半导体 CIM（计算机集成制造）系统

半导体CIM（Computer Integrated Manufacturing，计算机集成制造）系统是半导体制造的“神经中枢”，通过整合硬件设备、软件系统和数据流转，实现从订单到成品的全流程自动化、信息化和智能化管理。其工作流程高度贴合半导体制造的复杂性（多工序、高精度、高洁净度、长周期），可分为订单接收与计划制定、生产准备、生产执行、实时监控与质量管控、成品测试与出货、数据闭环与持续改进六大核心阶段。

一、CIM系统完整架构

五层体系结构

其中，企业层是战略决策中心，计划层是生产资源优化， 执行层是车间级实时控制， 设备层是底层设备互联，包含GEM协议、ATE设备、FOUP等硬件。

二、工作流程

1、订单接收与计划制定：从“需求”到“可执行计划”

半导体制造的起点是客户订单，CIM系统首先需将订单转化为可落地的生产计划，核心依赖与ERP、APS的协同。

1. 订单对接与需求分解

   • 客户订单通过ERP（企业资源计划） 系统传入CIM，包含产品型号、规格（如晶圆尺寸、制程节点）、数量、交付日期等信息。
   • CIM系统结合PLM（产品生命周期管理） 中的产品工艺数据包（如BOM物料清单、工艺流程（Recipe）、设计图纸），将订单分解为具体的生产批次（Lot）需求（每批次通常包含25/50片晶圆）。

2. 高级计划与排程（APS）

   • APS（高级计划与排程） 作为CIM的“计划大脑”，基于ERP的订单需求、PLM的工艺要求，结合实时产能数据（设备利用率、维护计划）、物料库存（通过SCM同步），制定详细的生产排程：
     • 确定每个Lot的生产路径（如“光刻→蚀刻→沉积→离子注入”等工序顺序）；
     • 分配各工序对应的设备（如光刻工序分配特定型号光刻机）；
     • 设定时间节点（如某Lot需在T+3天完成光刻工序）。
   • 排程结果同步至SFCS（车间制造执行系统），作为生产执行的基准。

2、生产准备：为“开工”备齐“人、机、料、法”

在正式生产前，CIM系统需协调资源，确保生产条件就绪，核心依赖PLM、SCM、AMHS的协同。

1. 工艺与参数准备

   • PLM 向CIM系统推送该产品的完整工艺文件：包括每道工序的参数标准（如温度、压力、时间）、设备要求（如某蚀刻工序需特定型号刻蚀机）、质量检测点（如光刻后CD尺寸检测）。
   • CIM系统将工艺参数转化为设备可识别的“Recipe”（工艺配方），预加载至对应设备的控制系统（通过GEM协议通信，见下文）。

2. 物料准备与调度

   • SCM（供应链管理） 确保原材料（如晶圆、光刻胶、靶材）按计划到货，并通过CIM系统同步库存数据（如晶圆的批次号、规格、供应商信息）。
   • AMHS（自动物料搬运系统） 基于SFCS的指令，通过OHT（轨道式自动搬运车） 将原材料（装载于FOUP（前开式晶圆盒） 中，保证洁净度）转运至指定存储区（如Stocker）或首道工序设备旁。
   • CIM系统为每个FOUP绑定唯一ID，实现全流程追溯。

3. 设备与工艺就绪

   • 设备控制系统通过GEM（通用设备模型） 协议与CIM系统通信，反馈设备状态（如空闲、维护中、故障）。
   • SFCS确认首道工序设备空闲后，向设备发送工艺Recipe（如光刻的曝光剂量、焦距参数），完成生产前准备。

3、生产执行：全工序自动化流转与数据采集

半导体生产包含数百道工序（如光刻、蚀刻、沉积、离子注入、CMP等），CIM系统通过SFCS主导Lot的全流程自动化流转，核心是“指令下发→设备加工→数据反馈→Lot转运”的循环。

1. 工单与工序分配

   • SFCS将生产计划分解为“工单”，为每个Lot生成唯一的“生产履历号”，并按APS排程将Lot分配至首道工序的设备（如光刻机）。
   • 操作员或AMHS将载有晶圆的FOUP挂载至设备Load Port（加载端口），设备通过GEM协议向SFCS发送“物料到位”信号。

2. 设备加工与数据采集

   • SFCS通过GEM协议向设备下发工艺参数（Recipe），设备启动加工（如光刻的涂胶、曝光、显影）。
   • 加工过程中，设备实时通过GEM协议向CIM系统上传“过程数据”（如温度、压力、时间、电机转速等），SFCS记录这些数据并关联至Lot的生产履历。
   • 工序完成后，设备发送“加工完成”信号，SFCS生成“工序报告”（如加工时间、关键参数值）。

3. Lot流转与下道工序调度

   • SFCS根据工艺流程自动判断下道工序（如光刻后流转至显影检查），并向AMHS发送转运指令。
   • AMHS的OHT根据SFCS的路径规划，将FOUP从当前设备转运至下道工序的设备旁，完成后向SFCS反馈“物料到位”，触发下一轮加工循环。
   • 整个过程无需人工干预，避免污染和人为误差。

4、实时监控与质量管控：全流程“防错”与异常处理

半导体制造对参数精度要求极高（如纳米级尺寸控制），CIM系统通过实时监控和质量管控确保生产合规性，核心依赖QMS、Dashboard和异常响应机制。

1. 实时数据监控

   • DS Dashboard（数据看板） 整合SFCS、QMS、设备系统的数据，实时显示关键指标：如Lot流转进度、设备利用率（OEE）、良率、异常数量等，供管理层和工程师监控。
   • QMS（质量管理系统） 预设各工序的“参数阈值”（如蚀刻深度公差），实时比对设备上传的过程数据，若超出阈值则触发“异常警报”（如声光报警、系统弹窗）。

2. 异常处理与追溯

   • 异常发生时（如参数超差、设备故障），SFCS自动暂停Lot流转，并通知工程师处理。
   • 工程师通过CIM系统调阅该Lot的历史数据（如前道工序参数、设备状态）和QMS的“质量标准”，判断异常原因（如设备校准偏差、原材料缺陷）。
   • 若需返工，SFCS重新规划Lot的流转路径（如返回蚀刻工序）；若报废，SFCS更新Lot状态并通知SCM处理物料。

3. 过程检验集成

   • 部分关键工序后需离线检验（如SEM检测线宽、膜厚仪测沉积厚度），检验设备将结果上传至QMS，QMS判断是否合格：合格则允许Lot进入下道工序，不合格则触发异常处理。

5、成品测试与出货：ATE设备的核心作用

晶圆完成所有制造工序后，需经过“晶圆测试（CP）”和“成品测试（FT）”，CIM系统整合ATE设备实现测试全流程管理，确保产品合格。

1. 晶圆测试（CP）

   • Lot流转至探针台（与ATE设备联动），SFCS向ATE下发“测试程序”（如电压、电流、频率参数）。
   • ATE（自动测试设备） 对晶圆上的每个芯片（Die）进行电学测试（如导通性、功能完整性），并将测试数据（如“合格Die坐标”“失效模式”）通过GEM协议上传至CIM系统。
   • QMS分析测试数据，计算“晶圆良率”，SFCS根据结果将合格Die标记为“可封装”，不合格Die标记为“报废”。

2. 封装与成品测试（FT）

   • 合格Die经封装（如塑封、引线键合）后形成“成品芯片”，流转至FT测试环节（ATE设备测试封装后芯片的性能、可靠性）。
   • ATE将FT测试数据上传至CIM系统，QMS判定是否符合客户规格（如工作温度范围、功耗），合格产品进入“成品库”。

3. 出货与物流

   • SFCS将合格成品信息同步至ERP，ERP生成“出货单”，并通过CRM（客户关系管理） 通知客户。
   • SCM协调物流（如洁净运输），确保成品按交付日期送达客户，CIM系统记录最终出货信息，完成生产闭环。

6、数据闭环与持续改进：基于数据的优化迭代

CIM系统收集的全流程数据（生产、质量、设备、物料）是半导体制造优化的核心依据，通过“数据汇总→分析→反馈→优化”形成闭环。

1. 数据汇总与存储

   • CIM系统将所有数据（Lot履历、设备参数、测试结果、异常记录等）存储至“制造数据仓库”，并关联PLM的工艺文件、ERP的订单信息，形成“全要素数据集”。

2. 数据分析与决策支持

   • 工程师通过Dashboard或专业工具（如良率分析系统）分析数据：如设备OEE低的原因（故障频发？换型时间长？）、某工序良率波动的根源（原材料批次？工艺参数漂移？）。
   • 分析结果反馈至APS（优化排程，如避开设备维护高峰）、PLM（更新工艺参数，如调整蚀刻时间）、QMS（优化质量阈值）。

3. 持续改进

   • 基于数据优化的结果，CIM系统更新生产规则（如SFCS的Lot调度逻辑）、设备参数（如通过GEM协议远程更新Recipe），最终实现产能提升、良率改善、成本降低。

三、概念详解

企业层

ERP（Enterprise Resource Planning，，企业资源计划）

1. 资源管理：整合人力、财务、库存等企业资源
2. 订单管理：从CRM接收订单并生成生产计划
3. 成本控制：实时核算制造成本并优化预算分配
4. 供应链协同：与SCM系统共享物料需求预测

• 典型案例：三星电子通过ERP系统实现全球7个生产基地的统一排产，库存周转率提升30%

SCM（Supply Chain Management，供应链管理）

1. 供应商管理：评估供应商绩效并优化采购策略
2. 物流跟踪：监控晶圆、化学品等物料的运输状态
3. 风险预警：提前识别关键物料（如光刻胶）的短缺风险
4. 产能规划：根据市场需求调整晶圆代工产能分配

• 技术亮点：应用区块链技术实现供应链数据不可篡改，如英特尔的晶圆供应链溯源系统

CRM（Customer Relationship Management）

1. 订单入口：接收客户订单并自动生成生产需求
2. 需求预测：分析历史订单数据预测市场趋势
3. 客户服务：跟踪产品交付状态并处理质量投诉
4. 定制化支持：管理客户特殊工艺要求（如汽车芯片的AEC-Q100标准）

• 典型应用：高通通过CRM系统实现5G芯片订单的快速响应，客户满意度提升至92%

计划层

APS（Advanced Planning and Scheduling）

• 位置：计划层核心系统
• 作用：
  1. 需求排程：根据ERP订单生成最优生产计划
  2. 资源优化：平衡设备产能与物料可用性
  3. 动态调整：实时响应设备故障、订单变更等突发情况
  4. 瓶颈分析：识别产能瓶颈并提出扩产建议
• 算法支持：采用遗传算法、约束理论（TOC）等优化排程，如中芯国际的APS系统使晶圆厂产能提升18%

PLM（Product Lifecycle Management）

• 位置：计划层与企业层的桥梁
• 作用：
  1. 研发管理：管理芯片设计文档、EDA工具数据及专利信息
  2. 工艺协同：与MES系统共享BOM（物料清单）和工艺路线
  3. 变更控制：跟踪设计变更对生产的影响（如掩膜版修改）
  4. 合规管理：确保产品符合RoHS、REACH等环保法规
• 技术实现：与Cadence、Synopsys等EDA工具集成，如台积电的3D IC设计协同平台

执行层

SFCS（Shop Floor Control System，车间制造控制系统）

• 位置：执行层核心系统，与MES紧密集成
• 作用：
  1. 实时监控：通过SCADA系统采集设备状态（OEE、停机时间）
  2. 生产调度：根据APS指令动态调整产线任务分配
  3. 异常处理：自动触发设备警报并调度维护人员
  4. 数据整合：汇总设备数据生成生产日报
• 典型应用：台积电的TOCS系统通过SFCS实现全厂设备稼动率提升至95%以上

AMHS（Automated Material Handling System，自动物料搬运系统）

• 位置：执行层关键子系统
• 作用：
  1. 物料运输：通过OHT、AGV等设备自动搬运FOUP
  2. 智能调度：根据生产计划优化运输路径
  3. 库存管理：控制Stocker中的晶圆存储量
  4. 环境控制：在洁净室中维持FOUP的温湿度稳定性
• 技术参数：OHT运输速度可达5m/s，AMHS系统整体效率影响晶圆厂30%的产能

设备层

GEM（Generic Equipment Model，，通用设备模型）

• 位置：设备层通信协议，基于SECS-II标准
• 作用：
  1. 设备互联：定义Host（如MES）与Equipment（如刻蚀机）的通信规范
  2. 指令交互：支持远程控制设备启动/停止、配方切换
  3. 数据采集：实时传输设备状态（如真空度、温度）
  4. 标准化接口：确保不同厂商设备的兼容性
• 技术实现：采用HSMS（E37）协议通过TCP/IP实现高速数据传输，典型应用于ASML光刻机与应用材料刻蚀机的协同作业

ATE设备（Automatic Test Equipment）

• 位置：位于制造流程的后端测试环节，属于设备层关键设备
• 作用：
  1. 功能验证：对晶圆或芯片进行电气性能测试，检测开路/短路等缺陷
  2. 参数校准：调整芯片工作电压、频率等参数至设计规格
  3. 数据采集：通过GEM协议实时上传测试数据至QMS系统
  4. 良率分析：生成测试报告供工艺部门优化制程参数
• 典型应用：在300mm晶圆厂中，ATE设备每小时可测试数万颗芯片，测试数据直接影响最终产品的出货质量

QMS（Quality Management System，质量管理系统）

• 位置：执行层与设备层的质量控制中枢
• 作用：
  1. 质量标准：定义检验流程及抽样方案
  2. 数据追溯：关联晶圆Lot号与测试数据（如ATE的CP测试结果）
  3. SPC控制：通过统计过程控制识别工艺波动
  4. 持续改进：生成8D报告推动质量改进项目
• 典型案例：SK海力士的QMS系统实现DRAM芯片良率提升至99.5%

物理层

FOUP（Front Opening Unified Pod，前开式晶圆盒）

• 位置：物理载体，贯穿整个制造流程
• 作用：
  1. 晶圆保护：在运输过程中防止颗粒污染
  2. 环境控制：维持内部洁净度Class 1级
  3. 数据载体：通过RFID芯片记录晶圆Lot信息
  4. 标准化接口：兼容所有主流设备的Loadport
• 技术发展：新一代FOUP采用碳化硅材料，重量减轻40%且抗静电性能提升

OHT（Overhead Hoist Transport）

• 位置：AMHS系统的核心运输工具
• 作用：
  1. 空中运输：在洁净室天花板轨道上搬运FOUP
  2. 高密度存储：支持UTS（Under-Track Storage）技术减少占地面积
  3. 精准对接：自动连接设备Loadport实现无人工干预
  4. 故障冗余：多台OHT协同工作确保运输连续性
• 典型应用：三星平泽晶圆厂的OHT系统实现每小时搬运2000个FOUP

四、典型应用场景

1. 智能工厂案例：台积电南京厂通过CIM系统实现：
   • 设备自动化率98%
   • 生产周期缩短25%
   • 人力成本降低60%
2. 质量追溯案例：美光通过QMS系统实现：
   • 缺陷定位时间从2小时缩短至10分钟
   • 客户投诉处理效率提升70%
3. 供应链协同案例：英特尔与ASML通过SCM系统实现：
   • 光刻机交付周期缩短30%
   • 紧急订单响应时间从7天缩短至24小时

五、技术发展趋势

1. AI融合：机器学习优化APS排程，预测设备故障
2. 数字孪生：构建虚拟晶圆厂模拟生产过程
3. 5G应用：实现设备远程控制与高清视频监控
4. 边缘计算：在设备端实时处理数据减少延迟

半导体CIM系统通过多层次架构和组件协同，实现了从设计到量产的无缝衔接，ATE设备作为测试环节的"质量守门员"，与其他系统共同构建了高可靠性、高效率的半导体制造体系。随着技术演进，CIM系统将向更智能、更柔性的方向发展，持续推动半导体产业的进步。

附录

（一）基础通信协议

1. SECS（Semiconductor Equipment Communication Standard，半导体设备通信标准）
   • 体系结构：
     • SECS-I（物理层）：定义RS232/HSMS通信接口，支持9600bps至100Mbps速率
     • SECS-II（应用层）：采用SML（SECS Markup Language）格式封装数据，如设备状态消息格式为<L(2)<B(1)0x00><L(0)>>
   • 应用场景：ASML光刻机通过SECS协议接收MES的Recipe参数，同步曝光剂量调整指令

（二）设备自动化系统

2. EAP（Equipment Automation Protocol，设备自动化协议）
   • 功能模块：
     • 配方管理（RMS）：自动加载设备参数，亚控EAP平台实现配方校验准确率100%
     • 远程控制：支持设备启停、参数修改等操作，台积电EAP系统减少80%手动干预
   • 技术实现：基于EtherCAT协议，实现微秒级数据交互，格创东智EAP响应时间<50ms

（三）仓储与物流延伸

3. WMS（Warehouse Management System，仓储管理系统）
   • 半导体专用功能：
     • 洁净度管控：通过粒子计数器实时监测，超标时自动锁定区域门禁（如ISO 6级洁净度要求）
     • 危化品管理：光刻胶柜集成称重传感器，开封后自动启动保质期倒计时
   • 案例：金瑞泓WMS系统通过RFID标签追踪晶圆盒，库存准确率提升至99.98%

（四）高级过程控制

4. APC（Advanced Process Control，先进过程控制）
   • 技术原理：
     • 模型预测控制（MPC）：基于历史数据建立工艺模型，动态调整蚀刻深度等参数，台积电APC系统提升良率2.3%
     • 反馈校正：实时比对OES（光学发射光谱）数据，应用材料刻蚀机实现纳米级精度控制

（五）质量与维护系统

5. FDC（Fault Detection and Classification，故障检测与分类）

   • 实施路径：
     • 特征提取：分析设备振动、电流等参数，识别潜在故障（如光刻机激光源衰减）
     • 分类决策：基于SVM算法自动区分“需停机维护”与“可继续运行”状态，中芯国际FDC误报率<0.5%

6. EMS（Equipment Maintenance System，设备维护系统）

   • 智能维护：
     • 预测性维护：通过振动传感器数据训练LSTM模型，预测真空泵故障，维护周期延长30%
     • 知识库管理：存储设备历史故障案例，工程师移动端可查询解决方案

（六）数据与决策支持

7. DS Dashboard（Data Dashboard，数据仪表盘）
   • 可视化技术：
     • 实时看板：整合OEE、良率、在制品数量等指标，台积电中控室大屏刷新率达1秒/次
     • 异常预警：采用颜色编码（红/黄/绿）显示设备状态，三星某厂异常响应时间缩短至2分钟