單晶硅片制造工藝管理系統的設計與實現

程功勛，劉麗蘭，俞 濤

CHENG Gong-xun, LIU Li-lan, YU Tao

（ 上海大學 上海市機械自動化及機器人重點實驗室，上海 200072）

單晶硅片制造工藝管理系統的設計與實現

Design and implementation of the manufacturing processing management system of monocrystalline silicon piece

程功勛，劉麗蘭，俞 濤

CHENG Gong-xun, LIU Li-lan, YU Tao

（ 上海大學 上海市機械自動化及機器人重點實驗室，上海 200072）

通過對單晶硅片制造業調查，發現中小型規模的單晶硅片制造業在生產工藝管理上還是手工管理為主，工作任務繁重、效率低下，工藝數據的準確性、有效性不高，制造與管理成本居高不下，嚴重影響了產品的質量和企業核心競爭力的培植。因此，分析了單晶硅片制造的工藝流程，設計并開發了基于MVC模式的單晶硅片生產工藝管理系統，系統在上海某電子材料公司進行了測試，測試結果顯示，性能良好，能夠有效改善生產工藝流程的管理。

單晶硅片；制造工藝管理系統；MVC模式

0 引言

隨著社會的發展，社會對能源的需求量也不斷的提高，各種不可再生能源的剩余量都告急。因此，可再生能源就成了研究的對象，全球把太陽能作為可再生資源研究的對象首選。全球的能源研究機構都在不斷的探索太陽能的收集方式，研究各種制造大功率太陽能電池的方法，到現在已經研究出并被應用的方式有很多，在制造高質量大功率的太陽能電池時，單晶硅片是其重要的原材料，單晶硅片的質量直接影響太陽能電池的效率。所以，為了保證和提升單晶硅片的質量，除了確保原材料的質量外，單晶硅片制造工藝的科學合理性就更加重要。

由于全球金融危機的影響，歐盟對太陽能產品的補貼取消了。因此全球的太陽能相關產業都受到了嚴重的影響，尤其是我們國家。權威部門調查顯示，我國太陽能相關產業嚴重過剩，作為太陽能電池原材料的單晶硅片產業也受到了重創。因此，各個單晶硅片的生產企業都在探索在保證產品質量的同時如何降低單晶硅片的成本，使其在行業競爭中具有優勢。

根據我們對長三角區域的單晶硅片制造企業的調查，發現當前單晶硅片的生產企業規模以中小型為主，企業的管理主要還是手工管理。由于受金融危機的影響，有部分企業開始探索新的管理方式來提升企業的綜合競爭力。由于信息化管理在其它行業成功的表現，企業在探索新的管理方式時，首選的是對企業管理進行信息化建設。然而，部分企業在進行信息化建設時卻忽略了對單晶硅片的生產工藝管理的信息化建設。

調查還發現，單晶硅片的生產工藝過程中具有大量的數據需要處理，手工管理嚴重影響了工作效率，數據的質量也缺乏保證，工藝數據的質量無保證將會嚴重影響產品的質量，每個批次的產品合格率都有較大的浮動，嚴重阻礙了制造工藝過程的優化，最終將直接導致產品成本的上升。因此，為了提高工作效率、規范制造工藝過程以及為優化工藝奠定基礎，本文通過研究硅片的制造工藝，設計并實現了適合行業特點的個性化工藝管理系統。

1 單晶硅片制造工藝分析

根據對長三角區域單晶硅片制造企業的調研，總結和分析了硅片的制造工藝流程，同行業的龍頭企業工程師研究當前最優的制造工藝流程，如圖1所示。

圖1 單晶硅片生產工藝流程圖

整個工藝過程是制造部門從倉庫獲取原材料開始，在原材料進入車間前，核心原材料多晶硅在入庫前是經過工作人員檢測過的，檢測好的原材料都詳細記錄了相關的化學特性，在車間領取前都有標示。車間工作人員進入倉庫領取材料，庫房工作人員把多晶硅按煉晶爐的容量標準分別裝入容器中，煉晶爐工作人員把其放入煉晶爐，在煉晶過程中，工作人員要不斷的測試和記錄相關數據，從煉晶爐出來的物料有鍋底料和晶錠兩種，鍋底料經過酸洗處理后回收至原材料倉庫，倉庫管理員需要對清潔后的鍋底料各種性能指標進行檢測，滿足標準的循環再利用。

晶錠作為半成品，質檢科對晶錠進行檢測并詳細記錄晶錠的相關參數，合格的進入下一個工藝流程：開段、筑方和滾磨，開段、筑方和滾磨的加工工藝都是根據客戶的需求來進行的，不合格的返回原材料倉庫以備進一步處理，做原材料再加工利用。晶錠被開段、筑方和滾磨后出來的半成品是單晶硅方棒，質檢科對方棒進行檢測并記錄相關參數。合格的方棒半成品進入線切割工藝，切割出來的物料為單晶硅片，切割是至關重要的工藝，硅片的厚度、表面平整度都會影響能量轉化效率，切割工藝的數據室非常重要的。最后，切割出的單晶硅片被質檢科檢驗合格后方為成品，對不合格的產品進行清潔，達到原材料性能標準的可以再利用。

整個生產工藝流程中，任何一道工藝出現的廢品，都可以經過清潔再加工作為原材料繼續被利用。

2 系統功能模塊的分析與設計

2.1 單晶硅片制造工藝數據流建模

在單晶硅片的制造工藝流程中，每次出現半成品，質檢科都要進行檢測并記錄半成品詳細的參數，然后才能進入倉庫；每個新工藝的開始所用的物料都是來自倉庫，各個加工工藝在準備時，只要按照工藝卡片說明，把加工用的設備參數按照工藝卡片說明設置好即可。因此，工藝流程中的各個工序開始接受的僅僅是最后半成品或產品的規格。但是在各種半成品的加工過程中都有詳細的檢測記錄。所以，對所設計的生產工藝管理系統，要求系統能夠記錄整個工藝流程的檢測數據和生產工藝卡片數據，在各個子流程之間系統能夠自動傳遞各個過程的加工要求及產品或半成品的規格型號信息。經過研究，從制造工藝中提煉出十個數據實體，分別是：直接單晶拉制記錄、晶棒交接單、單晶硅物理測試參數匯總、開段跟蹤、線筑方上機記錄、筑方跟蹤單、硅單晶檢驗、線切割跟蹤、切割片檢驗和硅片質量保證。這十個工藝數據實體的數據流模型如圖2所示。

圖2 單晶硅片生產工藝數據流圖

2.2 單晶硅片制造工藝管理系統的功能設計

通過對單晶硅片生產工藝流程的分析，單晶硅生產工藝管理系統應該具有如下功能：系統維護、工藝信息管理、工藝數據查詢及分析和報表打印輸出，功能模塊圖如圖3所示。

2.3 系統功能分析

2.3.1 系統維護模塊

圖3 單晶硅片生產工藝管理系統的功能模塊圖

系統維護模塊具有用戶權限管理功能，允許為用戶分配角色(賬戶)，不同角色的用戶具有不同的職能和權限。系統通過登錄界面來限定用戶的權限級別，并限制其訪問數據的范圍。

同時，管理員還具有對系統應用的輔助數據管理能力，分別是：部門管理和工藝資源基本信息管理。這些數據都是系統的基礎數據，這些基礎數據的完整性和準確性是系統有效運行的保證。因此，該功能模塊必須對這些數據的合法性進行全面的檢查。

2.3.2 工藝信息管理模塊

為了完整科學的對單晶硅片生產工藝數據進行管理，該模塊下面具有五個子功能，每個子功能都具有插入、修改和刪除的功能。

1）物料檢測。整個工藝流程中，只要出現新的物料，就必須檢測。因此，物料檢測模塊必須記錄所有檢測數據，以備統計分析用，對這些數據的保存有利于分析工藝流程過程中出現的問題。

2）單晶拉制。單晶拉制需要記錄每次在拉制過程中全部的數據，包括手工現場即時測試的和機器自動控制系統顯示的。對這些進行統計能夠有利于分析針對不同的材料對拉直過程的工藝參數進行科學設置。

3）開方滾圓。這個工藝流程是，從倉庫領取晶錠加工成方棒。晶錠的基礎數據和需要加工成的方棒的數據都是從倉庫或其他部門紙質傳遞到加工部門的，通過該系統功能模塊可以進行自動化數據的傳遞，使加工現場即時的簡單明了的獲取需要的工藝加工參數。

4）晶片加工。晶片加工工藝過程是利用切割機對方棒進行切割，方棒和晶片的規格過去都是通過紙質傳遞的，限制了現場工作效率的提高，通過該系統功能模塊必須對這些數據進行網絡化管理。

5）晶片檢測。晶片檢測是工藝流程中最后一道工序，合格的晶片即為成品。晶片檢測的數據非常重要，詳細的檢測數據是找出質量不合格產品原因的依據。因此非常有必要對其進行自動化數據管理。

2.3.3 工藝數據查詢及分析

工藝數據查詢及分析是單晶硅片生產工藝管理系統為用戶的服務，它能夠查詢系統的各類基礎數據、工藝中工序的實時數據和利用系統的數據對工藝進行分析。因此，該模塊具有以下三個子功能：

1）各類基礎數據查詢。生產管理的各個部門能夠及時的獲取各類所需的基礎數據，并且還可以進行統計分析，及時的發現基礎數據存在的問題，這些數據的不準確將會影響整個系統的運作。

2）工藝數據查詢。工藝數據查詢分為歷史數據查詢和實時數據獲取，系統可以把歷史數據和實時數據進行對比，分析存在的異同，對非正?，F場發出警報，及時的提醒工作人員，對存在的問題及時的修正，對降低次品率有極大的幫助。

3）工藝數據分析。系統可以把各個批次的加工工藝參數進行對比，利用數據挖掘中的關聯規則算法對工藝數據進行分析，為分析相同的原材料、相同的工藝參數，結果產品的合格率卻不一樣存在的原因提供建議。工藝數據的分析，有利于公司的長遠發展和培植核心技術。

2.3.4 打印輸出模塊

打印輸出模塊經過對工藝文件進行審核匯總之后，按照指定格式輸出各種報表與工藝卡片等文件以供使用。

3 系統的實現

圖4 用戶操作界面實例

本系統采用JAVA語言進行服務器端應用程序的開發，使用Tomcat作為應用服務器,數據庫管理系統選用SQL Server 2000。整個系統采用基于MVC模式的Struts框架進行設計，系統具有良好的安全性、穩定性、可擴展性和可維護性。用戶操作界面如圖4所示

4 結束語

系統完全結合行業特點開發的，并在上海某電子材料公司進行了測試運行，測試結果顯示，性能良好。能夠有效提供工作人員的工作效率，工藝數據的獲取變得尤其方便、準確、有效，尤其是降低了工作人員對現場紙質文檔的管理，為降低管理成本，提升企業核心競爭力提供保證。但系統中的數據分析功能還需進一步的完善。

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TP39

A

1009-0134(2010)10(上)-0082-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).26

2010-03-11

上海市科委資助項目（08DZ1123400）

程功勛（1983 -），男，江西九江人，博士研究生，研究方向為制造網格、制造/裝備工藝、產品生命周期/數據管理。