CIM因何被稱為晶圓代工廠的制造利器？

作者：豐寧

工業(yè)軟件之路，雖道阻且長，但行則將至。

8月8日，一則中芯國際將于北京新建的12英寸晶圓廠CIM（計算機集成制造）國產(chǎn)化項目于近期被迫暫停的消息將“CIM”推向輿論高峰，暫停原因是該項目技術承包方（上揚軟件）無法完成中芯國際的半導體CIM軟件國產(chǎn)化需求，最終導致項目暫停。

不過后來中芯國際與上揚軟件雙雙出來辟謠，中芯稱目前公司使用的各種生產(chǎn)運營軟件均正常運行；上揚軟件也表示仍然在為其進行軟件開發(fā)，由于疫情反復，項目由集中開發(fā)改為遠程開發(fā)，這樣的方式既能解決疫情對晶圓廠的影響，也能完成客戶的開發(fā)需求。

對此有人對CIM遠程開發(fā)表示質疑，認為開發(fā)與需求需要緊密耦合，遠程開發(fā)無法貼近實際操作；也有人表示CIM包含系統(tǒng)類別眾多上揚軟件無法包攬也不無可能。

種種猜測不禁引人深思CIM為何在半導體生產(chǎn)過程中如此重要？它又如何被稱為晶圓代工廠的生產(chǎn)利器？

什么是CIM？

CIM最早在1973年由約瑟夫.哈靈頓博士提出，當時他強調(diào)制造應該去除孤島式生產(chǎn)，包括產(chǎn)品全生命周期的各類活動，比如市場需求分析、產(chǎn)品概念模型設計、詳細設計、生產(chǎn)、支持（包括質量、銷售、采購、發(fā)送、售后服務）以及產(chǎn)品最后的報廢、環(huán)境處理等全流程活動。另外，制造過程不僅是一個單純的物料轉換過程，還包括一系列復雜的信息轉換，因此數(shù)據(jù)的收集、傳遞與分析更為重要。

隨著計算機軟硬件以及網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，CIM在半導體代工廠中的運用更為廣泛。

簡單來說，CIM是一個智能化的過程，通過各平臺對信息的收集、分析、決策，到二次分析、大數(shù)據(jù) model的預測性分析、給出決策意見都由系統(tǒng)完成，通過讓制造自動化、集成化、系統(tǒng)化來提高生產(chǎn)效率。拿最具代表性的12 英寸晶圓舉例：由于 12 英寸晶圓生產(chǎn)線采用單晶圓片、連續(xù)流生產(chǎn)方式且對于 12 英寸晶圓廠來說，每片晶圓的單價和成本相當高，任意一片報廢，損失都非常慘重。微塵作為影響硅片品質的最大因素，時時刻刻遍布人的全身，哪怕身穿潔凈服也很難避免。為了保證高效精確的晶圓生產(chǎn)，實現(xiàn)高度的自動化就顯得尤為重要。

另外，制造執(zhí)行系統(tǒng)需要與半導體設備進行整合，復雜的生產(chǎn)步驟、海量數(shù)據(jù)給半導體工廠的新產(chǎn)品和新制程導入、良率達標與改善、工廠產(chǎn)出效率改善帶來了極大的挑戰(zhàn)，所以除了制造設備之外，市場對于制造端的工業(yè)軟件需求逐漸凸顯，針對各個環(huán)節(jié)的工業(yè)軟件應運而生。

各司其職，各展其長

CIM由制造執(zhí)行管理系統(tǒng)MES、設備自動化系統(tǒng)EAP、良率管理系統(tǒng)YMS、先進過程控制系統(tǒng)APC等數(shù)十種軟件系統(tǒng)組成。各組成軟件通過特定的功能協(xié)同推動，使晶圓廠的生產(chǎn)制作更加便捷、高效。

MES（制造執(zhí)行管理系統(tǒng)）是多個模塊集中呈現(xiàn)的平臺。它將整個生產(chǎn)流程中的工單任務信息、PCB 生產(chǎn)信息、工藝程序核對、產(chǎn)品的各工站信息、工序聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)分析及報表、實時在線生產(chǎn)狀態(tài)等都進行了數(shù)字化、系統(tǒng)化管理。

優(yōu)點：在半導體制造過程中，從8英寸半自動化躍升到12英寸全自動化的技術跨越度非常大，對穩(wěn)定性、可靠性的要求提升太多。MES 系統(tǒng)的導入不僅能快速縮短產(chǎn)品 CT，提高產(chǎn)品質量和產(chǎn)量，而且能夠全面提高設備綜合效率，助力半導體企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)利潤和資源的利用率，為半導體生產(chǎn)企業(yè)向智能制造方向發(fā)展、實現(xiàn)數(shù)字化轉型升級打下夯實基礎。

EAP（設備自動化系統(tǒng)）是半導體制造廠整個生產(chǎn)線中與設備聯(lián)系最緊密的系統(tǒng)，它通過搜集所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)和機臺狀態(tài)數(shù)據(jù)，再經(jīng)由特定通訊協(xié)議傳送到 MES 數(shù)據(jù)庫，MES 再借由數(shù)據(jù)分析監(jiān)控設備和生產(chǎn)流程，實現(xiàn)了對生產(chǎn)線上的機臺的實時監(jiān)控。

優(yōu)點：幫助提高半導體工廠的生產(chǎn)效率，避免人工操作失誤，提供產(chǎn)品良率。

摩爾定律還未失效，先進制程不斷向前，監(jiān)控和提高良率所需的數(shù)據(jù)分析是一大挑戰(zhàn)，特別是當數(shù)據(jù)量隨著技術節(jié)點的縮減逐漸增大且變得多樣時。針對特定產(chǎn)品的設計、加工、測試交互使查找根本原因的方法變得更加復雜，讓工程師們更難清晰地理解良率限制因素的本質。良率提升已經(jīng)不單單是晶圓廠的挑戰(zhàn)。整個半導體產(chǎn)業(yè)都在重新審視這個問題，并引入更多有效的手段和工具。

YMS（良率管理系統(tǒng)）就是產(chǎn)物之一。YMS（良率管理系統(tǒng)）可以收集制造、測試以及設計不同場景和供應鏈各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)并進行大量運算與分析，輸出自動化報告，以根據(jù)需求定時提供標準的報表。

優(yōu)點：幫助半導體設計公司和晶圓廠的工程師大幅提升數(shù)據(jù)分析效率，在同樣時間內(nèi)進行更大量、更輕松的數(shù)據(jù)分析。

APC（先進過程控制系統(tǒng)）通過有效的監(jiān)控工藝過程與機臺，提高良率和總體設備效能。

在半導體工藝過程中，大多數(shù)半導體生產(chǎn)設備過程從控制的角度上可以看成是非線性過程，生產(chǎn)設備的控制參數(shù)會隨著時間發(fā)生漂移，在采用固定的控制方案下進行生產(chǎn)控制，往往會導致不同批次之間產(chǎn)品的質量差異較大。為了保證成品率及控制成本，先進過程控制技術被越來越多地應用于消除設備特性漂移帶來的影響。

優(yōu)點：APC可自動判斷該如何去操作一臺設備或是一組設備，或是整個廠的所有設備，以提高設備的利用率，讓工藝生產(chǎn)線具有可延伸性、靈活性和可伸縮性，延長使用周期，提高工藝設備的穩(wěn)定性，減少設備的停機維護時間。

SPC（統(tǒng)計過程控制系統(tǒng)）通過對生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)質量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和描圖，實現(xiàn)對工藝過程穩(wěn)定性的實時監(jiān)控和預測，從而達到發(fā)現(xiàn)異常、及時改進、減少波動、保證工藝過程穩(wěn)定、產(chǎn)品總體質量穩(wěn)定可靠的目的。

優(yōu)點：當前各類專用集成電路的需求猛增，而生產(chǎn)過程的復雜性帶來了大量的質量數(shù)據(jù)以及對這些數(shù)據(jù)及時分析的需要，僅依靠手工控制的方法是根本無法體現(xiàn)SPC技術的及時預警性。因此在實際的半導體晶圓制造廠中是利用計算機輔助SPC技術來實現(xiàn)質量控制的。

足以見得，工業(yè)軟件是泛半導體及集成電路產(chǎn)業(yè)智能制造的“靈魂”，是晶圓廠行云流水般高效運轉的“大腦和神經(jīng)網(wǎng)絡”。然而目前該領域的高端市場上有80%以上的份額被國外企業(yè)壟斷，也就是說這是一種絕對依賴。雖然國內(nèi)當前在高端光刻機自主研發(fā)上的呼聲越來越高，但是更亟需突破的或許還是工業(yè)設計軟件。

半導體CIM系統(tǒng)領跑企業(yè)

國際企業(yè)

IBM是全球CIM的領頭企業(yè)。1995年IBM借助自家晶圓廠和軟件開發(fā)上的實力推出POSEIDEN系統(tǒng)，又基于POSEIDEN系統(tǒng)發(fā)布SiView，隨后將SiView應用于自己的12英寸產(chǎn)線。

應用材料作為設備領域的龍頭，通過收購Brooks Software和Consilium構建起一個覆蓋PROMIS、FACTORYWORKS、FAB300、300WORKS等主流MES系統(tǒng)的產(chǎn)品線，之后采用“硬件（設備）+軟件”捆綁銷售的策略發(fā)展成為全球半導體MES霸主。

在半導體CIM領域，絕大部分12英寸晶圓廠系統(tǒng)都被IBM和應用材料所壟斷。不過最近兩年，在政策和資本的大力支持下，國產(chǎn)CIM系統(tǒng)企業(yè)也正在尋求技術突破。

國內(nèi)企業(yè)

上揚軟件成立于2001年3月，是國內(nèi)首批專門為半導體、光伏、LED等高科技制造業(yè)提供 CIM解決方案的供應商?，F(xiàn)已成為光伏行業(yè)組件廠和電池廠CIM供應商龍頭企業(yè)，市占率領先。目前已擁有4、5、6、8、12英寸半導體CIM整體解決方案。除了myCIM以外，還提供包括EAP、RMS、APC、FDC、RCM、MDM在內(nèi)的子系統(tǒng)。2019年，上揚軟件推出了新產(chǎn)品myCIM 4.0，填補了12英寸半導體MES系統(tǒng)國產(chǎn)化的空白（本次與中芯國際的合作也是圍繞12英寸）。同年國內(nèi)首個使用國產(chǎn)MES（即上揚軟件的myCIM）的8英寸量產(chǎn)線中芯紹興驗收成功，且月產(chǎn)能達到10萬片。

賽美特成立于2020年，目前是國內(nèi)首家可以提供整套滿足12英寸晶圓全自動化生產(chǎn)的智能制造軟件方案供應商，自研的純國產(chǎn)CIM系統(tǒng)平臺已在國內(nèi)8、12英寸晶圓量產(chǎn)廠得到了成功驗證。其中子產(chǎn)品MES、EAP、SPC等成熟標準化的系統(tǒng)已成功運用于國內(nèi)外超100家4、6、8、12英寸硅片前道和后道工廠；重點研發(fā)的RTD、YMS、APC、FDC系統(tǒng)也已運用在生產(chǎn)現(xiàn)場，進行驗證。6月底賽美特完成總額5.4億元的A++輪和B輪融資，本輪融資充實了賽美特的資金儲備，他們表示將繼續(xù)加大產(chǎn)品研發(fā)投入，全速打造國產(chǎn)全自動制造軟件解決方案。同時，選擇合適的團隊完成并購，整合完善產(chǎn)品矩陣以及拓展地域市場布局。

芯享科技成立于2018年，并且于最近兩年完成了A、A+輪融資。目前，芯享科技已形成滿足半導體工廠生產(chǎn)制造自動化所需的軟件矩陣，包括核心的 MES、EAP、RCM、FDC等，是中國領先的半導體晶圓制造、先進封裝廠生產(chǎn)自動化CIM系統(tǒng)解決方案服務商，也是目前國內(nèi)少數(shù)可以為8英寸、12英寸晶圓制造廠提供整體自動化咨詢與建設的高新技術企業(yè)，在半導體封測領域的數(shù)個技術方向上也打破了國際CIM廠商壟斷。

據(jù)悉，芯享科技已經(jīng)為合肥、武漢、杭州等地十余座12英寸晶圓工廠提供自動化生產(chǎn)所需的 CIM解決方案。同時在封測領域，芯享的客戶也覆蓋了國內(nèi)半導體行業(yè)Top10企業(yè)的三分之一。

結語

隨著社會的發(fā)展與我國自主創(chuàng)新能力的提高，對國產(chǎn)工業(yè)軟件引來了很大的需求量，CIM系統(tǒng)作為“制造環(huán)節(jié)的EDA”，而半導體行業(yè)作為科技產(chǎn)業(yè)的底層技術，對國家的重要性和戰(zhàn)略意義不言而喻。

不過晶圓廠的投資一般數(shù)以百億計，對配套系統(tǒng)的要求十分嚴格，礙于制造軟件垂直屬性強，技術壁壘高，客戶難免對國產(chǎn)軟件的企業(yè)心存擔憂。在全球都在追求產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的時間節(jié)點下，保質保量并加快生產(chǎn)步伐、保障晶圓廠的數(shù)據(jù)安全更是重中之重，練就過硬的技術才是立身之本。長遠來看，雖道阻且長，但行則將至。