台积电工厂管理专利探索.doc

台积电工厂管理专利探索IC制造厂商的技术竞争，已从制造层面演进至管理层面。以台湾集成电路制造股份有限公司，即大众简称的台积电为例，其率先将晶圆代工模式发扬光大(晶圆代工经营模式为日本人首创)，这几年面对IDM大厂于制程技术领先的压力下，不断努力提升自身的技术层次，终于得以逐步拉近彼此间技术能力的差距，而在这段技术追赶的过程中，台积电究竟还做了哪些事情，以使其仍保有制造成本降低的优势？这是值得我们深入探讨的课题。晶圆代工，顾名思义，就是制造出客户委托的IC产品。一般而言， 晶圆代工厂通常会遇到客户所委托生产的产品数量不大，而必须在一个工厂内同时制造多种IC产品的情形，而每种IC产品因其使用功能不同，所需的制程条件亦随之而异，加上IC产品制程通常需要经过数百个步骤，无形中提高制造管理上的困难度。面对如此艰难的挑战，台积电致力于管理层面的技术开发，以期能够降低管理成本，进而提升企业竞争力。因此，本文将由台积电于工厂管理的技术层面着手探讨之。首先，简述晶圆代工厂的制造流程；接着，检视台积电于工厂管理上，首开台湾先例之美国专利号第5,778,386、5,826,238、5,841,677号专利，冀望藉由上述三篇专利技术内容与保护范围的研究，一窥台积电在工厂管理专利上的开发情形。晶圆代工制造流程一般而言，当晶圆代工厂收到订单时，晶圆代工就必须立刻进行制造流程的设计与安排，而所需考虑的因素包括：订单产品的数量、产品出货时间、制造步骤与流程订定、预计产品试产（Pilot Run）时间、工厂产能提供状况、产品的急缓性、正式生产的时程管制等等。IC制造厂商如何安排芯片制造的优先次序，并对制造时程加以管制，以便于出货时间前顺利完成所有制程步骤并提高良率，需要经过缜密的考虑与精心的规划。请参阅图一所示之晶圆代工厂流程示意图。举例而言，当晶圆代工厂接获A公司委托制造一万片的a产品时，晶圆代工厂即会衡量自身能力及工厂所能提供的产能，来预估a产品试产所需的时间，并与A公司研商订定产品出货的时间。一旦出货时间敲定后，晶圆代工厂旋即安排试产的各项事宜，包括光罩的制作与确认等。由于同时工厂正进行其它产品的生产，为避免a产品的试产流程干扰到在线产品的生产进度，a产品的试产数量通常是非常的少，然而，a产品的优先权（Priority）却可于试产期间订定。当然，各产品的优先权会在正式生产的过程中，随着产品出货期限的远近而有所变动。一般而言，晶圆代工厂中的优先权乃依据每个产品中每批货的缓急与重要性而定，至少可分为三个等级，分别是Super Hot Lot、Hot Lot、Normal Lot。其中Super Hot Lot是指最紧急的货，当此类货到达时，机台必须净空以供其使用；Hot Lot则是指次紧急的货，具有优先使用机台的权力；Normal Lot则是指一般的货，需依其到达机台的先后顺序，来排队使用机台。图一：晶圆代工厂之流程式意图 (元勤科技整理)接着，当a产品试产成功之后（即a产品有了良率或是良率达到某一程度时，甚至是封装测试后没有问题时），a产品则会进行正式投片生产，其生产所需要的材料也会在此之前完成采购与铺设。一般而言，晶圆代工厂可分为扩散、薄膜、蚀刻、黄光、离子布值、平坦化与清洗等制程模块，而芯片的制造就在这些制程模块中重复进出来加以完成，而每个制程模块通常具有多台相同功能的机台，不同的芯片在进入相同的机台中所使用的制程配方则不一定相同。因此，如何安排芯片制造的优先次序，并对制造时程加以管制，以便于出货时间前顺利完成所有制程步骤并提高良率，则需要经过缜密的考虑与精心的规划。台积电工厂管理相关专利台积电针对工厂管理之相关技术领域，分别于1997年5月21提出工厂派工之方法及装置的美国专利申请案。如表一所示，此案随即于1998年11月24日核准20 项申请专利范围(Claims)，其中包含3个独立项(Independent Claims)；而第二项工厂管理专利于1996年4月2提出美国专利申请案，具优先级考虑之每日目标及机器产能配置的方法，本案亦于1998年10月20日获得30 项申请专利范围之核准，其中包含3个独立项；而台积电最后一篇美国专利案则于1996年5月28提出，名为半导体制造厂全面性存量管理系统，本案亦于1998年7月7日核准20 项申请专利范围，其中包含4个独立项。表一：台积电工厂管理相关专利对照表 (元勤科技整理)台 积 电 工 厂 管 理 相 关 专 利 美国专利号 发 明 名 称 发 明 人5,841,677 工厂派工之方法及装置 Yang, Terry H.Chu, Harry L.Method and apparatus for dispatching lots in a factory 5,826,238 具优先级考虑之每日目标及机器产能配置的方法 Chen, Wen-LinHuang, Sheng-RongHsu, Yi-Chin Daily target generation and machine allocation with priority 5,778,386 半导体制造厂全面性存量管理系统 Lin, Chin-MouLin, Chin-FuGlobal view storage management system for semiconductor manufacturing plants 由台积电所获准的三篇美国专利号之发明名称即可初步得知，这些专利均是为图一所示 ”正式生产” 之步骤所提出的管理方法或系统，其技术内容分别说明如下：l 工厂派工之方法及装置，(Method and apparatus for dispatching lots in a factory)，美国专利第5,841,677号 习知的半导体制造厂关于工厂内部作业的派工方法一直存在下列问题：当两批处于加工中的晶圆都要经过某一机台进行X制程时，第一批晶圆已完成前处理随时可进入X制程，而第二批晶圆因未完成前处理而必须在等待一段时间才可进入X制程，此时第一批晶圆是应该立刻进入X制程加工，还是等待第二批晶圆完成前处理后再一起进入X制程，才会使得X制程机台的使用最有效率？本发明即针对上述问题提出一种有关于生产半导体集成电路的派工（Lot Dispatching）方法，其中有n个待处理的工作( Work-in-progress, WIP)在等待下一制程，而有m个工作正在由前一制程处理中，而n、m为大于零的整数。本发明至少包含有下列步骤，并整理如图二所示：1. 决定下一制程之平均处理时间T以及平均工作数量a；2. 决定m个工作中之k个容许工作，其中n和k之和不大于下一制程之整批最大容量B；3. 决定一k个容许工作之容许等待时间，其中容许等待时间系相关于下一制程整批处理每一工作之平均时间；4. 当下一制程闲置下来且等待m个工作之时间大于上述决定之容许等待时间时，则分派n个工作至该下一制程。5. 当等待m个工作之时间不大于决定之容许等待时间时，则于m个工作抵达时，结合n个工作及k个容许工作于一整批过程，并分派至下一制程。因此，本发明克服先前技术必须仰赖人为操作之主观经验与判断所衍生的缺失，另行提出一种机台派工的改进方法，以监督制程流线中前后机台的工作状况，并配合X制程机台的平均处理时间T与每次平均工作数量a等参数，有效率地将工作安排于X制程机台中。图二：美国专利号第5,841,677号专利之流程示意图(元勤科技整理)l 具优先级考虑之每日目标及机器产能配置的方法，(Daily target generation and machine allocation with priority)，美国专利号第5,826,238号本专利发明的背景，因传统使用的每日目标产生系统是以相同的速率生产晶圆，既无法考虑每一批量的优先级，并且由于各个客户的需求不同，加上工厂机台有限，因此无法调配各站的生产速率。本发明乃建立一套包含数据库服务器及资源分配服务器的自动系统，本系统可以自动决定各批晶圆制造的优先次序，妥善安排每一部机器的运作状况，促进机器产能资源分配的优化，并达成所有站台最有效率的使用，以满足客户的需求。如图三所示，本发明包含下列步骤：1. 计算各站之每日生产目标；2. 等比例地分配机器产能至各站，并调整每日生产目标；3. 根据各站的生产上限调整每日生产目标；4. 找出剩余产能并分配剩余产能至各站；5. 检查每日生产目标是否收敛至设定值，并持续进行直到收敛为止。因此，根据本发明的配置方法可以使各生产站根据不同的优先权而有相对应的机器产能分配。再者，所定的每日生产目标可以自动地根据此优先权而作调整，进而提升工厂的产出效率并且以最智能型的生产方法达到客户需求。图三：美国专利号第5,826,238号专利之流程示意图 (元勤科技整理)l 半导体制造厂全面性存量管理系统(Global view storage management system for semiconductor manufacturing plants) 美国专利号第5,778,386号在半导体制造厂中，有许多控制因素是彼此矛盾的，例如，为了节省成本，应尽量降低材料存量，及避免生产机台闲置；然而，为了提升生产效率，却应提升材料存量，并且增购生产机台以避免机台故障而影响生产时程。因此，在制程细节间的运筹帷幄并充分掌握这些控制因素，发展一套完善的数据处理系统是必须的。全面性存量管理系统即设计用来管理制造程序的相关数据。其中该制造程序系用来规划某一特定工作，同时并藉由散布于不同位置并具有不同功能的工作站所执行。本发明包含有下列步骤：1. 读取位于容器(Containers)中工作批量之数据；2. 将该数据藉由查询引擎(Polling Engine)传送至数据库系统；3. 从数据库系统提供所搜集的资料给复数个工作站。因此，藉由全面性存量管理系统，不但可以使工厂制程更自动、更稳定、更有效率，也可以帮助操作员更快速的学习，以缩短其学习曲线，提高半导体制造厂的竞争力。结论综观上述台积电所申请的三篇美国专利案，有感于半导体制造业之龙头台积电，其于晶圆代工业所创造的领先优势，固然有一部分原因来自于其在技术上的开发。然而，更重要的即在于其工厂管理技术上的不