半导体企业MES的设计与实现

李贺明，卫小松

LI He-ming1 , WEI Xiao-song2

（1.西安邮电大学 通信与信息工程学院，西安 710000；2.西安电子科技大学 微电子学院，西安 710126）

0 引言

半导体制造业是一个典型的技术密集型的科技制造行业，其过程是一个离散的制造生产过程。半导体光电子器件的生产过程具有产品中类多、周期短、多批次等特点。由于系统的特殊性，企业上层资源管理系统ERP（Enterprise Resources Planning）与底层工业生产控制系统PSC（Process Control System）存在信息交互不及时的问题，上层派发的信息在底层生产控制系统不能立即执行。生产工艺的复杂性和精确性，要求半导体制造业对生产过程需要实施更加精细化的管理。MES的出现，为企业提供了一个快速反应、精细化的生产制造环境[1]。

制造执行系统（Manufacturing Execution System）处于上层企业管理计划系统和底层工 业生产控制系统之间的执行层，主要作用于生产车间管理和执行调度管理。利用制造执行系统的集成性，控制包括人员调动、物料、设备、工艺流程、数据采集、订单管理等所有资源提高企业竞争力和生产力[2,3]。

1 半导体产业

半导体的生产制造技术复杂，产线长，结构专业化是典型的高新技术、资金密集型产业。半导体产业包括三个部分：1）半导体设计业；2）半导体制造业；3）半导体封测业。半导体的有一般制作流程如图1所示。

图1 半导体制作流程[4]

半导体制造是半导体产业中的关键，半导体制造就是在硅片上进行一系列的化学及物理加工，最后形成能完成一定电路性能的半导体电路层，即所谓的芯片。半导体产品种类多、工序流程复杂，且由于现代集成电路的出现，晶圆的尺寸要求越来越大、线宽却越来越小，所以对生产过程的精确性有很高的要求和挑战。半导体MES在半导体的生产应用中通过采集数据实时监控和管理生产现场。MES收集生产的实时数据，通过系统数据分析提供给底层的生产控制系统。

2 半导体MES的系统架构

本系统是西安某半导体设备公司的生产制造执行系统，系统分为三层，分别是表示层、业务逻辑层、数据访问层。其中表现层的主要功能模块采用PC端的C/S模式实现，一些特殊的模块如Track In/Track Out等采用Android端的C/S模式实现。业务逻辑层采用.Net开发并封装，在IIS服务器上以Web Service的方式暴露，后台数据层采用企业级的Oracle 10g数据库。系统结构图如图2所示。

图2 半导体制造执行系统结构

2.1 C/S结构模式

C/S结构模式由两部分组成即客户应用程序和数据库服务器程序。其优势是借用两端硬件配置环境，将任务合理分配到客户端以及服务器端来实现。在客户端主机将数据处理之后再提交给服务器端，可以减少服务器响应的时间。

本系统主要采用Windows Form作为界面开发技术。Windows Form是基于.Net Framework的新平台，用于微软窗体应用程序开发。除了采用微软窗体开发自带的控件之外，还引用全球最优秀第三方表现层控件Infragistics用于界面开发。Infragistics通过新一代表现层元素的使用，不仅可以应用于富客户端环境，还可以应用基于服务器的多客户端环境。

2.2 Web Service分布式技术

Web Service是一种构建应用程序的普遍模型，可以在任何支持网络通信的操作系统中运行,具有较强的平台无关性。Web Service完全基于XML（可扩展标记语言）、XSD（XML Schema）等独立于平台、独立于软件供应商的标准[5,6]。MES客户端利用Web Service技术同事件服务通信。

2.3 事件服务设计

Workflow（工作流）是对半导体加工生产线抽象后描述控制的重要手段。Workflow是用VB语言进行描述编写的，采用Com+技术同事件服务通信。Workflow中定义了很多对数据库操作的API，这些API与实际的半导体生产线很贴近。在执行Workflow时对数据库实时更新。

2.4 数据库访问技术

ADO.Net（Active Data Object.Net）是MES服务端访问数据库的主要技术。ADO.Net是一组面向对象的类库专门用于数据库的读取和操作，为开发人员提供了访问关系型、XML、程序数据的组件[7]。ADO.Net的核心组件是.Net Framework数据提供程序和DataSet数据集合，二者关系结构如图3所示。

图3 ADO.Net 技术结构图

数据提供程序可以从Oracle中读取数据和处理数据，实现MES服务端的查询服务和事件处理服务。DataSet数据集合是用于处理脱机数据，只访问内存不直接访问数据库，让数据库空闲去执行其他命令操作。当数据库连接后，将数据库中的数据读取出来保存在DataSet中存放在本地内存中，断开数据库连接，服务器端仍旧可以操作数据，这时对数据的操作不会影响到数据库中的相关数据。如果要及时更新数据库中数据，还需要重新连接数据库。

3 半导体MES主要功能

满足半导体生产车间的运行需求是决定一个半导体MES成功实施的标准，半导体MES的成功运行又依赖于系统中基本功能模块的实现。

半导体MES自动化解决方案根据用户角色的不同分为两部分，一部分是供生产线操作员操作的图形化界面（Operator Graphics User Interface，OGUI），另一部分是专门针对工艺工程师管理操作的图形化界面（Engineering Graphics User Interface，EGUI）。OGUI包括了用户基本的应用功能如在制品管理、机台设备管理、物料管理、看板等。EGUI 功能包括对用户角色设置、PRP（Process Plan）设定模块、工艺验证、类表维护以及OGUI功能模块管理的功能选项等等[8]。结合半导体生产过程的特点，提出如图4所示的半导体MES功能模块结构。

3.1 PRP设定模块

PRP设定模块是创建产品的生产工艺流程。本系统中芯片线的流程是四层抽象即Route（路径）—Layer（工序层）—Stage（工序段）—Operation（工序站）。首先创建工序站，每个工序站都都有自己的属性信息。根据产品工艺的要求，把一系列的工序站连接起来形成一个工序段，再把的工序端连接起来形成工序层，最后连接工序层组成一条完成的产品工艺路径。这种连接方式，可以提高工序层、工序段以及工序站的重用性。工艺路径结构如图5所示。

图4 半导体MES功能模块结构

图5 工艺路径结构

3.2 在制品管理模块

WIP（Wafer in Process）模块是半导体MES中非常重要的一个模块。WIP模块注重于生产执行。从生产订单的接收开始创建批次，到生产物料的投入以及产线中对批次的查询、批次扣留、物理分批、批次报废等，按照工艺工程师在PRP设定模块中创建的产品工艺流程，对应产品批次从开始站点一站一站的流动。

3.3 设备管理模块

设备管理模块主要是对生产线上机台设备以及子设备的监控管理。生产线上的操作员通过设备监控面板实时监测厂区各个区域机台的运行状态，及时维护并制定PM计划、设备检测计划等。

3.4 数据收集模块

EDC模块是采集集工艺生产线上的原始数据并进行处理分析，在相应的工序站上预先设定采集信息的参数规格以及超出规格范围执行的事件，系统会按照设定的参数进行检查、收集，如果系统中有异常会触发预先设定的事件，比如扣留批次等。

3.5 报表管理模块

报表模块主要是对存储的数据经过分析处理，以报表的方式呈现给相关工作人员。报表主要包括在制品分布报表、产品合格率以及报废率报表、设备故障率报表等。

4 系统企业应用

在某公司半导体生产线正式上线后，对于半导体制造实施有着明显的帮助，其优势在于MES对整个生产过程能够实时监测，对于实时状况能够及时向上层ERP报告，ERP将企业的实际生产作业计划的更加细致、精确。机台批次监控状态显示如图6所示。

图6 机台批次监控状态

5 结束语

半导体MES的应用，实现半导体企业车间的信息共享，将企业的实际生产车间与企业计划紧密的结合起来，提高了设备的利用率和企业生产车间的管理效率。本套半导体MES自动化解决方案还存在一些改进的地方，C/S的结构模式需要根据不同的操作系统要及时调整，且系统升级维护都会带来一定的困难[9]。将C/S模式与B/S模式结合起来是下一步半导体MES项目开发实施的重点。

[1]高雪雪.半导体制造业MES数据输入模块化的实例研究[J].东方企业文化,2011,22:186-188.

[2]郭栓银,王继帅,李超.半导体光电子器件制造业MES的应用与发展[J].科技风,2013,07:107-108.

[3]杜琳琳.面向离散型制造业的MES的研究与设计[J].工业控制计算机,2009,12:76-77.

[4]杨宏强.全球半导体产业现状分析[J].电子与封装,2014,10:43-48.

[5]徐莹,白玥,张建超,唐海林.MES中Web Service技术的应用[J].制造业自动化,2014,12:140-141.

[6]常大亮,张晓煜,彭慧,史海波.Web Service在MES数据传输中的应用[J].微计算机信息,2011,01:139-141.

[7]王晓斌,孙文磊,樊军,何丽.面向Web的分布式零件库集成系统设计与实现[J].制造业自动化,2015,11:73-75,86.

[8]耿凯鸽.MES 在半导体生产管理中的应用[J].物联网技术,2014,08:87-89.

[9]钟育彬.基于C/S和B/S模式的ERP系统的研究与实现[J].微计算机信息,2006,33:26-28.