記錄信息。制版過程中數(shù)據(jù)、信息實(shí)時上傳，為后續(xù)和客戶的交互提供了支持。工藝工程師則可以對掩模版的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和分析，提早發(fā)現(xiàn)問題，避免產(chǎn)品報廢。

智能貨柜系統(tǒng)（如圖6所示）的引入進(jìn)一步簡化了生產(chǎn)過程中的物資流管理過程和掩模版的發(fā)貨流程，大大節(jié)約了時間。智能貨柜有著基版存取和智能發(fā)貨的功能，工程師將一天所需的基板提前放入智能貨柜中并分配RFID碼，產(chǎn)線根據(jù)智能貨柜的提示對產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)。同時，每個工藝環(huán)節(jié)站點(diǎn)都配有智能貨柜，工程師可以精確定位每塊掩模版的物理位置，及其所經(jīng)過的工藝過程。產(chǎn)品工藝結(jié)束后放回智能貨柜，發(fā)貨人員再根據(jù)貨柜提示進(jìn)行發(fā)貨。智能貨柜同時具備自動分揀功能，可根據(jù)不同客戶的裝箱要求，最大程度地節(jié)約物流成本，減少了人工分揀的工作量，提高發(fā)貨的效率和準(zhǔn)確率。

圖6 智能貨架系統(tǒng)架構(gòu)圖

貨品發(fā)至客戶單位后，客戶利用其賬戶登錄手持端，可通過掃描掩模標(biāo)簽確認(rèn)貨品參數(shù)和規(guī)格信息?？蛻粼诖_認(rèn)貨品參數(shù)無誤后，可點(diǎn)選手持端系統(tǒng)中的確認(rèn)收貨，完成收貨作業(yè)，云平臺數(shù)據(jù)庫將該掩模版自動劃入相應(yīng)客戶的數(shù)據(jù)庫中?？蛻衾檬殖侄藪呙铇?biāo)簽時，所有的掃描記錄和確認(rèn)收貨信息將會上傳至云平臺數(shù)據(jù)庫中，從而實(shí)現(xiàn)對掩模貨品的物流及收貨管理。

當(dāng)掩模版在客戶使用過程中出現(xiàn)問題或到期需要維護(hù)時，客戶可通過掃描掩模標(biāo)簽，并在手持端中點(diǎn)選返廠維護(hù)選項(xiàng)，并填入相關(guān)備注及問題，告知廠家該掩模需要返廠維護(hù)，輸入物流信息后，云平臺將通知MES系統(tǒng)有掩模正在返廠的途中，提前排產(chǎn)。同時所有返廠維護(hù)、參數(shù)規(guī)格調(diào)整、出入庫和收發(fā)記錄將被云平臺記錄于數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)對掩模版的全生命周期數(shù)字化管理。

掩模制版是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)，是連接IC設(shè)計和晶圓流片的紐帶。依托RFID技術(shù)，以掩模版為媒介，通過智能貨柜可推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈智能化生產(chǎn)管理?；诨ヂ?lián)網(wǎng)，通過掩模制版云平臺提高客戶和掩模廠商之間的交互度、簡化流程、降低產(chǎn)品出錯率。利用互聯(lián)網(wǎng)平臺，使IC設(shè)計公司、掩模廠和晶圓廠商聯(lián)系更緊密，大大減少集成電路最終產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

5 展望

在國內(nèi)十二英寸晶圓線大力發(fā)展的時代背景下，在28 nm、14 nm先進(jìn)工藝平臺基礎(chǔ)上，建立面向工藝、檢測、量測、修補(bǔ)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)鏈?；诓⑿羞\(yùn)算架構(gòu)與多協(xié)議遠(yuǎn)程安全接入技術(shù)，進(jìn)一步打造高性能掩模數(shù)據(jù)設(shè)計、處理、制版私有云平臺。通過技術(shù)手段的提升，帶動生產(chǎn)流程的優(yōu)化與管理方式的提升，實(shí)現(xiàn)掩模制版過程的自動化和數(shù)字化。

借助傳感器、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，使產(chǎn)線設(shè)備具有數(shù)據(jù)加工與判斷能力，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)據(jù)采集自動化，生產(chǎn)與信息化進(jìn)一步融合，徹底實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化、生產(chǎn)自動化、生產(chǎn)現(xiàn)場信息化，進(jìn)一步提升掩模制版智能化水平，打造“黑燈工廠”。智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)，涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)管理、物流管理，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動，最終從以人為主要決策核心的人機(jī)和諧系統(tǒng)向以機(jī)器為主體的自主運(yùn)行轉(zhuǎn)變。

推進(jìn)掩模制版私有云平臺與公有云對接，參與全社會化、全產(chǎn)業(yè)鏈的云制造、柔性生產(chǎn)。積極響應(yīng)“中國制造2025”，推進(jìn)“信息化”與“工業(yè)化”的兩化融合，通過對接集成電路工業(yè)云平臺，實(shí)現(xiàn)掩模制版與集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上下游之間的信息共享、數(shù)據(jù)交互、業(yè)務(wù)協(xié)同，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平，最終實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的智能生產(chǎn)。

6 結(jié)論

本文介紹了中微掩模電子有限公司的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了掩模制版的智能化管理。數(shù)字化的物料準(zhǔn)備、排產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備互聯(lián)、工藝管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控大大提高了制板的效率。掩模制版私有云平臺的引入也提高了和客戶之間的交互性，讓客戶可以實(shí)時了解產(chǎn)品的動態(tài)。智能貨柜的引入進(jìn)一步完善了智能生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)私有云制造。目前的生產(chǎn)系統(tǒng)還可以進(jìn)一步升級，借助新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)由自動化工廠到智能化工廠的轉(zhuǎn)變，對接IC設(shè)計公司和晶圓廠實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的智能生產(chǎn)。

[1]吳永祥.射頻識別(RFID)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].微計算機(jī)信息,2006,22(11Z):234-236.

[2]李成淵.射頻識別技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展研究[J].無線互聯(lián)科技,2016(20):146-148.

Digital Mask Manufacturing Based on RFID

ZHANG Peng，DING Han，SHEN Tianyi，HU Chao
（Wuxi Zhongwei Mask Electronics Co.,Ltd.,Wuxi 214135,China）

In the paper,an intelligent production system for Wuxi Zhongwei Mask Electronics Company and RFID-based intelligent management of mask manufacturing process are presented.The use of intelligent production systems enhances the interaction with customers.The private cloud manufacturing of mask is realized by the intelligent container system.Based on the existing intelligent production management system, the conceptofintegrated circuitwhole industry chain intelligentmanufacturing isproposed.

digitalmask manufacturing;full-lifecycle management

TN305.7

A

1681-1070（2017）08-0044-05

張鵬（1982—），男，山東海陽人，畢業(yè)于東南大學(xué)計算機(jī)系，主要從事掩模數(shù)據(jù)處理與信息化建設(shè)相關(guān)工作。

2017-6-8