（计算机系统结构专业论文）计算机集成制造系统（cims）中设备自动化（eap）设计与开发.pdf

摘要 本文讨论了半导体制造业c i m s 工程中设备自动化系统( e a p ) 的设计与开 发。e a p 系统主要功能是对生产线上机台( e q u i p m e n t ) 进行实时监控，是实现生产 自动化不可缺少的监控系统。经过认真地需求分析，本文中的e a p 系统结构设计 为三个模块，即e c 、e d 和t a s kf l o w 。由于e a p 面向外部系统通信协议不一样， 所以系统设计对外有两个接口。e c 模块实现对外面向c i m s 中的其它子系统的接 口，采用r v 通信格式：而e d 实现了面向设备系统的接口，采用基于r s 2 3 2 的 s e c s 通信协议。采用三模块的系统设计结构使复杂的设备控制逐层分化，每个 模块任务明确，易于实现。同时系统对外接口清晰，软件结构上有较强的重用性。 e a p 系统主要实现了设备模式控制、设备初始化控制、材料状态跟踪、设备 远程控制、数据采集、警报管理、设备状态管理、配方管理、与m e s 、a s 通讯 的功能。系统实现的优点在于适应性强、结构清晰、易维护。 关键字：计算机集成制造系统设备自动化系统半导体设备通信标准生产流程 流程控制 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe a p s y s t e mi nc i m sp r o j e c t o fs e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h em a i nf u n c t i o no fe a pi sm o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n gt h ee q u i p m e n to fp r o d u c tl i n e ，i ti sn e c e s s a r yc o n t r o ls y s t e mt or e a l i z e a u t o p r o d u c i n g b e f o r e t h e s y s t e md e s i g n ，r e q u i r e m e n ta n a l y s i s h a st ob es t u d i e d s e r i o u s l y ，t h ea r c h i t e c t u r eo fe a ps y s t e mi sm a d eu po ft h r e em o d u l e s ，t h o s e a r e e c ( e q u i p m e n tc o n t r 0 1 ) ，e d ( e q u i p m e n td r i v e r ) a n dt a s kf l o w f o rt h ee a ps y s t e m m u s tf a c et oo u t s i d es y s t e mw i t ht h ed i f f e r e n tp r o t o c o l ，s ot h es y s t e md e s i g nt oh a v e t w oi n t e r f a c e s e cr e a l i z e dt h ei n t e r f a c et o w a r dm e s ，a s ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i sr v ；e dr e a l i z e dt h ei n t e r f a c et o w a r de q u i p m e n ts y s t e m ，t h ep r o t o c o li ss e c sb a s e d o nr s 2 3 2 a d o p t i n gt h r e e m o d u l ea r c h i t e c t u r em a d et h ec o m p l i c a t e ds y s t e ms i m p l e ， a n dt h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ei sc l e a ra n de a s yt or e a l i z e a tt h es a m et i m e ，t h e i n t e r f a c eo f s y s t e mi sc l e a ra n dd e f i n i t e ，i t ss o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei ss t r o n g e r t ou s e t h em a j o rf u n c t i o n so fe a ps y s t e ma r ee q u i p m e n tm o d ec o n t r o l ，e q u i p m e n t i n i t i a l i z a t i o n ，m a t e r i a lt r a c k i n g ，e q u i p m e n tr e m o t ec o n t r o l ，d a t ac o l l e c t i o n ，a l a r m m a n a g e m e n t ，e q u i p m e n ts t a t em a n a g e m e n t ，r e c i p em a n a g e m e n ta n dc o m m u n i c a t i o n w i t hm e s ，a s t h ea d v a n t a g eo ft h i s s y s t e m i si t s s t r o n ga d a p t a b i l i t y , d e f i n i t e a r c h i t e c t u r ea n de a s ym a i n t e n a n c e k e y w o r d ：c i m s e a ps e c sp r o c e s sf l o wp r o c e s sc o n t r o l y 5 8 3 3 2 7 创造性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人虢遍r 期妇刈 导师签名 日期趔：4 ：纽。 第一章绪论 1 1 1c i m s 的概述 第一章绪论 1 1c i m s 的发展状况及趋势 近半个世纪以来，制造业竞争激烈，先进的制造设备和制造系统相继出现。 如四十年代中期开始出现的数控机床，六十年代开始有的计算机辅助设计( c a d ) 计算机辅助制造( c a m ) 等等。从六、七十年代开始，计算机技术快速发展，工 作站、小型计算机等大量进入到工程设计中，开始了c a d c a m ，计算机仿真等工 程应用系统：同时，计算机涉及文字信息处理领域，于是进入到了上层管理领域， 出现了管理信息系统、物料需求计划、制造资源计划等概念和管理系统，计算机 的处理能力不断提高，处理的信息量也大大增加，各种应用系统变得越来越复杂， 规模也越来越大。但是，各个自动化分系统由于逻辑上的不一致性，系统软、硬 件的异构性，信息的多样化、复杂性和控制管理的非实时性等一系列问题，使各 个自动化分系统各自为阵，难以互通信息，出现“自动化孤岛”，限制了系统的进 一步发展和效率、效益的进一步提高。与此同时，由于经济、技术、自然和社会 环境等因素的影响，作为国家国民经济的主要支柱制造业已进入一个巨大的变革 时期，主要有以下几个特点： ( 1 ) 生产能力在世界范围内的提高和扩展形成了全球的竞争格局； ( 2 ) 先进生产技术的出现正急剧地改变着现代制造业的产品结构和生产过 程： ( 3 ) 传统的管理、劳动方式、组织结构和决策方法受到社会和市场的挑战。 激烈的市场竞争向制造业提出新的挑战，要求根据用户的需求更加缩短产品 的设计开发周期和制造周期，要求进一步提高产品质量，减少在制品、库存造成 的资金占有；要求及时将市场信息、管理信息引入企业的经营管理部门。现代化 的企业要求综合发挥自动化的优势，优化管理，要求集成各个自动化分系统，发 挥企业的潜力。 1 9 7 3 年，美国学者j h a r r i n g t o n 在( ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) ) 一书 中，首次提出计算机集成制造( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 的概念， c i m s 发展概况与趋势 这是针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。其 基本思想“1 ： 制造企业中的各个部分( 即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、 质量控制、生产指挥到售后服务) 是一个互相紧密相关的整体； 整个制造过程本质上可以抽象成一个数据的收集、传递、加工和利用的过 程，最终产品仅是数据的物化表现。这两点，前者就是一个集成的思想，后者就 是信息制造观的思想，由于当时技术条件的限制，这个概念直至8 0 年代初才逐渐 被人们接受。近十余年，在市场竞争的激励与相关技术进步的推动下，c i m 理念 及其技术在实践中不断充实、完善与发展“7 “”“1 。 我国8 6 3 c i m s 主题于1 9 8 6 年提出了c i m s 计划，从此c i m c i m s 的理念概 括如下：“c i m 是一种组织、管理与运行企业的理念。借助计算机使企业产品全 生命周期市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持( 包括质 量、销售、采购、发送、服务) 以及产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有 关的人组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化 运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品 上市快，高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷 性，使企业赢得市场竞争”。“c i m s 是一种基于c i m 理念构成的计算机化、信息 化、智能化、集成优化的制造系统”。c i m 技术是基于制造技术、信息技术、管 理技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术。具体地讲，它综合并发 展了企业生产各环节有关的技术，c i m 的技术包括：总体技术、支撑技术、设计 自动化技术、制造自动化技术、集成化管理与决策信息系统技术及流程工业中 c i m s 技术。 基于上述的c i m 及c i m s 理念，8 6 3 c i m s 主题实施的c i m 及c i m s 可称为 “现代集成制造( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) 与现代集成制造系统 ( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ”。它已在广度与深度上拓展了原 c i m c i m s 的内涵。其中，“现代”的含义包含信息化、智能化、计算机化。“集 成”的含义是企业产品全生命周期活动中三要素( 人组织、技术和经营管理) 、 三流( 信息流、物流和价值流) 的集成优化。 1 1 2 国内外c i m s 发展概况 c i m 和c i m s 的研究和开发，已受到各国政府和工业界的高度重视。目前世 第一章绪论 界上的c i m s 产业已达数十亿美元年，与c i m s 有关的系统集成、企业管理、工 程设计及制造等相关技术都有了长足的发展“”“2 ”“”。 美国的高技术发展研究计划“星球大工业战”中，c i m 的研究占有重要的份 额：美国国家关键技术委员会把c i m 列入影响美国长期安全和经济繁荣的2 2 项 关键技术之一。美国政府为了给工业企业提供各项c i m s 单项技术的实验场所， 于1 9 8 1 年在国际标准局建立了“自动化制造实验基地( a m r f ) ”。美国的许多著 名大学和企业部门也都开展了c i m s 的研究和实验工程。如：美国通用汽车公司 积极采用先进的现代化制造技术，建立了适应大批量生产的c i m s ，并在工j 中 基本建成了一个c i m s 技术和管理信息系统( t m i s ) ，用8 个能在联机和实际环 境中运行的主要模块将工厂各功能系统集成起来。 在欧洲共同体国家中，德、英、法等国都将c i m s 作为战略目标中的重要部 分，制定发展计划，而且在欧共体高技术研究发展战略计划( e s p r i t ) 中，专门 制定c i m 计划，并把开发制造系统标准技术作为其重点；建立符合开放系统内部 互连模式的体系结构、设计标准和接口，开发c i m s 系统产品。制定计+ 算机集成 制造开放系统结构( c i m s o s a ) 和发展各种c a d 系统之问的数据交换技术等方 面取得了显著成效。 日本通产省于8 0 年代术制定了智能制造系统( i m s ) 发展计划。并在c i m s 车间制造系统自动化方面达到相当水平。从7 0 年代开始，日本在c n c 、d n c 、 f m s 等物理层设备的自动化领域的进展为其c i m s 的研究和实施准备了条件。8 0 年代中期开始，有关研究所和大企业公司注意信息集成和c i m s 的开发，并在生 产光学通信仪器的小山工厂和日本富士通电机公司等企业建成了c i m s 。 我国于1 9 8 6 年开始制订实施的“8 6 3 计划”中将c i m s 确定为自动化领域的 主题研究项目之一，并规定了我国8 6 3 c i m s 的战略目标为：跟踪国际c 1 m s 有 关技术的发展；掌握c i m s 关键技术；在制造业中建立能获得综合经济效益并能 带动全局的c i m s 示范工厂，通过推广应用及产品化促进我国c i m s 高技术产业 的发展。 为实现上述战略目标，建立了我国开展c i m s 研究与技术推广的体系结构， 如图1 1 所示。 经过十多年的努力，我国c i m s 事业取得了迅速发展，主要反映在：我国 8 6 3 c i m s 研究已形成了一个健全的组织和研究队伍；实现了我国c i m s 研究和丌 发的基本框架；建设研究环境和工程环境，包括一个国家c 1 m s 实验工程中一心和 7 个单元技术开放实验室，完成了一大批课题的研究工作，陆续选定了一批c m s 4c i m s 发展概况与趋势 典型应用工厂作为利用c i m s 推动企业技术发展的示范点。这些工厂包括飞机、 机床、大型鼓风机、纺织机械、汽车、家电、服装以及钢铁、化工等行业。所有 i应用工程 典型应用工厂 l 产业化【企业推广应用c i m s ll l【产品化 c r m s if 关键技术攻关 i 研究与开发 应用基础研究( 实验工程、总体技术) jl 设计自动化、车间自动化、集成化管理与决策 图1 1c i m s 主题体系结构 以上工作都取得了卓著的成效。在技术研究方面，1 9 9 4 年清华大学的国家c i m s 工程研究中心获得( 美国) 制造工程师学会( s m e ) “大学领先奖”；在企业应用 水平方面，1 9 9 5 年北京第一机床厂和东南大学联合设计实施的c i m s 应用工程获 得制造工程师学会颁发的“世界工业领先奖”。这表明我国c i m s 研究和工业应用 已得到国际社会承认，进入国际领先水平。 1 1 3c i m s 技术的发展趋势 ( 1 ) 集成化从当前的企业内部的信息集成和功能集成，发展到过程集 成( 以并行工程为代表) 、并正在步入实现企业间集成的阶段( 以敏捷制造为代 表) 。 ( 2 ) 数字化虚拟化从产品的数字化设计开始，发展到产品全生命周 期中各类活动、设备及实体的数字化、在数字化基础上，虚拟化技术正在迅速 发展，主要包括虚拟显示应用、虚拟产品开发和虚拟制造。 ( 3 ) 网络化从基于局域网发展到i n t r a n e t i n t e m e t 的分布网络制造，以 支持全球。 ( 4 ) 柔性化正积极研究发展企业动态联盟技术，敏捷设计生产技术， 柔性可重组机器技术等，以实现敏捷制造。 ( 5 ) 智能化智能化是制造系统在柔性化和集成化基础上进一步的发 展与延伸，引入各类人工智能和智能控制技术，实现新一代智能制造系统。 ( 6 ) 绿色化包括绿色制造、有环境意识的设计与制造、生态工厂、清 蓥一章缘论 洁化嫩产等：它是全球w 持续发展战略在制造业中的体现，它怒摆在现代制造 业耐前的一个崭新课题1 9 2 2 t 2 2 1 1 2c i m s 技术发震的三个阶段 系统集成化是c i m s 技术与应用的核心技术，可将c i m s 披术的发展从系统 集成化发展的角度而划分为三个阶段1 18 1 信息集成( 以早期计算机集成制造为代 表) 、过程集成( 以并行工程为代表) 和企业间集成( 以敏捷制造为代表) 。前者 是嚣卷戆基磊窭，曩时，三类嫠戒凭证技零瞧还在不凝发震之中。我国8 6 3 c i m s 主憝分剃子1 9 8 7 年、1 9 9 3 年帮1 9 9 7 年窟动了这三个方面的工作。 ( 1 ) 信息集成优化 信息集成主要解决企业中各个自动化孤岛之间的信息交换与共享，其主要内 容有：a 企业建模、系统设计方法、软件工疑和规范。b 异构环境下子系统的信息 集成。早期售惠集戒豹蜜溪方法主要逶遥两域蠲窝数据痒寒实瑷。近蘩采臻金业 网、外联网、产品数据繁瀵( p d m ) 、集成平螽和框架技术来实现。值得指出， 基于雠向对象技术、软车句件技术和w e b 技术的集成框架已成为系统信息集成的 主要支撑工具。 捆应她，在企业管理上波用了m r p i i 、j i t 等，进而带动了企业文化和管理 豹臻诧。 ( 2 ) 过程集成优纯 传统的产品开发模式采用串行产品开发流程；设计与加工生产是两个独立的 功能部门：缺乏数字化产晶定义、d f a d f m 工具和产品数据管理；缺乏支持群 缀协疑工 睾敬诗算枫与刚络环境。但是“并行工程”较好地鳃决了这些问题，它 凌成多擎奉季圈酝，尽霹辘多憨褥产最设计中懿各个串季亍过程转交为劳行过程，在 早期设计联合体时采用c a x 、d f x 工具，考虑到可制造性( d f m ) 、可装配性 ( d f a ) 、质量( d f q ) ，减少返工，缩短开发时间。并行工程的关键技术有：信 息集成技术、过程建模以及重组；面向并行工程的计算机辅助工具，如c a x 、 d f x ( 艨羧制造技术豹一部分) ；支持劳彳亍作她的多学秘翡协同工 蕈小组和集媛挺 絮等。 ( 3 ) 企业间集成优化 众业间集成优化是企业内外部资源的优化利用，实现敏捷制造，以适应知识 经济、全球经济、全球制遗的新形势。 c i m s 发展概况与趋势 从管理的角度，企业间实现企业动态联盟( v i r t u a le n t e r p r i s e ) ，形成扁平式 企业的组织管理结构和“哑铃型企业”，克服“小而全”、“大而全”，实现产品型 企业，增加新产品的设计开发能力和市场开拓能力，发挥人在系统中的重要作用 等。 企业间集成的关键技术包括信息技术、并行工程的关键技术、虚拟制造、支 持敏捷工程的技术系统、基于网络敏捷制造，以及资源优化( 如e r p 、供应链、 电子商务) 等。 1 3 标准c i m s 系统的组成 c i m s 以计算机网络和数据库为基础，利用信息技术和现代管理技术将制造 企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集 成起来，实现整个企业的信息集成，达到实现企业全局优化、提高企业综台效益 和提高市场竞争能力的目的。因此，c i m s 的组成包含三个要素，即人机构、经 营与技术，如图1 2 所示标准制造系统的基本单元。 图1 2c i m s 的系统组成 ( 1 ) 产品设计单元包括了产品的开发、工程绘图以及记录材料表。为 第一章绪论 生产计划作必要的准备工作。 ( 2 )制造规划单元包括制造流程的规划、生产顺序的规划、需求规划 以及产能规划。它是c i m s 的上层管理系统，它不仅需要根据厂情、国情和国际 市场的需求信息做出生产决策、确定生产计划和估算产品成本和生产效益，而且 需要做出物料、能源、设各、人员的计划安排，保证生产的f 常运行。确保原材 料有计划地、有顺序地进行生产，避免生产过程中原材料的堆积、生产流程误操 作或产品过剩等无谓的失误。保证这个生产线流畅，不受意外影响。 ( 3 )制造控制单元包括现场控制、质量控制以及库存控制等。它主要 实时控制现场生产，保证生产的合格率。通过相应的产品质量保证系统及时对生 产线的状态做出判断和分析，预防生产线的不稳定因素，保证产品质量。 ( 4 )业务管理功能单元包括市场行销。定单报表以及客户结账等事 务。它是企业的门户，是产品进入最后的市场的窗口。是保证生产顺利持续的经 济保障。 ( 5 ) 工厂生产单元它是制造行业的核心和灵魂，是原材料形成产品的 必经之路。在制造行业中，生产线是其保证产能，效率的关键步骤。随着经济和 科技的不断发展，现在很多制造行业的生产线都采用自动化或者半自动化模式。 大大提高了生产效率和生产质量，降低了成本。 c i m s 将企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营 管理到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一思考。 c i m s 设计思想的重点就是集成化，能够从整体上管理整个生产过程，使企业的 各个生产环节紧紧相扣，缩短生产周期，提高经济效益。 c i m s 作为新型的生产模式，其本身也处于不断的发展更新之中，各种有关 的新概念，新思想不断提出，也易于融合其它领域的有益成份。c i m s 是现代制 造领域中卓有成效的技术，是加快企业适应市场经济，提高企业市场竞争力重要 技术手段，这一面向产业界的高新综合技术，无疑将越来越广泛地得到应用。 1 4 课题来源 本课题来源于某半导体公司的c i m s 项目工程的设计、开发以及实施。半导 体行业的c i m s 系统和一股制造业的c i m s 并无两样，都是基于相同的观念与精 神，只是半导体制造有着相当精密、复杂的制造过程，机器设备成本又高，为了 维持产品的稳定的品质和提高生产效率，对自动化的投入始终不遗余力，因此半 c i m s 发展概况与趋势 导体厂普遍都相当重视c i m s 的实施。相对的，c i m 的精神也较容易在半导体厂 内得到充分的发挥。事实上半导体行业之所以如此重视c i m ，也有其不得不然的 理由，根据德国某著名半导体洁净室设计公司对附着在晶圆( w a f e r ) 上的微尘 ( p a r t i c l e ) 来源作分析后指出，人体是微尘的最主要来源，而微尘又是影响半导体 产品品质的最大杀手，因此要改善产品品质可靠度的最有效途径便是尽量减少人 与产品的直接接触，高度自动化就成为唯一的捷径和解决办法。 本课题中的c i m s 系统在该半导体公司实旋以后，使得生产线达到了半自动 化( s e m i a u t o ) 。本人参与了c i m s 系统中设备自动化( e a p ) 子系统的设计、开 发与实施。 第二章半导嚣孬数c i m s 系统夯绍 第二章半导体行业c i m s 系统介绍 2 1 半导体制造系统的特性 半导体制造系统是网前制造业中最复杂、撮精密、自动化程度又相当高的系 统，冀异于一般传统工厂驹特色主要如下： ( 1 )其蠢辍荬复杂萎疆繇褒校毫敕鸯# 王遗翟；并不是以零一生产缝方式，圭 产，弼蹙以批量经过黄光嚣、蚀剡区、扩散隰、薄膜区等几个主疑工作区域不断 重复加工，即批量可能进入某工作站加工一次以上。其d n i 途径鼹i t = 格依照加工 流程上标示的步骤，按顺序一步一步地完成。 ( 2 )对现场豹搽 每员露言，并不是黧蹩在某机台重笈徼惹穗嗣加工动 筝；嚣蹙必绥弱霾兼颓蘩一送域黪数个穰螽，有嚣葚至不是两一缀墅。蠢此，每 一个现场的操作员必需麓够操作多种不同型的机器，此称为”多能工”。 ( 3 ) 加工生产的产品种类多( 以大烈半导体制造系统为例，其产品种类数 目可幽数百至数千) ，并且簿一型号的生命周期都不长( 最多数年) ，因此无法对 每一黧号豹产品累积太多，圭产经验。存对 c 厂内会有诲多试验瞧产鑫，其翻造程 序与产晶特性仍属实验除段。 ( 4 )有些制造程序一次只能加工一个批肇，如光罩对准。然而，有些制造 程序次却能对多个批擞所组成的一个批单来加工，如炉管氧化。 ( 5 )系统中加工桃台缝构复杂，为高科技的产物，且其价值昂贵动辄数千 万，这些攘工掇叁必须遽嚣定蘩霉i 募与菝委。 ( 6 )每个船工步骤的产品品质翁受生产环境、作监员技术水准、船工祝台 与原物料的影响，这会增离生产系统的不确定性。 ( 7 )每个时间点，用以描述表达系统的资料是极为庞大且复杂的。系统的 变动稽当地快速，诸如：糖产品、薪的加工枫器、薪的生产技术的引进、产品组 合与产麓瑟矮燕工途疆瓣敬交等零会造裁系绫黪交魂。溪羧系统弱设诗必须藐够 灵浠她适应这些变动。 激然c i m 的理论撼础都是一样的，但鼹每个行业c i m s 系统都有其特点，要 设计个适应行业性质的制造系统，必须对其行业的需求有相应的了解，只有这 0半导体制造业c i m s 的特点 样才能够设计和开发出切合实际的系统，这样的系统才是实用有效而且具有一定 的灵活性。下面将对半导体制造业的基本制造流程做一简单的介绍，帮助我们理 解半导体行业的c 1 m s 系统和本文讨论的e a p 系统。 2 2 半导体行业术语 由于半导体制造业在美国等西方国家发展较早，目前半导体方面的资料大多 数以英文为主。很多的半导体行业术语都还没有标准的中文翻译，在半导体行业 内部一般都用英文代之。下面是一些常用的所谓“行话”，在本文中经常用到，为 了方便本文的阅读和理解，统一说明如下。 晶圆( w a f e r ) 是半导体制造业的最基本加工单元，电路图经过一定的加工 工艺过程刻录在晶圆上经切割而成i c 芯片； 晶盒( c a s s e t t e ) 是用来装晶圆的盒子，是一个个分离的插槽组成；一般一 个晶盒可插入2 5 片晶圆；晶圆在加工时都是以晶盒为单元进行的。 机台( e q u i p m e n t ) 是指生产加工线上的所有设备，在半导体行业通常称为 机台； 批( l o t b a t c h ) 是晶圆的量化单位，一般一个晶片盒的晶圆为1 个l o t ； 多个l o t 可组成一个b a t c h ： 前台( p o r t ) 是指机台上货的一个平台，晶圆在加工之前先放在p o r t 上， 机台在加工时会用自动手臂一片一片提取在内仓进行加工； 仓库( s t o c k e r ) 是存放晶盒的仓库，这种仓库有自动控制系统，可以自动 存取； 小姐( o p e r a t o r ) 是f a b 中的操作工，他们负责上货、下货等一些简单的 动作：构成了半导体制造业中参与人员的主体； 配方( r e c i p e ) 是机台加工不同产品是的对应程式；是由制造工程师提前 在机台上设置，e a p 控制生产时会自动根据货的类型选择并通知机台按照预选的 方式进行加工； f a b 是特指半导体行业中加工车间，因为它不同于普通的加工车间，而是 环境质量要求极高的生产环境； s e c s 是半导体自动化标准协议，规范了e a p 控制机台的通信标准； 第二章半导体行业c i m s 系统介绍 2 3 半导体制造流程 半导体组件制造过程可分为晶圆处理流程( w a f e rf a b r i c a t i o n ；简称w a f e r f a b ) 、晶圆针测制程( w a f e rp r o b e ) 、封装( p a c k a g i n g ) 、测试流程( i n i t i a lt e s ta n d f i n a lt e s t ) 等几个步骤。一般称晶圆处理流程与晶圆针测制程为前段( f r o n te n d ) 制程，而封装、测试制程为后段( b a c ke n d ) 制程。半导体组件制造过程如图2 1 所示： 形成晶粒 引脚最终产品 圈2 1 半导体制造流程 ( 1 ) 晶圆处理流程 晶圆处理流程的主要工作是在硅晶圆上制作电路与电子组件( 如晶体管、电 容、逻辑门等) ，是上述制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程，以微处理 器为例，其所需处理步骤可达数百道，而其所需加工机台先进且昂贵，动辄数千 万美元一台，其所需制造环境为恒定温度、湿度，同时含尘量( p a r t i c l e ) 需控制 在无尘室( c l e a n - r o o m ) 的级别，虽然详细的处理程序是随着产品种类与所使用 的技术有关：不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗之后，接着进行 氧化及沉积，最后进行微影、蚀刻及离子植入等反复步骤，以完成晶圆上电路的 加工与制作。 根据不同阶段制造流程的主要功能，f a b 内可分为四大加工区： 黄光区( p h o t oa r e a ) 本区的作用在于利用照相显微缩小的技术，定义出每一层次所需要的电路 图，因为采用感光剂易曝光，需要在黄色灯光照明区域内工作，所以叫做“黄光 区”。 蚀刻区( e t c ha r e a ) 经过黄光定义出我们所需要的电路图，不要的部份需要去除，这个去除的步 骤就称之为蚀刻，因为它好像雕刻，一刀一刀的削去不必要的木屑，完成作品， 在此期间又利用酸液来腐蚀，所以叫做“蚀刻区”。 1 2半导体澍瀵韭c i m s 静特焱 扩散区 主掇) 兰坚主敏2 曼垒， w 位标示是否等待回复， 肛1 ( 等待回复) w - - 0 ( 不等待回复) e 位标示北b l o c k 是否为 擐文熬最螽一个块， e = i 表示是 b l o c k 3 2s e c s q 掇文格式 87 b i tw i t h i nb y t e 6543 、丽泛了云 r l o w e rd e v i c ei d w ju p p e rm e s s a g e1 d ( s e c s i is t r e a m ) l o w e rm e s s a g ei d ( s e c s i if u n c t i o n ) u p p e rb l o c k n u m b e f s l o w e rb l o c kn u m b e r s u p p e r t r a n s a c t i o ni d l o w e rt r a n s a c t i o ni d 蛰3 3s e c s 4 头辩捺式 1 2 字节标示机台唯一的标号，在队b 中每台设备都有唯一的编号： 3 4 字节分别指寇s e c s - i i 中的s t r e a m 和f u n c t i o n 编号： s 6 字节标竣掇文中最大块编号窥最小块编号； 7 l 各字节表嚷t r a n s a c t i o n 编号等系统镕意，每个b l o c k 帮糖耀： 等待时间限制：在数据传送过程中，由于机台数据传送自勺趟迟或者因机台 故障无法再传送数据时，都会造成数据的不宽憋。必需重新传邀，或告知主机通 知设铸工程师检修机台。根据不同的情况等待时间分为四种，同时对重传次数也 2 3 | 4 s ：6 7 8 9 博 s e c s 按议努痿套绍 有规定，这些实际的时间和次数的限定可以根据不同的机台在机台初始化时设定 不同的值。等待时间分类如表3 2 所示 表3 2 等待时间与重传次数限定 说躜鞍毽蓬盈典型傻j 等待彗季阕 t t 字符之间传送延迟限焱 o 1 1 0 s 0 5 s t 2 发送e n q 与接受e o t 延迟限定 0 2 2 5 s1 0 s l t 3 等待回复延迟限定 1 1 2 0 s4 5 i t 4块之闽传输延迟限定l 1 2 0 s4 5 1 强y熏传次数袋定0 3 1 次3 次| 3 2 。2s e c s i i 的舰范内容 在s e c s 协议中s e c s 1 l 的功能裙当予o s i 谂议中静表示屡。它绝 s e c s i 传输的二进制串翻译成形象直观的格式表示出来，s e c s i i 规范传输 资料的标准结构和显示内容，方便使用者查看数据内容。例如要完成如图 3 4 的建立逐线的报文传输，s e c s i 和s e c s 1 1 格式分别如下所示。 主瓿糗台 s i f l 3 建立通信 s i f l 4 确认回复 p r i m a r y ： s n f m s e c o n d a r y ：s n f m + 1 幽3 4 建立连线 1 7 ：4 5 ：2 2s e n d i n gc r s 1 f 1 3 w ( s e c s - i i 格式) ( 1 ) s t r e a mf u n c t i o n 定义 s e c s i i 定义了s e c s 协议的报文格式和表示内容，通常叫做s t r e a mf u n c t i o n 报文格式。所有的报文( 通称m e s s a g e ) 都用s 。f m ( n 为s t r e a j nn u m b e r ：m 为 f u n c t i o nn u m b e r ) 的形式表示。其中每次通信s t r e a mf u n c t i o n 报文都是成对出现， 分别称为p r i m a r ym e s s a g e ( s n f m 中1 t i 为奇数) 和s e c o n d a r ym e s s a g e ( s ，1 f m l ) 。如 图3 4 中s i f l 3 为p r i m a r ym e s s a g e ，而s 1 f 1 4 为s e c o n dm e s s a g e ，他们是对应的。 一个t r a n s a c t i o n 是指一次完整的s t r e a mf u n c t i o n 通信。 s e c s i i 还规范了s t r e a mf u n c t i o n 的使用范围和功能。在s e c s i i 中以s t r e a m 来区分不同的信息种类，再以f u n c t i o n 区分信息不同的涵义。二者的编号范围 s t r e a mn u m b e r 为0 1 2 7 ；f u n c t i o nn u m b e r 为0 2 5 5 。目前在s e m i 中并没有 完全定义，常用的s t r e a mf u n c t i o n 信息类别如表3 3 所示。 s e c s 协议分层介绍 表3 3s t r e a mf u n c t i o n 对照表 信息种类功能 s t r e a mn u m b e rf u n c t i o nn u m b e r 机台状态实时询问机台状态 】0 2 0 机台控制及诊断下达指令或者询问常数等 20 - 5 0 材料状态实时询问晶圆的加：【：状态 30 - 2 6 材料控制晶圆控制 40 4 2 异常处理警报信息报告 50 18 资料收集动态事件回报 6 0 3 0 机台操作控制 r e c i p e 管理 7 0 - 3 6 控制程序传送控制传送程序的方式80 4 系统错误系统错误回报 90 1 4 程序处理管理加工处理管理 1 6 o 1 4 晶圆定位确定晶圆在c a s s e t t e 中的位置】2o 2 0 资料组传送数据传送 1 30 1 6 配方管理 r e c i p e 管理 1 5 0 4 8 ( 2 ) s t r e a mf u n c t i o n 发送方向 常见的s t r e a mn u m b e r 为1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、9 和1 0 。s e c s 以r s 2 3 2 通信协议作为其传输标准，为使命令均能有效地传送，主机与机台间采用半双工 一问一答的方式相互沟通。发话者必须以奇数f u n c t i o n n u m b e r ( p r i m a r ym e s s a g e ： s f 。+ 1 ) 作为其信息代号，而接受者若必须回复发话者则以f u n c t i o n n u m b e r + l ( s e c o n d a r y m e s s a g e ：s n f m ) 作为回复信息代号，所以表3 3 中的f u n c t i o n n u m b e r 均以偶数结束。每一台半导体机台所用到的s t r e a mf u n c t i o n 并不会相同， 而且大部分机台实际所用到的s t r e a mf u n c t i o n 总数约为5 0 个，这完全依据机台 操作的复杂度及动作需求来决定。 s t r e a mf u n c t i o n 的发送接收是有方向限定的。主机或者机台并非每一个代号 的s t r e a mf u n c t i o n 均可使用，有些只有主机可以发送，部分则为机台专用，当然 也有二者均可发送的s t r e a mf u n c t i o n 。部分常用的s t r e a mf u n c t i o n 的发送方向如 表3 4 所示。 第三章半导体自动化s e c s 协议介绍 2 1 -_，_。_-_-_-。-。11。一 表3 4s t r e a mf u n c t i o n 发送方向 s n f m 信息涵义主机 机台 s 1 f 1 a r ey o ut h e r e s l f 2o n l i n e d a t a s 1 f 3 s e l e c t e ds t a t u sr e q u e s t s 1 f 4s e l e c t e ds t a t u sd a t a s 2 f 1 4 e q u i p m e n t c o n s t a n td a t a s 2 f 1 6n e w e q u i p m e n t c o n s t a n ts e n da c k s 2 f 2 2r e m o t ec o m m a n da c k s 2 f 3 4d e f i n er e p o r ta c k $ 2 f 3 6l i n ke v e n tr e p o r ta c k $ 2 f 3 8e n a b l e d i s a b l ee v e n tr e p o r ta c k $ 2 f 4 2r e m o t ec o m m a n da c k $ 5 f 4e n a b l e d i s a b l ea l a m aa c k ( $ 6 f 5m u l t i b l o c kd a t as e n d i n q u i r e $ 6 f 9f o r m a t t e dv a r i a b l es e n d s 6 f 1 1e v e n t r e p o r ts e n d ( s 6 f 1 2e v e n tr e p o r ta c k s 7 f 5p r o c e s s p r o g r a mr e q u e s t _