[关键词]CONWIP半导体生产线控制策略建模
一、引言
对于制造型企业来说,提高企业竞争力的可以通过降低在制品库存量、缩短交货期、改善优化生产流程,提高生产线的柔性等方法进行解决。
从物料在生产线上的流动控制来看,可分为推式(push)和拉式(pull)。推式生产控制系统以物料需求计划(MRPⅠ)和制造资源计划(MRPⅡ)为代表;拉式生产系统以看板(Kanban)系统为代表。
随着IT产业的迅速发展,半导体生产线引起了人们的关注。半导体晶元制造系统一个循环重入的过程,机器种类多、成品率波动大,制造流程复杂且重入度高,相似的步骤顺序要重复20～30次,每次重复叫做一层,不同层或不同器件的加工流程需要竞争使用生产资源。如何结合半导体生产线的特点,设计一种生产控制策略,提高半导体生产的良品率,降低平均生产周期,是一个有重要研究价值的问题。
二、半导体制造行业的CONWIP供应链
1.半导体供应链结构
半导体产业供应链的结构具体可以细分成以下部分:IC设计公司、原材料供应商、晶圆制造厂、针测厂、晶圆测试厂、封装厂、晶片测试厂和装配(最终客户)。在该供应链上,从IC设计开始,经过链中不同企业的制造加工、测试、组装等过程,最终满足用户的需求。其各个节点企业的主要任务(功能)如下:
IC设计公司。它位于半导体供应链最上游,是整个供应链体系的驱动者。负责设计半导体产品的功能与结构。个性化需求使得IC设计公司必须切实掌握顾客的订单需求。
原材料供应商。半导体供应链的源头,提供生产所需的原材料。包括晶圆及各种试剂等。
晶圆制造厂。其生产线的运作是一个复杂的离散过程,同时也是一个多重入的生产过程,相似的步骤顺序要重复20～30,每次重复或不同器件的加工流程需要竞争使用一些生产资源。最后,硅芯片上的晶体管通过各种复杂繁琐的制造过程连接起来形成所需回路,这一过程可能包含300多个单独的制造步骤。
针测厂。晶圆制造完成后,被切割成单个电路,即晶粒。主要任务是对晶圆进行分类。
晶圆测试厂。通过测试的晶圆进入封装阶段。晶圆测试与封装是紧密相关的生产环节。
封装厂。在封装厂完成了晶圆的封装。晶片测试厂。对于不符合条件的将处理掉。
最终客户。通过最终测试的晶圆即可运送至客户,或按照需求将其装配成某一组件。
2.半导体供应链存在的问题
目前中国半导体制造企业存在问题中最为显著的是存货与晶粒库存水平过高引起的成本负担,由于市场需求的变动较大,存货作为缓冲池的功能,能够用以面对突变的市场运作,但是过高的库存将占用大量的流动资金,耗费大量的人力物力财力,而过低的库存却会影响到整个供应链的顾客服务水平,损害了企业的形象,流失顾客造成经济损失。因此本文将应用CONWIP库存控制理论来进行半导体供应链在制品库存控制,优化半导体供应链。
三、半导体制造行业CONWIP供应链建模型
首先,将该供应链的各节点进行整合,整合后可分为以下四个部分(阶段):IC设计和原材料供应、晶圆制造及分类(针测)、晶圆测试与封装、晶片测试和装配。其次,在不同的阶段采用不同的控制策略,将“推”式模型的效率性和“拉”式模型的灵活性结合起来为。最后,建立一定的评价指标对供应链的优化结果进行评价。
1.假设
在建立半导体产业的CONWIP/PUSH供应链数学模型前,有必要做如下假设:
(1)将所研究的供应链划分为四个环节:IC设计及原材料生产(准备);晶圆制造及分类(针测);晶圆测试及封装;晶片测试及装配。(2)IC设计能力远大于晶圆制造厂的产能。(3)供应链上各企业节点处的安全库存量ss各不相同,且供货提前期LT也不相同。(4)存在缺货现象(即无法及时满足订单需求)。(5)原材料的供应能力无限制。(6)不考虑供应链各节点间的运输延迟。
2.模型
根据CONWIP、PUSH等控制模型的原理以及以上假设,对半导体产业供应链结构进行优化――建立CONWIP/PUSH供应链管理模式。如下图:
(1)各节点企业上零部件的库存量
(1)
(2)
(3)
(4)
其中,表示在t时刻能供应装配的晶圆片数量,其计算公式为
(5)
表示t时刻,半导体的总需求量,其计算公式为
(6)
表示在t时刻可能积压的顾客订单数量。
(7)
而各节点企业在t时刻的生产量如下:
(8)
(9)
又假设条件(2)、(5)可知:(10)
(2)可能的缺货量
在供应链的各节点处可能存在缺货(除第一阶段),则第2、3阶段的可能缺货数量为:
(11)
(12)
3.评价指标
多少的库存量才算是最佳(合理)的呢?下面给出判断依据TI。
TI表示在整个供应链上的各节点达到稳定时的平均在制品数量,TI很小时,表明该供应链的有效性好,反之则差。计算公式如下:
(13)
注:各个节点处的库存设置不同的权重,
然而,在降低整条供应链的库存水平时,可能会出现订单的积压甚至订单的丢失,因此可以用平均积压的订单数量来衡量该供应链的顾客服务水平,其计算公式如下:
(14)
由公式(13)、(14)可知:TI与出现不一致,当TI减小时,将增大;当TI增大时,则减小。因而可以根据实际情况来调整供应链上的TI与以达到两者的均衡。也可以通过调整来优化整条供应链。
四、结束语
本文通过分析生产系统中的CONWIP生产控制模式的基本思想及其实现过程,并将其运用到半导体制造行业的供应链中。在对半导体制造多重入特点以及供应链运作特点的分析基础上,提出了一种改进的半导体供应链库存管理模式――供应链环境下的CONWIP生产控制策略,并建立了数学模型,并进行模型分析和验证。该模式为半导体制造系统提出一个全面而整理的生产调度策略,在理论上能降低整条供应链的库存、提高顾客服务水平,可以指导半导体行业优化库存管理。
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在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅和金刚石等称为第三代半导体材料。本文介绍了三代半导体的性质比较、应用领域、国内外产业化现状和进展情况等。
关键词
半导体材料;多晶硅;单晶硅;砷化镓;氮化镓
1前言
半导体材料是指电阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料[1]，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息产业规模最大的是美国和日本，其2002年的销售收入分别为3189亿美元和2320亿美元[2]。近几年来，我国电子信息产品以举世瞩目的速度发展，2002年销售收入以1.4亿人民币居全球第3位，比上年增长20，产业规模是1997年的2.5倍，居国内各工业部门首位[3]。半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。
半导体材料的种类繁多，按化学组成分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体;按组成元素分为一元、二元、三元、多元等;按晶态可分为多晶、单晶和非晶;按应用方式可分为体材料和薄膜材料。大部分半导体材料单晶制片后直接用于制造半导体材料，这些称为“体材料”;相对应的“薄膜材料”是在半导体材料或其它材料的衬底上生长的，具有显著减少“体材料”难以解决的固熔体偏析问题、提高纯度和晶体完整性、生长异质结，能用于制造三维电路等优点。许多新型半导体器件是在薄膜上制成的，制备薄膜的技术也在不断发展。薄膜材料有同质外延薄膜、异质外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。
在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料[4]。上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介绍。
2主要半导体材料性质及应用
材料的物理性质是产品应用的基础，表1列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况[5]。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大发射光波长越短蓝光发射;禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。
硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点，处在成熟的发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95以上的半导体器件和99以上的集成电路ic是用硅材料制作的。在21世纪，可以预见它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。
砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。
gan材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很大进展，并开始进入市场。与制造技术非常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相比，第三代半导体材料目前面临的最主要挑战是发展适合gan薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的gan体单晶生长工艺。
主要半导体材料的用途如表2所示。可以预见以硅材料为主体、gaas半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。
3半导体材料的产业现状
3.1半导体硅材料
3.1.1多晶硅
多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。目前全世界每年消耗约18000t25000t半导体级多晶硅。2001年全球多晶硅产能为23900t，生产高度集中于美、日、德3国。美国先进硅公司和哈姆洛克公司产能均达6000t/a，德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过3000t/a，日本三菱高纯硅公司、美国memc公司和三菱多晶硅公司产能超过1000t/a，绝大多数世界市场由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求为22000t，达到峰值，随后全球半导体市场滑坡;2001年多晶硅实际产量为17900t，为产能的75左右。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。
我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据专家预测，2005年国内多晶硅年需求量约为756t，2010年为1302t。
峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各项经济技术指标，使我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权。该厂正在积极进行1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂拟将多晶硅产量扩建至300t/a，目前处在可行性研究阶段。
3.1.2单晶硅
生产单晶硅的工艺主要采用直拉法cz、磁场直拉法mcz、区熔法fz以及双坩锅拉晶法。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难插手其中。
目前国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是日本信越化学公司、德瓦克化学公司、日本住友金属公司、美国memc公司和日本三菱材料公司。这5家公司2000年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的70.9，其中的3家日本公司占据了市场份额的46.1，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位[8]。
集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求详见文献[8]，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐渐过渡到12英寸晶片，研制水平达到16英寸。
我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，主要产品为6英寸以下，8英寸少量生产，12英寸开始研制。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，我国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4。单晶硅产量为584t，抛光片产量5183万平方英寸，主要规格为3英寸6英寸，6英寸正片已供应集成电路企业，8英寸主要用作陪片。单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额的42.6，较2000年增长了5.3[7]。目前，国外8英寸ic生产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的f8英寸ic生产线有近10条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显不足，基本依赖进口，我国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和ic技术面临着巨大的机遇和挑战。
我国硅晶片生产企业主要有北京有研硅股、浙大海纳公司、洛阳单晶硅厂、上海晶华电子、浙江硅峰电子公司和河北宁晋单晶硅基地等。有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位，先后研制出我国第一根6英寸、8英寸和12英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40。2000年建成国内第一条可满足0.25μm线宽集成电路要求的8英寸硅单晶抛光片生产线;在北京市林河工业开发区建设了区熔硅单晶生产基地，一期工程计划投资1.8亿元，年产25t区熔硅和40t重掺砷硅单晶，计划2003年6月底完工;同时承担了投资达1.25亿元的863项目重中之重课题“12英寸硅单晶抛光片的研制”。浙大海纳主要从事单晶硅、半导体器件的开发、制造及自动化控制系统和仪器仪表开发，近几年实现了高成长性的高速发展。
3.2砷化镓材料
用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的lec法液封直拉法和hb法水平舟生产法。国外开发了兼具以上2种方法优点的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸气压控制直拉法，成功制备出4英寸6英寸大直径gaas单晶。各种方法比较详见表3。
移动电话用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以30的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。日本是最大的生产国和输出国，占世界市场的7080;美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上领先一步。日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商，年产gaas单晶30t。美国axt公司是世界最大的vgf
gaas材料生产商[8]。世界gaas单晶主要生产商情况见表4。国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主，而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到8英寸。
我国gaas材料单晶以2英寸3英寸为主，
4英寸处在产业化前期，研制水平达6英寸。目前4英寸以上晶片及集成电路gaas晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然我国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料6n以下纯度，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7n，基本靠进口解决。
国内gaas材料主要生产单位为中科镓英、有研硅股、信息产业部46所、55所等。主要竞争对手来自国外。中科镓英2001年起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4英寸6英寸砷化镓单晶晶片5万片8万片，4英寸6英寸分子束外延砷化镓基材料2万片3万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售gaas晶片8万片。我国在努力缩小gaas技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展我国的砷化镓产业。
3.3氮化镓材料
gan半导体材料的商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但gan的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于gan半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。
2000年9月美国kyma公司利用aln作衬底，开发出2英寸和4英寸gan新工艺;2001年1月美国nitronex公司在4英寸硅衬底上制造gan基晶体管获得成功;2001年8月台湾powdec公司宣布将规模生产4英寸gan外延晶片。gan基器件和产品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞利浦、整理等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用gan基led发光二极管产品。涉足gan基电子器件开发最为活跃的企业包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。
目前，日本、美国等国家纷纷进行应用于照明gan基白光led的产业开发，计划于2015年-2023年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美国市场调研公司strstegiesunlimited分析数据，2001年世界gan器件市场接近7亿美元，还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009年世界gan器件市场将达到48亿美元的销售额。
因gan材料尚处于产业初期，我国与世界先进水平差距相对较小。深圳方大集团在国家“超级863计划”项目支持下，2001年与中科院半导体等单位合作，首期投资8千万元进行gan基蓝光led产业化工作，率先在我国实现氮化镓基材料产业化并成功投放市场。方大公司已批量生产出高性能gan芯片，用于封装成蓝、绿、紫、白光led，成为我国第一家具有规模化研究、开发和生产氮化镓基半导体系列产品、并拥有自主知识产权的企业。中科院半导体所自主开发的gan激光器2英寸外延片生产设备，打破了国外关键设备部件的封锁。我国应对大尺寸gan生长技术、器件及设备继续研究，争取在gan等第三代半导体产业中占据一定市场份额和地位。
4结语
不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将走向极限，第二代和第三代半导体技术和产业将成为研究和发展的重点。我国政府决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接挑战。
参考文献
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