作者:丰宁

 

工业软件之路,虽道阻且长,但行则将至。

 

8月8日,一则中芯国际将于北京新建的12英寸晶圆厂CIM(计算机集成制造)国产化项目于近期被迫暂停的消息将“CIM”推向舆论高峰,暂停原因是该项目技术承包方(上扬软件)无法完成中芯国际的半导体CIM软件国产化需求,最终导致项目暂停。

 

不过后来中芯国际与上扬软件双双出来辟谣,中芯称目前公司使用的各种生产运营软件均正常运行;上扬软件也表示仍然在为其进行软件开发,由于疫情反复,项目由集中开发改为远程开发,这样的方式既能解决疫情对晶圆厂的影响,也能完成客户的开发需求。

 

对此有人对CIM远程开发表示质疑,认为开发与需求需要紧密耦合,远程开发无法贴近实际操作;也有人表示CIM包含系统类别众多上扬软件无法包揽也不无可能。

 

种种猜测不禁引人深思CIM为何在半导体生产过程中如此重要?它又如何被称为晶圆代工厂的生产利器?

 

什么是CIM?

 

CIM最早在1973年由约瑟夫.哈灵顿博士提出,当时他强调制造应该去除孤岛式生产,包括产品全生命周期的各类活动,比如市场需求分析、产品概念模型设计、详细设计、生产、支持(包括质量、销售、采购、发送、售后服务)以及产品最后的报废、环境处理等全流程活动。另外,制造过程不仅是一个单纯的物料转换过程,还包括一系列复杂的信息转换,因此数据的收集、传递与分析更为重要。

 

随着计算机软硬件以及网络的不断发展,CIM在半导体代工厂中的运用更为广泛。

 

简单来说,CIM是一个智能化的过程,通过各平台对信息的收集、分析、决策,到二次分析、大数据 model的预测性分析、给出决策意见都由系统完成,通过让制造自动化、集成化、系统化来提高生产效率。拿最具代表性的12 英寸晶圆举例:由于 12 英寸晶圆生产线采用单晶圆片、连续流生产方式且对于 12 英寸晶圆厂来说,每片晶圆的单价和成本相当高,任意一片报废,损失都非常惨重。微尘作为影响硅片品质的最大因素,时时刻刻遍布人的全身,哪怕身穿洁净服也很难避免。为了保证高效精确的晶圆生产,实现高度的自动化就显得尤为重要。

 

另外,制造执行系统需要与半导体设备进行整合,复杂的生产步骤、海量数据给半导体工厂的新产品和新制程导入、良率达标与改善、工厂产出效率改善带来了极大的挑战,所以除了制造设备之外,市场对于制造端的工业软件需求逐渐凸显,针对各个环节的工业软件应运而生。

 

各司其职,各展其长

 

CIM由制造执行管理系统MES、设备自动化系统EAP、良率管理系统YMS、先进过程控制系统APC等数十种软件系统组成。各组成软件通过特定的功能协同推动,使晶圆厂的生产制作更加便捷、高效。

 

MES(制造执行管理系统)是多个模块集中呈现的平台。它将整个生产流程中的工单任务信息、PCB 生产信息、工艺程序核对、产品的各工站信息、工序联锁、数据分析及报表、实时在线生产状态等都进行了数字化、系统化管理。

 

优点:在半导体制造过程中,从8英寸半自动化跃升到12英寸全自动化的技术跨越度非常大,对稳定性、可靠性的要求提升太多。MES 系统的导入不仅能快速缩短产品 CT,提高产品质量和产量,而且能够全面提高设备综合效率,助力半导体企业降低生产成本,提高生产利润和资源的利用率,为半导体生产企业向智能制造方向发展、实现数字化转型升级打下夯实基础。

 

EAP(设备自动化系统)是半导体制造厂整个生产线中与设备联系最紧密的系统,它通过搜集所有生产数据和机台状态数据,再经由特定通讯协议传送到 MES 数据库,MES 再借由数据分析监控设备和生产流程,实现了对生产线上的机台的实时监控。

 

优点:帮助提高半导体工厂的生产效率,避免人工操作失误,提供产品良率。

 

摩尔定律还未失效,先进制程不断向前,监控和提高良率所需的数据分析是一大挑战,特别是当数据量随着技术节点的缩减逐渐增大且变得多样时。针对特定产品的设计、加工、测试交互使查找根本原因的方法变得更加复杂,让工程师们更难清晰地理解良率限制因素的本质。良率提升已经不单单是晶圆厂的挑战。整个半导体产业都在重新审视这个问题,并引入更多有效的手段和工具。

 

YMS(良率管理系统)就是产物之一。YMS(良率管理系统)可以收集制造、测试以及设计不同场景和供应链各环节的数据并进行大量运算与分析,输出自动化报告,以根据需求定时提供标准的报表。

 

优点:帮助半导体设计公司和晶圆厂的工程师大幅提升数据分析效率,在同样时间内进行更大量、更轻松的数据分析。

 

APC(先进过程控制系统)通过有效的监控工艺过程与机台,提高良率和总体设备效能。

 

在半导体工艺过程中,大多数半导体生产设备过程从控制的角度上可以看成是非线性过程,生产设备的控制参数会随着时间发生漂移,在采用固定的控制方案下进行生产控制,往往会导致不同批次之间产品的质量差异较大。为了保证成品率及控制成本,先进过程控制技术被越来越多地应用于消除设备特性漂移带来的影响。

 

优点:APC可自动判断该如何去操作一台设备或是一组设备,或是整个厂的所有设备,以提高设备的利用率,让工艺生产线具有可延伸性、灵活性和可伸缩性,延长使用周期,提高工艺设备的稳定性,减少设备的停机维护时间。

 

SPC(统计过程控制系统)通过对生产过程中的工艺参数质量数据进行统计分析和描图,实现对工艺过程稳定性的实时监控和预测,从而达到发现异常、及时改进、减少波动、保证工艺过程稳定、产品总体质量稳定可靠的目的。

 

优点:当前各类专用集成电路的需求猛增,而生产过程的复杂性带来了大量的质量数据以及对这些数据及时分析的需要,仅依靠手工控制的方法是根本无法体现SPC技术的及时预警性。因此在实际的半导体晶圆制造厂中是利用计算机辅助SPC技术来实现质量控制的。

 

足以见得,工业软件是泛半导体及集成电路产业智能制造的“灵魂”,是晶圆厂行云流水般高效运转的“大脑和神经网络”。然而目前该领域的高端市场上有80%以上的份额被国外企业垄断,也就是说这是一种绝对依赖。虽然国内当前在高端光刻机自主研发上的呼声越来越高,但是更亟需突破的或许还是工业设计软件。

 

半导体CIM系统领跑企业

 

国际企业

 

IBM是全球CIM的领头企业。1995年IBM借助自家晶圆厂和软件开发上的实力推出POSEIDEN系统,又基于POSEIDEN系统发布SiView,随后将SiView应用于自己的12英寸产线。

 

应用材料作为设备领域的龙头,通过收购Brooks Software和Consilium构建起一个覆盖PROMIS、FACTORYWORKS、FAB300、300WORKS等主流MES系统的产品线,之后采用“硬件(设备)+软件”捆绑销售的策略发展成为全球半导体MES霸主。

 

在半导体CIM领域,绝大部分12英寸晶圆厂系统都被IBM和应用材料所垄断。不过最近两年,在政策和资本的大力支持下,国产CIM系统企业也正在寻求技术突破。

 

国内企业

 

上扬软件成立于2001年3月,是国内首批专门为半导体、光伏、LED等高科技制造业提供 CIM解决方案的供应商。现已成为光伏行业组件厂和电池厂CIM供应商龙头企业,市占率领先。目前已拥有4、5、6、8、12英寸半导体CIM整体解决方案。除了myCIM以外,还提供包括EAP、RMS、APC、FDC、RCM、MDM在内的子系统。2019年,上扬软件推出了新产品myCIM 4.0,填补了12英寸半导体MES系统国产化的空白(本次与中芯国际的合作也是围绕12英寸)。同年国内首个使用国产MES(即上扬软件的myCIM)的8英寸量产线中芯绍兴验收成功,且月产能达到10万片。

 

赛美特成立于2020年,目前是国内首家可以提供整套满足12英寸晶圆全自动化生产的智能制造软件方案供应商,自研的纯国产CIM系统平台已在国内8、12英寸晶圆量产厂得到了成功验证。其中子产品MES、EAP、SPC等成熟标准化的系统已成功运用于国内外超100家4、6、8、12英寸硅片前道和后道工厂;重点研发的RTD、YMS、APC、FDC系统也已运用在生产现场,进行验证。6月底赛美特完成总额5.4亿元的A++轮和B轮融资,本轮融资充实了赛美特的资金储备,他们表示将继续加大产品研发投入,全速打造国产全自动制造软件解决方案。同时,选择合适的团队完成并购,整合完善产品矩阵以及拓展地域市场布局。

 

芯享科技成立于2018年,并且于最近两年完成了A、A+轮融资。目前,芯享科技已形成满足半导体工厂生产制造自动化所需的软件矩阵,包括核心的 MES、EAP、RCM、FDC等,是中国领先的半导体晶圆制造、先进封装厂生产自动化CIM系统解决方案服务商,也是目前国内少数可以为8英寸、12英寸晶圆制造厂提供整体自动化咨询与建设的高新技术企业,在半导体封测领域的数个技术方向上也打破了国际CIM厂商垄断。

 

据悉,芯享科技已经为合肥、武汉、杭州等地十余座12英寸晶圆工厂提供自动化生产所需的 CIM解决方案。同时在封测领域,芯享的客户也覆盖了国内半导体行业Top10企业的三分之一。

 

结语

 

随着社会的发展与我国自主创新能力的提高,对国产工业软件引来了很大的需求量,CIM系统作为“制造环节的EDA”,而半导体行业作为科技产业的底层技术,对国家的重要性和战略意义不言而喻。

 

不过晶圆厂的投资一般数以百亿计,对配套系统的要求十分严格,碍于制造软件垂直属性强,技术壁垒高,客户难免对国产软件的企业心存担忧。在全球都在追求产业链自主可控的时间节点下,保质保量并加快生产步伐、保障晶圆厂的数据安全更是重中之重,练就过硬的技术才是立身之本。长远来看,虽道阻且长,但行则将至。