FMCS系統在FAB廠房中的應用

石貴春

（合肥長鑫集成電路有限責任公司，安徽合肥 241000）

FAB 廠房通常又稱晶圓廠房，而芯片制造是在FAB 廠房中利用硅晶圓作為低襯，并在硅晶圓上進行電路設計制造，最終成為芯片的一個過程。芯片制造是在超高潔凈度及溫濕度的環境下，同時伴隨大量物理、化學反應，整個生產加工工藝極其復雜。以移動終端中的高端動態存儲器芯片為例，整個生產過程從硅晶圓涂膜開始到最終功能實現需要200多道工序，同時需要60d 時間才能完成。

芯片制造首先將完好的硅晶圓投入產線，進行涂膜光刻膠，然后利用紫外光進行曝光，在光刻膠層形成電路圖案，隨后將晶圓浸入刻蝕藥劑中進行刻蝕，最后導入特定雜質完成摻雜和鍍膜，并不斷重復上述工藝過程，最終在晶圓表面沉積絕緣層來保護晶體管。如圖1所示。

圖1 芯片制造工藝流程

1 FAB廠房的特點

從上述工藝流程可以看出，芯片制造工藝技術要求苛刻，工序復雜。在整個制造過程中多次循環使用光照設備、刻蝕設備、離子注入設備、拋光設備等。以核心生產設備光刻機為例，為保持光刻機的生產精度，整個運輸過程中必須要保持23 ℃的恒溫狀態，同時對該設備的運行條件要求則更為苛刻，涉及溫度、濕度、潔凈度等。因此，為保障整個生產過程的不間斷及各關鍵設備的安全運行，還需要潔凈系統、超純水系統、特氣系統、化學系統、真空系統、研磨液系統等各子系統與其密切配合。總的來說FAB 廠房有如下特點和難點：

（1）建筑體量巨大，結構復雜，一般為多層單向流潔凈室，潔凈室多為大跨距重載荷桁架結構，對抗微震要求也極高。以12吋芯片廠房為例，單條生產線僅潔凈室面積可達上萬平方米，整座廠房建筑面積可達數十萬平方米。

（2）復雜的生產工藝對生產環境與各項公用動力和工藝動力系統要求極其嚴格。芯片生產區凈化空調系統潔凈度等級高，一般為4.5級到1級，同時環境的風量、溫度、濕度、壓差、照度、潔凈室截面風速等均需要嚴格受控。另外芯片生產對靜電要求極其嚴格，尤其對于濕度敏感，在過于干燥的FAB 廠房極易產生靜電，造成CMOS 損壞。一般來說，FAB廠房的溫度嚴格控制在22 ℃左右，相對濕度控制在50%～60%之間（特殊的潔凈區域有相關溫濕度規定）。潔凈室面積越大，處理難度也就越大。

（3）芯片生產制造過程中涉及到超純氮、氧、氬、氫、氦、二氧化碳等大宗氣體，各種類型的特殊氣體，化學品和超純水的供應，同時也需要對各種流體進行監測，確保其安全穩定供應。

（4）芯片生產制造同樣對電源的供應要求極其苛刻，生產中的任何電力供應中斷或異常電壓波動，都會造成大量原材料的報廢和設備的損壞，造成重大經濟損失和社會影響，同時打斷該行業的正常供應鏈，短期內無法恢復正常生產。

鑒于此，針對傳統的冶金、化工、建材、石油等重工行業，自動化控制系統一般都是各自為政，在每個車間配備專門一套PLC 或者DCS 便能滿足生產的需要，傳統的PLC 或者DCS 控制模式已無法滿足芯片生產復雜工藝以及各系統的現代化管理需求，于是FMCS 系統便應運而生，利用FMCS 系統便可以對工藝設備和各輔助系統的有關參數、狀態等實現過程控制、調節、記錄、報警。

2 FMCS系統簡介

FMCS（Facility Management Control System）是通過統一的通信接口和通信協議連接至相關系統和成套設備，以實現FAB 廠房的自動化控制功能，并將其關鍵數據整合到FMCS 系統中，實現在統一的平臺上進行監視與控制、故障報警和歷史數據存儲，降低了廠務運維成本及管理難度，有效提升了廠務管理水平。

3 FMCS系統的功能及組成

FMCS 系統在FAB 工廠中主要實現PLC 的控制功能和滿足其他子系統的接入。FMCS 系統主要包括監控工作站、系統數據服務器、網絡通信設備、現場PLC 控制柜、遠程I/O 柜、各類儀表、閥門等。

3.1 FMCS系統的功能

（1）PLC 控制功能。FMCS 系統可以對潔凈室、冷熱水系統、工藝真空系統、清掃真空系統、酸堿廢氣處理系統、有機廢氣處理系統、一般排風、工藝冷卻水等系統直接參與監控。

例如，潔凈室的潔凈度、溫度、濕度、壓力、新風量等，監控對象有空調新風機組、排風機組、洗滌塔、干盤管、FFU 等。冷凍水控制系統為空調、盤管、熱交換器等一系列設施提供冰水，主要監控對象為冷凍機、水泵、水溫、流量、管道壓力、閥門及其他設備。熱水控制系統對熱水系統監控主要涉及空壓機熱回收利用溫度控制和燃氣鍋爐的通信、水溫、水泵、熱水的壓力監控。

（2）其它子系統的接入。FMCS 系統還需要滿足電力監控SCADA 系統、消防系統、壓縮空氣系統、純水制備系統、廢水處理系統、大宗氣體系統、特氣系統、化學品供應系統、研磨液系統、特氣偵測系統等系統的接入。這些系統本身專業性比較強，并且有自己的控制方式，獨立成體系，FMCS 系統需要將其整合并納入管理范疇。

3.2 FMCS系統的組成

FMCS 系統在完成常規PLC 控制以外，需要整合眾多子系統，所以其本身具有穩定性強、數據吞吐量大、集成度高的特點，以實現傳統行業自動化控制到先進電子廠房自動化控制的提升。系統中的數據服務器、操作站和工程師站均通過一個高速以太網連接，通過以太網可以與下級LOCAL SCADA進行數據交換。工藝子系統如WWT，UPW，GAS，MEP，CHEMICAL，BGAS 也通過該以太網連接在一起，進行數據交換。控制工藝過程的各子系統設有LOCAL SCADA，通過標準的以太網接口可將LOCAL SCADA 連接到FMCS 數據服務器上。FMCS系統的控制層次結構大致可以分為4個層次：設備資料收集層、單元控制層、子系統管理層、集中管理層。

（1）設備資料收集層。設備資料收集層由傳感器、電動閥、變送器、馬達啟動器、控制閥、電磁閥、限位開關及其他驅動器等設備單元所構成，經由工業控制網絡上傳至單元控制層，其控制由單元控制層來完成。

（2）單元控制層。單元控制層包括可完成單元控制層操作的軟件和硬件，實現對設備資料收集層設備單元的數據采集，下發控制命令，監視現場控制情況的功能。單元控制層受子系統管理層的監督和管理。

（3）子系統管理層。子系統管理層包括各PLC控制子系統的現場SCADA 軟件和硬件，如潔凈室、冷熱水系統、工藝真空系統、清掃真空系統、酸堿廢氣處理系統、有機廢氣處理系統、一般排風、工藝冷卻水等，同時也包括其它各子系統，如電力監控SCADA 系統、消防系統、壓縮空氣系統、純水制備系統、廢水處理系統、大宗氣體系統、特氣系統、化學品供應系統、研磨液系統、特氣偵測系統等廠務系統的現場SCADA 軟件和硬件。所有這些子系統均要求在集中管理層進行監視。在這一層，通過現場SCADA 工作站可進行參數的設定和修改，可以監控最底層設備資料收集層的所有情況。

（4）集中管理層。集中管理層相當于人的大腦中樞，包括所有監控各子系統的用戶工作站及工程師站。各子系統將在集中管理層進行整合。在集中管理層可進行參數的設定和改變、人工干預及事件分析，可以監控所有設備在底層的工作運行情況，可進行執行報告、趨勢分析、系統配置及流量分配、能量消耗等管理，可生成底層執行情況的所有操作圖表和報告等。

3.3 網絡通信

FMCS 系統中專用控制的以太網負責PLC 與PLC 之間點對點的通信，同時也提供PLC 現場控制器與LOCAL SCADA 工作站之間的高速數據通信。FMCS 中的綜合管理總線負責以太網在LOCAL SCADA 工作站及打印機之間提供高速數據通信。PLC 與現場儀表之間的連接采用DB 總線。對于就地儀表，直接采集現場的控制參數和狀態。

4 FMCS系統的價值

FMCS 系統的價值主要體現在如下幾個方面：

（1）實現信息互通：FMCS 系統將原單一網絡整合為一個整體，實現了信息的互通有無，在集中控制室可以迅速了解底層任何設備的狀態及參數。

（2）提高管理績效：傳統的儀表控制系統是通過工廠操作管理人員人工對工廠的設備進行開關調節。采用FMCS 系統可以在中央控制室完成調節控制工作，也可以由計算機內部的軟件自動控制調節設備的參數及開關狀態，真正做到管理的自動化，大幅提高管理績效。

（3）降低運行維護的困難：FMCS 系統可以不斷地、及時地提供設備運行狀況的報表，集中收集、整理作為設備管理的決策的依據，實現了設備維護工作的自動化。報表包括歷史數據、動態趨勢、設備診斷等。

（4）降低運行及擴充成本：FMCS 系統的應用使設備在統一的管理下始終處于最佳運行狀態，按照設備的運行狀況制定維護保養報告，提示管理人員對設備進行維護、保養，避免超前或延誤維護、保養，相應延長設備使用壽命，避免突發性設備損壞。除此之外，FMCS 系統在建設初期已建立相關共同技術規范，設備型號及版本相互統一，有利于擴充計劃時成本的控制及設備的兼容。

（5）安全操作規范管理：FMCS 系統可以根據管理人員的不同職務，給予不同的操作權限，同時可賦予不同等級的密碼，在管理人員亮明身份密碼后，計算機便記錄下使用人員的相關信息，使整個操作過程更加安全和規范。

5 工程實例

某大型半導體芯片制造工廠，為12 吋生產線，潔凈室面積約為3萬m2，建筑面積約50萬m2。

FMCS 監控系統硬件設備包含：監控計算機、服務器、交換機、網絡機柜、電子顯示屏、拼接大屏、電力及消防指示流程版、實時對講系統、震波振動系統等。

FMCS 監控系統軟件設備包含：SCADA 圖控（iFix）系統、廠務E 化報表系統、SPC 警報統計管理系統、AMS 圖控報警簡訊同步發送功能、iFMCS點位新增功能、大屏矩陣切換軟件、電子顯示屏操作軟件、E 化手機巡檢系統、震波振動系統等。

FMCS 監控系統網絡架構由12臺聚合交換機與1臺核心交換機組成環網，其余接入交換機為星形連接方式接入到匯聚交換機，各子系統的網絡設備再接入到各處的接入交換機。

FMCS 監控系統中的各子系統的SCADA 所用驅動主要以SI7為主，少部分為S7A、IGS 和現場的西門子或歐姆龍PLC 進行通信。

依據以上硬件及軟件設施，建立一套可以整合全廠務各系統控制、監視的廠務監控系統，并具有可靠、易于操作和維護的特征，以便于廠務人員對各子系統的運作狀態可以充分掌握，各系統如有任何狀況，可由FMCS 系統資料存儲庫的歷史資料或報表數據，提供設備維修、故障排除和分析的解決方案。

FMCS 系統主要包括了一般空調系統、潔凈空調系統、空氣系統、真空系統、冷凍站系統、廢水系統、純水系統、大宗氣體系統、特氣系統、電力監控系統、漏液偵測系統、氣體檢測系統、化學品系統、排氣系統等，如圖2所示。

圖2 某工程FMCS系統系統架構

6 結語

芯片生產超高精度的復雜工藝以及對設備運行環境、生產原料純凈度等方面的嚴苛要求，均對FAB工廠的精細化管理提出了更高要求，傳統的自動化控制方式恐難以滿足FAB工廠的管理要求，而 FMCS系統解決方案是將FAB工廠各系統的底層監控資料利用Ethernet、控制器、通信設備等逐層整合至中央監控設備，形成全廠監控系統，便于互通全廠信息、提升整體管理績效、降低投資運行和擴充的成本，提高了安全操作規范管理，應得到廣泛推廣和應用。