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仿真技术在半导体和集成电路生产流程优化中的应用 闵春燕(1) 王岩峰 博士(2) （1. 浙江大学应用数学系计算机图形图象研究所 杭州 310027 2. 刃之砺信息科技（上海）公司总经理 ） 摘要：半导体和集成电路制造是一个流程高度复杂，资金高度密集的加工过程。与其他产品的制造过程相比，半导体和集成电路制造的特殊性表现在产品工序的繁多，对设备的高利用率要求，和最特殊的是，“再进入”（Re-entry）的流程特点，也就是产品在加工过程中要多次返回到同一设备进行不同工序的加工。这种特殊的工艺流程特点决定了半导体集成电路工序中的排队优化选择策略比其他制造行业更为复杂，对生产效率和制造周期有更直接的影响。本文总结了当前研究较多的几个排队选择策略，通过EXTEND仿真软件对英特尔的一个微型晶圆试验台进行初步研究，来说明计算机仿真手段在半导体集成电路生产流程优化中的作用。 中图分类号：TN3 关键字：EXTEND软件包；仿真；半导体集成电路；制造工艺流程；排队策略；制造周期 一．半导体和集成电路制造流程的特点 如今，半导体（芯片或集成电路）越来越便宜，越来越普遍。然而集成电路（IC）的制造成本变得越来越高和工艺越来越复杂。随着在工厂和设备上的大量投资，要处理多重再进入（Multi-Reentrant）工艺流程以及IC技术加快更新换代的速度，使得生产IC的工厂是最复杂，资金最密集的生产环境之一。无数事实证明，生产效率是利润的关键。 半导体行业中有研究用平均制造周期（Mean Cycle Time）和理论制造周期（Sum of process time）之比（称作实际－理论率）来衡量二者的差距，发现这个比率在2.5倍和10倍之间波动，远远高于其他制造行业[3]。比率越大，越说明工艺处理流程的复杂和不确定。导致半导体制造流程生产效率波动的原因包括：产品工序的繁多，对设备的高利用率要求，和最特殊的是，“再进入”（Re-entry）的流程特点。此外，变动的质量带来的重新加工工序，产品的批处理，灵活性要求较高的产品转换，对制造周期的快速反应能力等等，都对半导体和集成电路行业的生产规划增加了难度。 对任何IC厂商，提高生产效率有三种方法：建立一个更有效的工厂，更新已有工厂或改变工厂的操作。包括英特尔，摩托罗拉在内的多家财富100强半导体生产商选择利用计算机仿真模型研究生产流程，指导他们重组生产操作。事实证明，许多晶圆制造厂（FAB）的制造周期缩短了20％－30％，生产效率得到了很大的提高[1]。 在改变晶圆生产运作之前，为了降低风险，对重大的改进进行模拟是很有必要的。不仅变化不能对现有生产产生巨大的影响，而且要有足够的数据证明变化应该是有效果的。半导体生产商意识到建立晶圆生产的动态仿真模型可以在不破坏现有操作的情况下提供可证实的结果。包括摩托罗拉在内的许多半导体厂商选择利用EXTEND仿真软件包来模拟生产线运作，产生了非常理想的效果。 通过计算机仿真，可以对以下问题进行深入研究： （1）多产品的混合组合对生产效率的影响； （2）在“再进入”（Re-entry)情况下的产品处理排序的选择； （3）生产瓶颈和生产设备使用率的分析； （4）原材料和在制品的释放速度对生产效率的影响； （5）生产需求，原料供给，设备使用，人员配置等的波动对生产效率的影响。 （6）生产资源配置的合理性分析； 二．EXTEND 仿真软件的特点和在半导体制造中的应用 EXTEND是由美国Imagine That公司开发的可对离散和连续时间系统仿真的高灵活性、高可扩展性，高性能价格比的优秀仿真平台。在半导体和集成电路制造领域，EXTEND也同样得到了广泛的应用，客户包括摩托罗拉，爱立信，诺基亚，国家半导体，德州设备等世界一流企业。它在半导体行业的适用性体现在以下方面： 由于EXTEND具有高度柔韧性和高度扩展性（可编程），所以可以根据任何流程和运营特点“量体裁衣”式设计模块，搭建模型。对半导体行业中的“再进入”（Re-entry）流程模式非常适用。 用EXTEND开放的代码体系和强大的编程工具，来模拟各种决策，包括产品混合比例，工艺排序，返工处理等等。特别是和EXCEL和数据库的接口，可以处理大量的数据。 三、EXTEND 仿真半导体生产流程建模案例 这个案例是用EXTEND仿真软件，建立半导体生产流程模型，并通过对一系列在制产品排序策略的考察，找到适用于流程特点的最优策略。 半导体晶圆制造中5个主要的加工过程是化学清洗，平面光刻，离子注入，金属沉积/氧化，等离子体/化学蚀刻。常常会有某些步骤被跳过、重复或者用不同顺序来完成。同一个晶圆能被某个特殊机器加工15到25次之多，而且每次加工处理所需的时间都可能不同。生