Применение радиочастотной идентификации в автоматизированной системе управления производственными процессами компании IBM

Завод компании IBM по производству микросхем находится в Восточном Фишкиле, городе с населением 26 тысяч человек, расположенном в 70 милях к северу от Нью-Йорка. Трудно себе представить, что в этой патриархальной американской глубинке 24 часа в сутки 7 дней в неделю работает одно из самых высокотехнологичных производств в мире. Завод компании IBM занимает территорию 416 га и насчитывает 60 различных зданий и сооружений.

Корпус B323 ничем не выделяется на общем фоне. Тем не менее это уникальный производственный комплекс. Именно здесь (рис. 1) IBM изготавливает микросхемы по самой современной технологии, на основе 300-мм кремниевых подложек.

В дальнейшем микросхемы применяются в различных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, игровые приставки и т. п.

Полупроводниковая промышленность последовательно двигалась от использования 125-мм подложек к 200-мм, а затем и к подложкам диаметром 300 мм (рис. 2). Большие по размеру подложки дают на выходе большее количество микросхем. В самом начале 1990-х компания IBM использовала для производства микросхем подложки диаметром 125 мм. Впоследствии, столкнувшись со значительным уменьшением спроса на готовые изделия и понимая, что только конкурентоспособная продукция будет востребована на стремительно развивающемся рынке электроники, IBM приняла решение полностью модернизировать производство. Вложив в реконструкцию и технологическое переоснащение завода $2,5 млрд, к середине 2002 года компания вновь приступила к производству высокотехнологичной продукции.

Сегодня завод в Восточном Фишкиле выпускает сотни миллионов заказных микросхем в год из 300-мм кремниевых пластин.

По мере увеличения размера пластин, производственный процесс изготовления микросхем усложняется. Прежде чем исходная подложка будет нарезана на микросхемы, она проходит более 600 технологических операций, таких как легирование, литография, травление, имплантирование, шлифование, и множество других.

В процессе производства микросхем предъявляются чрезвычайный требования ко всем промежуточным операциям. Малейший дефект может привести к тому, что часть подложки станет непригодной. В свою очередь операция, которая оказалась пропущенной или сделанной не вовремя, может полностью уничтожить всю пластину.

Как правило, для дальнейшей обработки все подложки объединяют в группы — кластеры. Каждый кластер состоит из 25 пластин. Из отдельной пластины на выходе получается около 2000 микросхем. Для потребителя готовая микросхема стоит в среднем $50. Таким образом, брак или ошибки, допущенные при обработке кластера, приводят к потерям $2,5 млн в пересчете на конечный продукт.

Соответствие жестким требованиям, предъявляемым к обработке 300-мм пластин, может быть достигнуто только при полной автоматизации технологического процесса, когда обеспечивается наивысший контроль на каждом этапе обработки подложек.

При этом особое внимание уделяется четкой регламентации процесса. Исключается малейшая вероятность возникновения ошибки, связанной с человеческим фактором. В случае изменения приоритетов, например, плана очередности изготовления тех или иных типов микросхем, график производства модифицируется в реальном режиме времени. Это относится как к текущим, так и вновь назначаемым операциям. Соответственно, компания гибко влияет на производственный процесс и контролирует обработку каждого кластера.

Возможность управлять процессами в реальном режиме времени позволяет достигнуть наивысшей производительности на всех технологических участках и получить на выходе максимальное количество готовой продукции.

Реализация подобной автоматизированной системы была бы невозможна без применения радиочастотной идентификации (RFID).

Радиочастотная идентификации является не только инструментом, с помощью которого оптимизируется производственный процесс и ускоряется разработка новой продукции.

На основе данных, полученных с помощью RFID, клиенты компании всегда могут отслеживать степень готовности заказанных микросхем для дальнейшего оптимального планирования своего производства и логистики.

Несмотря на то что режим работы после реконструкции завода стал круглосуточным и объемы выпускаемой продукции значительно увеличились, количество персонала сократилось на 30%.

Комментируя этот факт, компания IBM отмечает, что уменьшение числа работников не являлось приоритетной задачей при внедрении автоматизации. Затраты на персонал составляют лишь незначительную часть общих операционных расходов. Главная цель — свести к минимуму человеческие ошибки и достигнуть полного контроля над производственным процессом во всех технологических звеньях. Внедрив систему радиочастотной идентификации в комплексе с автоматизированной системой управления технологическими процессами, компания IBM создала самое современное в мире непрерывное производство микросхем.

Отслеживание всех этапов технологического процесса

Каждая новая партия кремниевых подложек, поступающая на завод, помещается в унифицированные отсеки с фронтальной загрузкой, так называемые FOUP (Front-opening unified pods).

Каждый отсек вмещает до 25 пластин. Одновременно по заводу передвигаются 5000 отсеков, доставляя подложки к 1500 различным единицам технологического оборудования. Для каждого отсека создается свой «рецепт» — технологическая карта, в которой определяется очередность выполнения той или иной операции, в зависимости от заказанного типа микросхем. В «рецепте» также указаны машины и инструменты, к которым будет подаваться отсек.

До реконструкции заводские операторы отслеживали и идентифицировали отсеки, используя штриховое кодирование. Они сканировали штрихкод и, получив идентификационный номер отсека, определяли, что за отсек находится в их распоряжении. Затем, обратившись к базе данных, операторы получали инструкцию, к какому технологическому оборудованию должен быть подан отсек. Операторы самостоятельно передвигали отсеки, а также управляли работой оборудования.

Такая организация производства была явно неэффективна. Во-первых, высококвалифицированный персонал тратил огромное количество рабочего времени, сканируя штрихкоды, чтобы убедиться, что отсек находится у нужного инструмента и выполняется требуемая технологическая операция. Во-вторых, все равно возникали ошибки, которые в пересчете на количество пластин в отсеке приводили к значительным финансовым потерям. В-третьих, и что особенно важно, такая организация производства ограничивала возможность компании управлять процессами в реальном режиме времени и автоматически их модифицировать в случае необходимости.

Рассмотрим следующий пример.

1000 отсеков согласно своим технологическим картам перемещаются с участка на участок. К этому количеству обрабатываемых подложек добавляются 100 отсеков, которым присваивается наивысший приоритет. Новая партия должна быть обработана в первую очередь. Таким образом, в реальном режиме времени необходимо перепланировать все текущие операции и обработать 1100 отсеков за минимальное время. Согласно теории расписаний, это сложная оптимизационная задача. В случае, когда отсеки передвигаются вручную и часть работ также выполняется вручную, составить оптимальное расписание возможно лишь теоретически. На практике всегда возникают незапланированные простои и ошибки, связанные с влиянием на производственный процесс человеческого фактора.

На современном заводе в Восточном Фишкиле отсеки вручную не передвигают. Для этого используется автоматизированная подвесная монорельсовая дорога, созданная японской компанией «Мурата». При реконструкции производственного корпуса потребовалось увеличить высоту потолков на 1,5 м, чтобы получить дополнительный объем для установки монорельса. Для управления движением отсеков по монорельсовой дороге и контроля технологических операций компания IBM разработала специальную автоматизированную систему управления производственными процессами (АСУПП) — SiView Standard.

Основное требование, которое предъявлялось к новой АСУПП, — это возможность со 100%-ной точностью идентифицировать и отслеживать каждый отсек на всех этапах технологического процесса. Для этих целей совместно с SiView Standard была внедрена система радиочастотной идентификации.

Каждый отсек имеет встроенную пассивную радиочастотную метку, работающую в диапазоне 134,2 КГц (выбор низкочастотной метки был обусловлен тем, что она не интерферирует с другим установленным на заводе радиоэлектронным оборудованием). В память метки записывается уникальный идентификационный номер, который соответствует определенному кластеру кремниевых подложек, внесенному в базу данных.

Автоматизированная система определяет последовательность обработки каждого кластера. Радиочастотная метка идентифицирует каждый кластер и соотносит его с заданной последовательностью обработки, то есть с технологической картой.

Таким образом, в реальном режиме времени стало возможным контролировать все этапы производственного процесса и в случае необходимости оперативно вносить требуемые изменения, управляя движением отсеков.

Каждый новый отсек, после загрузки в него кремниевых подложек, помещается на монорельсовую дорогу. Далее ридер связывается с радиочастотной меткой и считывает ранее присвоенный ей идентификационный номер.

Подсистема управления монорельсовой дорогой обращается к соответствующему модулю системы SiView Standard для получения инструкции, к какому технологическому оборудованию необходимо переместить отсек. Затем отсек автоматически доставляется к месту назначения и опускается к нужному инструменту (рис. 3).

Все установленное оборудование подключено к локальной промышленной сети Ethernet.

В свою очередь инструмент получает по локальной сети информацию о типе операции, которую предстоит выполнить в текущий момент, и с каким номером отсека эта операция должна быть связана.

Ридер, установленный на каждом инструменте, считывает метку отсека и, если уникальный идентификационный номер отсека совпадает с ожидаемым номером, отсек приходит в движение и состыковывается с инструментом. В противном случае звучит сигнал тревоги и в систему передается сообщение об ошибке. После авторизации и стыковки с отсеком инструмент загружает программу по обработке пластин и выполняет все необходимые технологические операции. По окончании обработки всех пластин отсек отсоединяется от инструмента, захватывается механизмом монорельсовой дороги и доставляется к следующему инструменту, определенному в технологической карте. Процесс повторяется до полного завершения всех этапов производства.

Внесение изменений в процесс производства

При поступлении срочного заказа на изготовление микросхем стало возможным пересматривать план производства и выставлять новые приоритеты. С помощью SiView Standard определяется наиболее оптимальный вариант интеграции нового отсека в текущий процесс. Однако процесс оптимизации на этом не заканчивается. Система, имеющая обратную связь с каждым отсеком, непрерывно собирает данные о ходе выполнения всех работ. На основании полученной информации производственный процесс автоматически регулируется.

Почти все оборудование, установленное на заводе, оснащено датчиками (рис. 4). Получая информацию с датчиков, АСУПП корректирует текущие технологические процессы.

Например, согласно технологической карте на каждую пластину кластера должен быть нанесен окисный слой. Любая неровность в окисном слое должна быть гладко отшлифована. Если чрезмерно отшлифовать подложку, можно полностью удалить окисный слой, а при недостаточной шлифовке остается неровность, что приводит к браку при последующей литографии.

Для шлифовки поверхности кремниевых подложек используется специальный инструмент. Когда к инструменту подается отсек, ридер инструмента считывает его идентификационную метку. После авторизации инструмент загружает инструкцию по шлифовке поступивших к нему пластин. Допустим, в инструкции по шлифовке заданная продолжительность операции составляет 10 с при определенной скорости вращения. Во время выполнения шлифовки датчики фиксируют количество выделившегося тепла, количество удаленного материала и другие параметры обработки. Вся информация передается в базу данных АСУПП, которая в свою очередь, исходя из анализа полученных данных, может отправить инструменту команду увеличить время обработки пластины до 11,2 с. Таким образом, происходит регулирование производственного процесса в реальном режиме времени. В течение суток автоматизированной системой обрабатывается примерно 12 млн сообщений от различных датчиков. Вся информация поступает в базу данных, где сопоставляется с уникальными идентификационными номерами радиочастотных меток.

Адаптируя в реальном режиме времени технологические процессы к происходящим событиям, компания IBM увеличивает количество готовых микросхем, получаемых из обрабатываемых кремниевых пластин.

Сведения обо всех выполненных операциях хранятся в базе данных IBM DB2. Далее система проводит анализ полученных результатов и генерирует отчет о произведенной продукции.

Ускорение разработки и выпуска новой продукции

Благодаря установленной системе SiView стало возможным значительно сократить сроки разработки и производства новых изделий.

Прежде чем приступить к серийному выпуску новых микросхем по заказу их разработчиков, необходимо подготовить производство, составить технологические карты на новые изделия, выпустить опытные образцы.

До ввода в эксплуатацию нового завода в компании IBM существовало отдельное подразделение, которое занималось всеми подготовительными работами, в том числе и выпуском опытных образцов.

Ранее опытные партии никогда не изготавливались на основных производственных мощностях, даже если они незначительно отличались от своих прототипов.

Считалось, что объединение в один производственный процесс выпуска серийных изделий и опытных партий, отрицательно скажется на эффективности производства.

Получив возможность одновременно контролировать 5000 отсеков, передвигающихся по заводу согласно получаемым инструкциям, компания IBM объединила процесс производства серийной и опытной продукции.

На заводе в Восточном Фишкиле около 10 000 кв. м отведено основным производственным мощностям и около 3000 кв. м занимает участок для выпуска опытных партий микросхем (рис. 5).

Соответственно, если для изготовления опытного образца необходимо оборудование, установленное в производственной части завода, программа SiView отправит команду монорельсовой системе доставить отсек с опытного участка в подразделение серийного производства к одному из инструментов. После завершения технологической операции монорельсовая система возвращает отсек обратно на опытный участок.

Высокотехнологичные компании, в том числе и IBM, получают прибыль не от выпуска и продажи стандартной продукции, пользующейся спросом у конечного потребителя, а от быстрого внедрения в производство передовых технологий, позволяющих реализовать самые эффективные бизнес-модели.

Как подчеркивает главный инженер завода Перри Хартсвик (Perry Hartswick), без системы радиочастотной идентификации и без 100%-ной уверенности в достоверности получаемых от нее данных было бы невозможно создать такое высокоавтоматизированное производство, какое существует сегодня на заводе в Восточном Фишкиле.

Помимо всего прочего система радиочастотной идентификации помогает компании IBM улучшить обслуживание своих клиентов. RFID делает все процессы прозрачными. Клиенты в реальном режиме времени, через специализированный web-портал, могут получать самую оперативную информацию о ходе изготовления своих микросхем.

Компания IBM сотрудничает с несколькими поставщиками кремниевых подложек. Подложки на завод в Восточном Фишкиле доставляются в специальных контейнерах. Каждый контейнер обязательно имеет радиочастотную метку с уникальным идентификационным номером. В дальнейшем он присваивается отсеку, в который перемещаются подложки. Факт поставки регистрируется в автоматизированной системе управления предприятием.

Благодаря радиочастотной идентификации стало возможным объединение информационных потоков не только на технологическом, но и на более высоком, управленческом уровне.

Нет сомнений, что примеру IBM последуют и другие компании, имеющие собственное производство. Можно с уверенностью сказать, что в скором времени радиочастотная идентификация станет неотъемлемой частью многих автоматизированных систем управления производственными процессами.

Литература

1. IBM Fishkill semiconductor plant an example of agile, realtime operaion, www.ibm.com/e-business
2. Mark Roberti. Ultimate Control. RFID Journal, November/December 2005.