廠務系統穩定運轉–200mm Fabs品質管理

前言

SEMI(國際半導體產業協會)公布最新全球8吋晶圓廠展望報告(Global 200mm Fab Outlook)指出，由於行動通訊、物聯網、車用和工業應用的強勁需求之下，2019到2022年8吋晶圓廠產量預計將增加70萬片，增幅為14%；而展望未來幾年全球8吋晶圓廠總產能至每月接近650萬片 ，8吋晶圓廠成為半導體業新寵，因製程技術的進步客戶的需求也會隨之改變，廠務供應品質SPC控管的目標也從 OOC(Out Of Control)到Baseline Change，跳脫既有傳統思維，有效的達到廠務全面品質控管的目標。

200mm廠區導入全面廠務品質的管理規劃，我們將藉由既設系統來導入新手法及概念，雖然設備老舊但做好維舊如新及翻新計畫，功能及品質一樣不妥協，同時也應用既有平台，作為師徒傳承的運轉經驗，發展更新手法，達到廠務全面品質控管。

全面品質控管，在廠務穩定運轉的目標下，從Design /Operation/PM來分析200mm現況及改善機會點，職人精神，讓平凡變成不平凡，品質管理就是落實在平日的運轉當中，需要從蛛絲馬跡找到改善的契機，防範異常於未然 ，就像是廚師對柴米油鹽醬醋茶，相同事情一直重複做以求精進，總是期待能夠有所進步，持續向上，沒有人知道巔峰在哪裡?在知識爆炸的今日經濟社會，如何掌握適合個人及群體所需的知識，已成為致勝的關鍵，唯有如此，才能掌握脈動與契機，領先群倫，立於不敗的境地。

文獻探討

2.1.發展背景

廠務品質管理，由TSMC FACILITY GENERIC SPC PRACTICE and SPEC. O.I.規範各廠務部門SPC的建立與執行，為了確保SPC確實有效地執行、預防不良品產生，以及使資料有效保存和運用，故建立一套TSMC廠務SPC 執行準則，SPC為「統計製程管制(STATISTICAL PROCESS CONTROL)」之縮寫，其意義是藉由製程中收集之資料，建立管制圖，運用統計手法分析資料、監控是否有異常產生，立即採取應變措施，使製程恢復正常，並提出防止再犯之法，所以SPC為一即時製程管制系統，以便監控製程之現況，提高製程穩定性，減少變異產生，另一方向則對製程的資料加以統計分析，進而採取改善措施，以提升製程能力及產品品質。

2.2.SPC導入與維護^[5]

選定管制點及管制計畫，製程管制計畫之產生是從 CUSTOMER 的角度出發，失效模式與效應影響分析(FMEA)而發展出來。

製程管制之分類(Classification of Process Control) :製程管制(Process Control)主要區分成Key Node SPC ，General Process和Off Line Process三類。

Process Control之Key Node及General Process皆使用Trend Chart做管制圖，因廠務控制系統有自動補償之功能，故可以Trend Chart方式來記錄製程變數(Process Value)來管制。

管制點設定及Review機制規劃 : 

Median Shift(S)為中位數偏移，因廠務系統為求穩定之供應，故以Median Shift(S)為其偏移量之參考。Median Shift(S)之Monthly review公式為S=|(median _this month)-(median_last month)|/max(robust sigma1_last month, robust sigma2_last month)，若S>Criteria(Initial Criteria設定為3，此Criteria會依據每年實際之運轉資料來定義，也表示每年會review此Criteria的合適性)時，則表示本月份中位數比上個月份之中位數偏移過大，即列為Low Light Chart，需review其偏移之原因為何。

若因儀表校正致使S>Criteria，而儀表校正後的讀值落在儀表本身精準度(Accuracy)之內，則此項目可不列入 Low Light Chart接受review。

Robust Sigma Change Ratio(RSR)Review Rule：

Robust Sigma Change Ratio(RSR)製程能力指標，用以偵測廠務系統供應製變異寬度變化率。

RSR(Robust Sigma Change Ratio)=Robust Sigma2/ Robust Sigma1，Where  Robust Sigma=MAX{(P95- P50)/1.645, (P50 - P05)/1.645} 

製程管制計畫之產生是從CUSTOMER的角度出發，失效模式與效應影響分析(FMEA)而發展出來，經過世代的變化，產線產品組合也已經不一樣，所以以已往OOC(Out Of Control)為管制界線的要求，也慢慢改變為以baseline change為更嚴謹，製變異寬度變化率計算公式如下：

RSR(Robust Sigma Change Ratio)=Robust Sigma2/ Robust Sigma1

SPC的目的，幫助製程穩定地製造出好的產品。

2.3.品質策略管理￫圖1

圖1、如何落實TQM全面品質管理^[1]

導入知識管理，其實是一種組織變革，這種變革是企業適應能的考驗，「第五項修練」中，「煮青蛙的故事」( 郭進隆，1998年)，詳細敘述不能適應環境的可怕後果^[2]。在中國的歷代王朝，也大都在變革失敗後滅亡。因此，順應科技變遷的組織變革，是企業生存的不二法則，尤以知識為主導的現代競爭環境，其重要性更為顯著。

實施知識管理的案例，以印証知識管理與策略管理及TQM的密切相關性。

台積電公司(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)(孫德風，民90年)。

• 定義：知識管理為處理知識資產(Knowledge Asset)的事務程序，以槓桿操作系統化改善組織效率、反應、競爭力和創新速度。
• 長期目標(Goal)：以創新速度建立競爭優勢，架構以知識為基礎的企業。
• 盤點知識資產存貨，訂定知識管理策略，採取T戰略，水平方向為擴充全公司知識管理文化，垂直方向為發展知識管理方法論(Methodology)。
• 訂定知識管理路途圖(Roadmap)，程序(Process)及式樣圖(Architecture)。
• 進行知識整合(Integration)以及文化擴散(Culture Diffusion)。
• 建立推動組織。
• 實施策略管理。
• 架構知識管理工程，進行知識選取(Extract)、組織( Organize)之增長(Access)。
• 展開成任務小組(Task Force)、變革管理(Change Management)、系統(System)和績效與激勵(Perfor mance & Incentive)等功能。
• 實施知識管理的關鍵因素(Critical Elements)為人(People)、流程(Process)、和技術(Technology)。

從知識管理的預期效果來看，品質、成本、效率也是全面品質管理(TQM)所追求的目標，而從￫圖2可知，由認知覺醒所引導之策略、設計、原型開發與測試、導入、評估與維護，事實上與策略管理的原理與方法，也是互相吻合的。由此觀之，TQM、策略管理與知識管理實有相輔相成的密切關係。

圖2、知識管理績效提升螺旋

前述的分析，可以彙總歸納整理。在￫圖3中，左縱軸表示知識管理應用層級與策略管理關聯性之高低，右縱軸表示知識管理應用層級與TQM實施之強弱關係，而每個層級皆依P-D-C-A(Plan, Do, Check, Action)管理循環運作，依此循序架構知識管理的基礎。

圖3、依策略管理和TQM架構的知識管理結構圖(資料來源：本研究整理)

因此，本研究定位於以策略管理和TQM架構知識管理的基礎作為探討對象￫表1。

研究方法

品質管理為達成品質目標的方法。

包括品質三部曲的所有步驟：①品質規劃，②品質控制，③品質改善。

在廠務穩定運轉的目標下，200mm/300mm SPC O.I 系出同源 : TSMC FACILITY GENERIC SPC PRACTICE AND SPEC : F-GQC-01-03-001 已定義6"/8"/12"廠務系統監測項目規格表項目一樣，在SPEC(OOC/OOS)300mm較200 mm Tighten，由品質規劃上系出同源是一致的。

在品質控制系統方面，廠務系統FMCS架構主要是要可分成DCS(Distributed Control System，分散控制系统 )/PLC(Programmable Logic Controller)兩種主要大型控制系統為主。

從Design/Operation/PM來分析200mm廠區的現況及改善機會點，同時也藉由廠務開關門十件事統一平台，來審視200mm有哪些指標需要再改進和強化￫表2。

從Design部分廠務FMCS架構，主要可分成DCS(Distributed Control System，分散控制系统)/PLC(Programmable Logic Controller)兩種 :

• DCS架構廠區 : 有F2&5/F3/F3E/F6
• PLC架構廠區 : 有F8(原世大)，F3E(原德基)

DCS是分散式控制系統，系統定位在於大型應用，尤其是重工業應用，其適合用在連續性的控制，且因為該系統的I/O點非常多，其考慮到的因素比較偏重在於Redundancy，因此較無法接受系統出問題，容錯備援的需求性很高，同樣的DCS系統建置完成之後是很難去進行更動的，因此它適用於較穩定、在市場上的Life Cycle較長的產品需求；PLC的定位則是在於比較中型或是中大型的應用，它的特色在於價格較DCS具競爭力，而且適合做離散的邏輯控制應用，不過PLC與DCS相同的地方在於，較穩定、Life Cycle較長的產品。

我們將200mm Fabs FMCS安全再運轉30年當成我們規畫運轉目標，整個FMCS DCS Over All分為四個世代，DCS原4個世代(Delta V(2010年代)/SRX(2000年代)/SR90(1990年代)/HW1(1990年代)，將整合為2個世代(Delta V/SRX)，主要需要改善為F2/F5離群的架構及孤鳥的設備，SRX Controller運轉維持安全備品量，逐年計畫性升級成Delta V￫圖4。

圖4、200mm Fabs FMCS安全運轉30年計畫

PLC部分 : 全面性調查各重要系統PLC面臨Phase Out/停產/備品不足等問題展開調查，先鎖定問題的範圍，再根據各家PLC廠牌提出升級的解決方案￫表3。

以Allen Bradley PLC5為例子，PLC-5可程式邏輯控制器在過去30年來一直是極受歡迎的產品之一。但只要是技術就一定有進步的空間，PLC5控制系統進化成ControlLogix，此款高效能的平台能讓您將生產領域(離散、運動管理、製程與安全性)，包括極端環境與高可用性應用等，轉換成一個能達到企業聯網目標的全廠式架構。透過安全的網路分享資訊技術(IT)與營運技術(OT)間的資訊可以放大生產能見度￫圖5。

圖5、PLC5架構轉換成ControlLogix架構^[4]

原廠牌PLC的升級計畫提供升級Kit(快速接頭)，解決升級面臨的問題 : 

• 縮短95%接線時間(系統需要停止生產，大量接線人工及時間)
• 程式可直接轉換or部分修改，不需要全部程式重寫及試車(一般至少需要2~3天時間)這2大優點，讓工廠可以在短時間歲修期間，完成PLC控制系統升級的機會￫圖6。

圖6、PLC5轉換成ControlLogix時間比較

結果與分析

200mm Fab yield約略99%，廠務品質管理，由TSMC FACILITY GENERIC SPC PRACTICE and SPEC. O.I.規範各廠務部門SPC的建立與執行，對廠務供應品質最大的壓力，來至於Utility 水、電、氣、化不預期中斷，而這狀況又以控制系統零件最多且複雜，又面臨產品停產和斷料問題最為嚴重，控制系統全面性翻新是個花大錢且對生產影響時間最久，不是現在唯一的選項。

中期的目標，先善用各廠庫存PROVOX SRX(NT$3M)來取代直接DeltaV升級計畫(NT$130M)，透過微型的改善，將離群&高風險控制架構改善到與各廠系統架構一致，達到互相資源共享，且再依廠級重要度排定升級計畫，讓退役下來的備品繼續在200mm廠區延壽，達到最高的經濟效益￫圖7。

圖7、DCS & PLC專案目標

日常運轉的品質 : 使用廠務「開關門十件事」共同平台，來做管理層面的把關，讓整個廠務運轉都使用同一平台來做管理，包含 : ①人員管理，②環保/環境，③施工管理，④系統可靠度，⑤警報/隔離，⑥用量管理，⑦PM管理，⑧供應品質，⑨線上狀態，⑩變更管理等全面性的運轉控管，讓各廠廠務日常運轉能夠做到車同軌、書同文、行同倫￫圖8￫圖9。

圖8、開關門十件事(車同軌、書同文、行同倫)

圖9、開關門十件事細部項目

結論

200mm Fab對品質最大的壓力，來至於Utility 水、電、氣、化不預期中斷，而這狀況又以控制系統零件最多且複雜，又面臨產品停產和斷料問題最為嚴重，控制系統全面性翻新是個花大錢且對生產影響時間最久，現階段暫不可行。

200mm Fabs FMCS安全運轉中期計畫如下 :

• DCS原4個世代(Delta V/SRX/SR90/HW1)，將整合為2個世代(Delta V/SRX)，主要改善為F2(HW1改為HW2與各廠一致)/F5(SR90→SRX)，SRX Controller會使用各廠備品支援，共需12顆SRX(F14 : 6/F3 : 2/F12 : 4)，重新建構與其他廠一致HW2 DCS架構。
• 未來300mm PROVOX DCS升級後備品可移至200mm繼續沿用，達到最大經濟使用效益。
• 重要系統PLC原4個廠牌(AB/Mitsubishi/GE/Siemens)，將整合為3個廠牌(AB/GE/Siemens)，維持備品安全管制漸進式升級￫圖10。

圖10、200mm運轉改善計畫

日常運轉品質使用廠務「開關門十件事」共同平台，等全面性的運轉控管，讓各廠廠務運轉能夠做到車同軌、書同文、行同倫，各廠區在同一平台上不斷學習，藉由彼此的交流和融合，達到全面廠務品質管理的目標。