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智能制造,是如何解决晶圆生产中的问题的?

时间:2019-08-13 作者:黄烨锋 阅读:
在聊到工业4.0、智慧工厂、智能制造、IIoT的时候,除了研讨会、论坛以及文字资料,实际真正重要的是“落地”,唯有落地才能真正解决生产问题。我们在听到很多有关工业4.0的美好规划时,又有多少内容是已经能够真正实现,应用到生产一线的?
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在聊到工业4.0、智慧工厂、智能制造、IIoT的时候,除了研讨会、论坛以及文字资料,实际真正重要的是“落地”,唯有落地才能真正解决生产问题。我们在听到很多有关工业4.0的美好规划时,又有多少内容是已经能够真正实现,应用到生产一线的?

BISTel 中国区销售总监Stanley Shi在接受我们的采访时,举了一个具体的例子:在半导体制造CVD(化学气象沉积)流程中,根据HMP(Health Monitoring & Prediction)的追踪数据,发现某晶圆厂在生产的4月18日出现异常高的报警数,很多晶圆受到了影响。“TDS”设备某节气阀确定发生位置偏移。

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而实际上,这个问题是有办法通过智能应用事先预知,或提前获取到异常信息的。BISTel HMP智能应用实际早在4月16日就侦测到了节气阀位置首次发生潜在漂移,这就给出了两天的提前量。

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实际在监测的其他参数方面,更早就有征兆显现:前序压力由于节气阀的位置偏移,4月8日就发现了“第一个不规则现象”,漂移趋势当时就开始上行。

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这个例子,即是HMP通过生产设备的监测,来提前发现参数偏移趋势,做到更早预知生产问题。对工厂而言,这种具体的应用是为了减少非计划性停机、提升资产利用率,并且降低维护成本,降低设备的downtime。类似HMP的这种已经落地的应用,简单说来就是对工厂内的设备设施,进行实时的监控、监测,并且进行预测性的分析;在工厂设备看板上,给出预警,算出资产设备寿命。这对生产的价值是不言自明的。

智能制造究竟长什么样?

工业4.0用比较抽象的话来概括,就是生产环节的“数字化”,改变工厂的运营方式,提高生产效率。通过“自动化”和“人工智能”实时地解决生产问题。实现这个目标的重要一环就是IIoT(Industrial Internet of Things),也就是工业生产设备都能够接入网络中,并且产生大量的数据。

Stanley说:“有了这样的新技术,就产生了海量的数据。人们才真正开始意识到数据是存在价值的。”在前不久Aspencore主办的“智”动化与工业4.0论坛苏州场的活动现场,Oracle就提到了智慧工厂的“数据范围”正在发生扩张,“现在的数据范围已经从传统的关节型数据,扩大到了设备端的万物互联,延伸到整个物联网,也就是大数据”。

所以将数据交给谁,还要在正确的时间和位置给出这些数据,最终让数据指导生产。都是实现智能制造的核心所在。实际上,云、大数据以及AI,都为解决这个问题而存在。尤其AI是用于海量数据分析的大趋势,将基于AI的实时监控与数据分析工具,连接到IIoT设备和平台。BISTel尝试解决的,主体上就是这个阶段的问题。

BISTel首席执行官W.K. Choi先前曾将工业4.0分成三部分,或者说三个阶段。前两者关乎IoT设备和工程系统(engineering system),这两者会与智能做融合,达到监测、分析、预测生产挑战的目的。而第三阶段,则是将智能融入到企业中去,构建完整互联的智能工厂生态系统,其中的IoT设备设施、工程与企业级系统都完整互联,实现大数据流、知识库的跨生态系统共享、管理和优化。

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第三阶段可以认为是智能制造未来方向的某种共识。不过这么说似乎还是有些虚,在理论层面说得更具体些:如Stanley所说,目前智能制造着力的还在前两个阶段,以BISTel的维度来划分,即智能应用和智能系统。这里的智能应用,也就是应对不同制造场景、部署在工厂中的具体应用,例如前文提到的HMP健康监测与预测维护,再比如应用了AI的DFD动态故障检测、CM新型腔室匹配等。

而智能系统则强调将所有的应用串联起来,构成检测、分析、预测的闭环结构,在闭环形成过程中,借由BISTel本身在智能制造方面的数据经验积累,外加工厂本身产生的数据,去强化闭环的每个环节,并最终做到“自适应”,应用和系统能够“自主地发现、分析和解决问题”。

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“所有的应用会共用一个知识库(knowledge base)。这个知识库里面会有所有的知识点、解决方案。当数据越来越多的时候,我们会去通过对接数据进行学习,然后自动去更新、优化。这就是我们所谓的AI自动建模,通过智能的积极学习去自动更新。”

其中这种“自适应”能力强调的是无需或较少人工干预的“自主控制&治愈”“IT与OT深度自动化整合”,自主地完成发现问题-学习问题-采取行动的过程,这属于前述第二阶段智能系统的进一步强化。实现这一步的关键,在BISTel看来自然就在人工智能了。而完整实现这个程度的自适应,还需要时间,也是BISTel乃至更多智能制造解决方案的方向。

根因分析、预测

除了智能应用和智能制造,“第三阶段就是我们后续的蓝图了。将我们的生态系统和工厂内部,所有的其他设备,其他的智能系统连接起来,通过设备乃至系统彼此间的沟通,真正实现自主解决问题。”Stanley说。在我们的理解中,也就是在整个工厂构成更大范围的不同系统、组织间的互通和智能。

Oracle实则也有着类似的蓝图。除了前文提到的“数据范围”的扩展,Oracle资深解决方案架构师Vicky Qiu在“智”动化与工业4.0论坛上还提到“企业现在都是互联的企业,不是孤立的,需要上下游生产商共同合作”。这个理念实际强调的,还将“互联”和“智能”的范围做了进一步的外延。

不过这些可能离我们还略显遥远。现阶段正在落实的,如HMP这样的应用讲究的是获取工厂和设备的追踪数据(tracedata),进行数据分析,并实现“根因分析”与“预测性分析”,实现决策支持。比如说工厂生产了“好的”晶圆,和良率不过关的晶圆,部署数十万传感器,针对数百道工艺步骤做数据追踪,借由AI针对这些数据做“追踪数据”分析,获得分级排序的根因结果,以及进行预测——对设备或生产做预测性维护、基于大数据分析即时优化工作参数、借由模型实现系统和供应商的优化等。

这么说还是太过抽象,Stanley在分享中举了几个例子。首先说一说这里的“根因分析”。

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通常在发现晶圆生产不良率高的问题以后,工程师们通常要花很长时间去找问题的根源。如果能够对工厂中的不良品进行归类,追踪这些不良品的所有参数、数据,经过系统分析后得出影响不良品的参数,再按照关联度大小对这些参数进行排序,在短期内找出问题根源,工厂的效率就会提升很多。

在图示的这一例遭遇的晶圆edge patch问题中,出现了6个最优关联度的参数(左下位置)。第一和第二个参数关联性最强,第一个参数是在Etch(蚀刻)这个流程的最后一步,电流发生显著激增;第二个参数,则是氦气值的明显降低。此处,etch流程的最后一步实际上也就是氦气分离,电流激增很可能是分离过程中,托盘与晶圆的边缘接触,产生了小范围的火花,所以这里托盘可能放置不平衡,托盘某些氦气口堵塞造成氦气值降低。这就是追踪数据在半导体制造中一个很好的例子。

BISTel中国区销售总监汪锋补充说:“一般制造行业发生不同的fault时,数据表现都是不一样的,像制造中unbalance轴承的数据曲线会是某一种表现方式,mis-alignment的时候数据又是另外一种表现。通过历史数据的不同表现方式,跟实际的fault,结合起来进行实时分析,系统就能初步判断这可能是什么样的问题。”

除了这种根因分析,借由追踪数据还能实现预测,包括预测维护、工作参数优化、系统/供应链动态优化。比如HMP实现的就是“预测维护(predictive maintenance)”。预测维护的价值在于提高维护效率,减少成本。

汪锋打了个比方:“比如你有一辆车,通常每5000英里需要保养一次,这是基于时间的维护(time-based maintenance),而预测维护则是condition-based,比如我可能会把发动机的转速或者温度数据等等,都结合起来,预测我下一次可能会出现什么问题。这种分析是实时的,可能会告诉你说现在汽车运转良好,一个月以后需要进行一次维护。”

Stanley表示:“固定一个时间,每隔一段时间做维护,可能会造成几个问题,第一是过度维护(over-maintenance),第二是可能我们想到要做维护的时候,问题就可能已经发生了。所以我们需要数据驱动的预测分析(data-driven preditive analysis),实时对关键参数做监测和分析,做到更准确的维护。”

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文首提到的案例就是典型的“预测性分析”,这里还是来看两个具体的例子。首先是RUL分析(Remaing Usage Life,剩余使用寿命),上图左侧是生产设备各种参数的实时监控,包括了压力、温度、振动等。根据所有的参数,分析漂移趋势,通过算法就能够了解到当前机器的健康值,并且预测设备寿命。

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除了设备健康分析,这类应用实则针对产品也是有分析预测价值的。根据这批晶圆的历史追踪数据,比如质量数据,实时分析在生产过程中每片晶圆所有流程的追踪数据。上图是一个质量看板,浅绿色表示正常且后续健康状况良好;深绿色表示现在是好的,但后续会有风险;黄色表示现在有风险,但短期内不会加剧…依此类推;甚至进行实时的质量分析,给产品健康状况预测打分。这些都是BISTel HMP的典型应用。

HMP解决方案的几个功能特性能够总结上面这些提到的智能制造的特性,包括工厂范围内的实时监控,错误检测,错误分类(Fault Classification,这个环节包含了设备问题的分析,减少排插、修复时间),以及最终的预测分析。“减少非计划停机,提升设备的资产利用率,维护成本降低,自然也就增加了产量。”Stanely说。

与此同时,通过AI来持续改善解决方案的质量,这是BISTel现在正在持续优化的方向。“数据很重要,因为我们需要具备know-how的能力,就是在发生问题时参数数据是什么样的。后续就能通过不断的学习去改善AI模型。”“目前我们的发展蓝图,是集中在人工智能的自我学习、自我完善方面。智能应用本身已经做得很完善了,下一步就是怎么让它去实现自主性,自主学习、自主扩大知识库、自主找出解决方案。”

协力中国制造

在HMP的基础设施部署方面,解决方案的数据库基础设施主体可以是在工厂本地,也可以是在云端。Stanley表示,当前BISTel的案例主要是基于微软Azure。“但未来我们也会跟其他的云合作,比如在中国的腾讯、阿里巴巴,我们未来可能都会合作。”

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实际上,HMP只是BISTel诸多智能应用中的其中一例,实则在监测、分析、预测三个环节都有不同的应用。比如前面提到应用于监测环节的DFD,应用于分析环节的CM,HMP在BISTel的智能系统中位处预测环节。这些应用的核心都在助力智能制造。

BISTel目前的业务支柱虽然仍是半导体和面板制造,但业务线已经扩展到了PCB、生物科技、汽车制造及各种非半导体相关领域。或许在整个制造行业也很难找到BISTel智能制造领域的同级竞争对手,汪锋说:“很多厂商都说要去做AI,但很少能看到有真正完整的产品,大家普遍在讲概念。我们在很多行业,已经做过这些预测的解决方案。比如在化工行业、汽车行业、半导体、液晶行业都有实际的案例。甚至包括像是传送设备相关的,底下的马达,通过马达振动来完成预测。”Stanley补充道:“换句话就是落地。”

将智能制造的AI和自动化方案“落地”,大概是BISTel的底气所在。一直以来,BISTel都认为其主要竞争对手实际是企业内部的自己解决方案。但与此同时,BISTel本身也会与制造企业一起,定制化打造共有的定制化解决方案。比如在应对中国制造2025计划时。

“中国制造2025计划,中国期望开发自己的AI技术,并且成为智能制造的No.1。许多中国企业都有自己的需求,想要建立自己的解决方案。所以我们会合作,根据客户需求,在我们产品的基础上,去实现一些产品的共有。”

“比如我们在跟BOE京东方合作,我们和整个京东方集团,基于大数据的下一代分析产品。这个就是基于我们产品的基础之上,我们共同做开发,通过合作去完成大家共有的产品,就是这种方式。”“我们愿意分享最新的技术,共同把中国的智能制造带到新高度。”

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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