精益六西格瑪在半導體材料生產線中的應用

蔡麗艷 郝玉清 安瑞陽 趙偉 劉佐星 劉云霞 鄭捷 趙而敬 徐繼平

摘要：半導體材料制造業是技術密集，資金密集的高技術產業，降低在制品數量，減少加工周期不僅可以快速滿足用戶的交貨要求，還能降低成本，是企業提高市場競爭力的有效方法，本文討論利用精益六西格瑪方法論，實現上述目標。

Abstract： Semiconductor manufacturing is high technology industry of skill-intensive and capital- intensive. In order to satisfy the user's requirements of delivery， we should reduce the WIP and the production cycle， meanwhile that can reduce the cost and improve the competitiveness of the market. This paper discusses the use of Lean Six Sigma methodology to achieve the above objectives.

關鍵詞：精益六西格瑪；在制品數量；生產周期；效率

Key words： Lean Six Sigma；WIP；production cycle；efficiency

中圖分類號：F273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）31-0271-04

0 引言

精益生產簡稱“精益”，是以豐田公司為代表的新的生產方式，是通過組織結構、人員安排和運行方式等方面的變革，把生產過程中一切多余的東西都消除，最終達到零浪費并建立無間斷作業流程的一種生產方式[1-3]。半導體材料生產線的特點為多品種小批量訂單式生產，生產現場同時加工的產品規格種類較多；生產設備會因品種更換而不斷進行調整， 生產過程的穩定性較差； 均衡生產組織難度大。與傳統的大規模生產相比，半導體材料生產線主要存在在制品數量較多、生產效率低、生產周期長等問題，針對半導體材料生產線的上述特點及存在的問題， 利用精益六西格瑪方法論改進生產線，使生產按需、經濟、均衡、準時、安全地進行。精益六西格瑪是精益生產和六西格瑪質量管理理論相結合而產生的，消除過程中的浪費為其指導思想。中小型企業要實現良性運轉，增強市場生存能力，提高競爭力，精益生產是必然的選擇。本文中主要通過快速換模和價值流圖來消除生產過程中產生的浪費，快速換模就是通過減少停產時間及調整時間，有效提高設備稼動時間[4-5]。價值流圖是將現場生產中的物料信息的流動情況用簡圖描繪下來，對其進行分析，找出產生不增值的原因，并應用精益思想和工業工程方法提出改進方案[6-7]。半導體材料生產線中有以下主要工序：切片、倒角、磨片、腐蝕、噴砂、背封、拋光、出廠檢驗。

1 快速換模的應用

大多數制造企業生產的產品不會僅是一二種而已，少則數十種，多則數十種，多則數萬種。不同類型的產品在生產的過程中往往有其不同的生產條件。例如不同的工具、模具、夾具，工作場所的溫度、濕度，工作方法等等。因此，在不同類別的產品之間相互切換時，生產線必須更換并設定新的工作條作，這種更換設備的操作就稱為“切換”。切換時，因生產停頓所耗費的時間就稱為“切換時間”。由于快速換模技術是精益思想在設備管理方面的具體應用，具有很強的可操作性，所以在很多行業和企業都有成功的應用范例。例如，王衛剛等[8]把快速換模技術應用在某醫療器械企業，在基本沒有額外的投資，技工的工時也沒有任何增加的情況下，減少了換模時間約45%。王詩軍[9]把快速換模技術應用在數控機床上，減少了換模時間一半。比利時的 Dirk Van Goubergen[10]把快速換模技術應用在食品工業的包裝線上，在沒有重大投資的情況下，縮短了換模時間約20%，提高了產量和生產柔性。

半導體生產線切片工序的硅片切割主要采用多線切割技術，多槽滾輪帶動均勻纏繞其上的鋼絲作高速運動，鋼絲帶動黏附的研磨砂對單晶棒產生磨削作用，從而達到對單晶棒進行片狀切削的目的。其特點是一次可以切割一支單晶棒，但對于不同厚度的硅片，需要更換多槽滾輪，換輪一次滾輪的時間需要4個小時左右。

硅片在加工和使用過程中會受到片盒或機械手等物體的撞擊，導致硅片邊緣會產生應力集中而破裂，為了避免切片邊緣崩裂，需要對其進行倒角加工，特別是硅片在進入元器件的制造過程中會有較多的熱周期，這些加熱或冷卻的過程非常迅速，在某些區域會產生熱應力，一旦熱應力超過晶體的彈性強度，會產生差排及位錯，而硅片的邊緣正是熱應力易于集中的區域，同時外延生長過程中銳角區域的生長速率會比平面高，這些都與元器件制造及外延過程中的工藝及設備有關，所以對于不同用戶，相同厚度規格的硅片所需的倒角輪也可能不同，更換一次倒角輪需要一個小時左右[11-12]。

綜上所述，切片機導輪用于固定厚度，倒角機倒輪用于固定邊緣輪廓，且切片機換輪難于倒角機換輪。這就決定了不能完全用倒角工序來拉動切片生產，倒角機必須主動換輪適應切片的規格。這就在切片和倒角工序之間產生倒角機效率和在制品數量的矛盾，為了提高倒角機的使用效率，需要盡量減少換輪次數，但會在切片和倒角工序之間產生較多在制品，精益思想是關注浪費，消除浪費?？焖贀Q輪是減少換模浪費的有效途徑。

SMED快速換模方法的全稱是Single Minute Exchange of Die，是一種快速和有效的切換方法，快速換模法這一概念指出，所有的轉變都能夠并且應該少于10分鐘。單分鐘快速換模法是一種用來在不停設備的情況下，快速轉換調整的方法，它將可能的換模時間縮到最短。它可以將一種正在進行的產品快速切換到下一產品?？焖贀Q模法能夠常常是用于啟動一個程序并快速使其運行，且處于最小浪費的狀態。

倒角機換輪過程包括記錄、換輪、清潔、調試，SMED小組通過換輪調查表，換輪損失表統計每臺倒角機5個月平均損失206工時，每年倒角車間換輪損失工時平均為185天工時。圖1列出了各種倒角輪規格與加工數量的帕累托圖，將1、2號，3、4號倒角輪分別組合成兩個倒角輪，如圖2所示，上面為原來的1號倒角輪，下面是新倒角輪，由原來1，2號倒角輪組合而成，左邊為2號倒角輪，右邊為1號倒角輪，舊的倒角輪只能加工一種規格的產品，重新設計后，新倒角輪可以實現在1號倒角輪和2號倒角輪這兩種規格之間不換輪切換。通過合理安排生產，每臺倒角機5個月平均損失降到67工時，這種改進減少了在制品數量，由原來的1萬片左右降到6000片左右，不僅減少了資金占用，還縮短了交貨周期，減少了調整過程中可能的錯誤，增加了生產線的柔性?？s短切換的停車時間意味著更高的使用效率。

2 價值流圖及作業分析的應用

價值流管理是通過繪制價值流圖，以精益生產角度來分析生產過程中材料和信息流動，可以把精益思想的基本原則融于改進實施過程之中，幫助企業進行系統化、持續化的改進，而這種改進不僅能夠消除浪費，而且能夠消除產生浪費的根源，使其不至于重復發生，為后續精益改善提供依據和方向[13-15]。價值流圖（VSM）標明了工作流程， 它可以讓我們知道產品從“點到點”的物料和信息流程。從圖3價值流圖（片段）發現A工序加工時間很短，但等待批次較多，造成周期延長，同樣其后工序B也是等待批次較多，周期較長。這是因為A工序加工時間短，只有25.8分鐘，能夠快速將積壓在制品完成，而B工序每批加工時間大于A工序每批加工時間，批加工時間為49.8分鐘，從而造成B工序等待加工批次也較多，加工周期也較長。通過圖4的作業分析，作業員工根據傳統經驗，A工序需要集中生產，每天按照班次來配比化學夜，上班配液，本班次用完就排掉。設備稼動率只有45%。利用精益六西格瑪方法論，定義該工序設備稼動率為Y，影響Y的主要因子為設備的手動作業時間，利用魚骨圖分析，除了作業員工的人為習慣外，決定作業時間的主要原因是某一參數S隨時間的變化而改變，導致無法完成作業。如果想繼續生產，需要重新配液，增加了原輔材料的消耗，因此將在制品留給下一個班次加工。通過圖5所示實驗，一種情況連續加工5小時后，S值下降到臨界15cm，超出該值將無法作業。第二種情況連續等待12小時不作業，S值下降到臨界15cm。第三種情況如果按前工序生產節拍，按30分鐘加工，30分鐘等待作業，其S值在8小時后降到臨界值15。采用斷電等待2-3小時后再加熱作業的加工方式要比加熱等待直接作業的方式要好，加工時間可以達到12小時。改進措施：原有按班次排液的方式改進為當S值降到臨界值15時排液；滿負荷生產時采用產品隨到就隨時加工的間斷作業方式，設備稼動率提高到76%；不滿負荷生產時采用斷電等待的作業方式，即可滿足產品隨到隨時加工，同時又節省了原材料消耗。通過以上措施，A工序的平均等待時間將為0.5小時，B工序的等待時間也降為1.2小時，生產效率大幅提高。

3 流程改進及目視管理的應用

半導體材料生產線的背封加工工序具有可返工、設備較復雜及設備故障高的特點，為了壓縮工序在制品（WIP），減少加工周期我們主要作如下改善：梳理流程，建立返工流程，并優先加工返工產品，改善生產現場，實行定置管理。建立合批區域，將每批的合格半成品存放在固定區域，掛牌標示返工次數、時間、數量，利于現場人員檢查。返工產品存放專用區域，優先加工，做到物流信息流明細。具體做法如下：①整批轉移，物卡同傳，記錄完整。每批產品在完成本工序所有流程后，把加工和檢驗記錄填寫完整，“工藝流程卡”填寫完整后，方可轉移至下一工序；操作員或檢驗員必須同時收到上一工序已完工或已檢驗完的產品和“工藝流程卡”，并核對物、卡的數量、狀態情況無誤后，方可開始工作。②“工藝流程卡”要求填寫完整、規范合格，并隨對應的已完成工藝加工和檢驗的產品批次一起流出半導體生產線。③對每個子批應給予一個與其它子批互不重復而又與原母批批號有淵源關系的子批批號，子批批號具有唯一性。前、后工序子批批號均在原母批批號后面增加一個連字符和一位阿拉伯數字組成，數字表示子批順序號。

半導體材料背封加工過程具有通過把握返工產品的質量狀態，有效控制返工過程并做準確記錄，保證不因返工而造成產品的批次性質量問題存在。返工應遵循的基本原則：①集中完成。任一批次產品在同一工序的返工應集中在一起完成，以保證同次返工的狀態一致。②控制返工次數。一般情況下，后工序產品在一個工序上只允許最多返工二次；前工序產品在光刻工序上允許返工一次，前工序產品在擴散、CVD、蒸發濺射和合金工序因熱效應，一般不進行返工。

4 結論

本文通過快速換模的應用，使倒角工序的加工時間大大縮短，加工效率提高。通過繪制價值流圖發現生產過程中的非增值操作，運用精益生產的原理和方法解決問題，減少或消除了非增值環節。通過流程改進和目視化管理，使生產現場得到了系統化的優化。最終提高了生產線平衡率，降低了生產成本。

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