半導體CIM（Computer Integrated Manufacturing，計算機集成制造）系統是半導體制造的“神經中樞”，通過整合硬件設備、軟件系統和數據流轉，實現從訂單到成品的全流程自動化、信息化和智能化管理。其工作流程高度貼合半導體制造的復雜性（多工序、高精度、高潔凈度、長周期），可分為訂單接收與計劃制定、生產準備、生產執行、實時監控與質量管控、成品測試與出貨、數據閉環與持續改進六大核心階段。

一、CIM系統完整架構

五層體系結構

層級	核心系統/技術	典型功能示例
企業層	ERP/SCM/CRM	三星ERP實現全球7廠統一排產，庫存周轉率提升30%
計劃層	APS/PLM	中芯國際APS系統應用遺傳算法，產能提升18%
執行層	MES/SFCS/AMHS	臺積電MES實現生產周期縮短25%
設備層	GEM/EAP/ATE	亞控EAP平臺支持SECS/GEM協議，設備控制響應時間<50ms
物理層	FOUP/OHT/SCADA	賽美特SCADA系統采集10萬+測點，100ms內響應

其中，企業層是戰略決策中心，計劃層是生產資源優化， 執行層是車間級實時控制， 設備層是底層設備互聯，包含GEM協議、ATE設備、FOUP等硬件。

二、工作流程

1、訂單接收與計劃制定：從“需求”到“可執行計劃”

半導體制造的起點是客戶訂單，CIM系統首先需將訂單轉化為可落地的生產計劃，核心依賴與ERP、APS的協同。

1. 訂單對接與需求分解

   • 客戶訂單通過ERP（企業資源計劃） 系統傳入CIM，包含產品型號、規格（如晶圓尺寸、制程節點）、數量、交付日期等信息。
   • CIM系統結合PLM（產品生命周期管理） 中的產品工藝數據包（如BOM物料清單、工藝流程（Recipe）、設計圖紙），將訂單分解為具體的生產批次（Lot）需求（每批次通常包含25/50片晶圓）。

2. 高級計劃與排程（APS）

   • APS（高級計劃與排程） 作為CIM的“計劃大腦”，基于ERP的訂單需求、PLM的工藝要求，結合實時產能數據（設備利用率、維護計劃）、物料庫存（通過SCM同步），制定詳細的生產排程：
     • 確定每個Lot的生產路徑（如“光刻→蝕刻→沉積→離子注入”等工序順序）；
     • 分配各工序對應的設備（如光刻工序分配特定型號光刻機）；
     • 設定時間節點（如某Lot需在T+3天完成光刻工序）。
   • 排程結果同步至SFCS（車間制造執行系統），作為生產執行的基準。

2、生產準備：為“開工”備齊“人、機、料、法”

在正式生產前，CIM系統需協調資源，確保生產條件就緒，核心依賴PLM、SCM、AMHS的協同。

1. 工藝與參數準備

   • PLM 向CIM系統推送該產品的完整工藝文件：包括每道工序的參數標準（如溫度、壓力、時間）、設備要求（如某蝕刻工序需特定型號刻蝕機）、質量檢測點（如光刻后CD尺寸檢測）。
   • CIM系統將工藝參數轉化為設備可識別的“Recipe”（工藝配方），預加載至對應設備的控制系統（通過GEM協議通信，見下文）。

2. 物料準備與調度

   • SCM（供應鏈管理） 確保原材料（如晶圓、光刻膠、靶材）按計劃到貨，并通過CIM系統同步庫存數據（如晶圓的批次號、規格、供應商信息）。
   • AMHS（自動物料搬運系統） 基于SFCS的指令，通過OHT（軌道式自動搬運車） 將原材料（裝載于FOUP（前開式晶圓盒） 中，保證潔凈度）轉運至指定存儲區（如Stocker）或首道工序設備旁。
   • CIM系統為每個FOUP綁定唯一ID，實現全流程追溯。

3. 設備與工藝就緒

   • 設備控制系統通過GEM（通用設備模型） 協議與CIM系統通信，反饋設備狀態（如空閑、維護中、故障）。
   • SFCS確認首道工序設備空閑后，向設備發送工藝Recipe（如光刻的曝光劑量、焦距參數），完成生產前準備。

3、生產執行：全工序自動化流轉與數據采集

半導體生產包含數百道工序（如光刻、蝕刻、沉積、離子注入、CMP等），CIM系統通過SFCS主導Lot的全流程自動化流轉，核心是“指令下發→設備加工→數據反饋→Lot轉運”的循環。

1. 工單與工序分配

   • SFCS將生產計劃分解為“工單”，為每個Lot生成唯一的“生產履歷號”，并按APS排程將Lot分配至首道工序的設備（如光刻機）。
   • 操作員或AMHS將載有晶圓的FOUP掛載至設備Load Port（加載端口），設備通過GEM協議向SFCS發送“物料到位”信號。

2. 設備加工與數據采集

   • SFCS通過GEM協議向設備下發工藝參數（Recipe），設備啟動加工（如光刻的涂膠、曝光、顯影）。
   • 加工過程中，設備實時通過GEM協議向CIM系統上傳“過程數據”（如溫度、壓力、時間、電機轉速等），SFCS記錄這些數據并關聯至Lot的生產履歷。
   • 工序完成后，設備發送“加工完成”信號，SFCS生成“工序報告”（如加工時間、關鍵參數值）。

3. Lot流轉與下道工序調度

   • SFCS根據工藝流程自動判斷下道工序（如光刻后流轉至顯影檢查），并向AMHS發送轉運指令。
   • AMHS的OHT根據SFCS的路徑規劃，將FOUP從當前設備轉運至下道工序的設備旁，完成后向SFCS反饋“物料到位”，觸發下一輪加工循環。
   • 整個過程無需人工干預，避免污染和人為誤差。

4、實時監控與質量管控：全流程“防錯”與異常處理

半導體制造對參數精度要求極高（如納米級尺寸控制），CIM系統通過實時監控和質量管控確保生產合規性，核心依賴QMS、Dashboard和異常響應機制。

1. 實時數據監控

   • DS Dashboard（數據看板） 整合SFCS、QMS、設備系統的數據，實時顯示關鍵指標：如Lot流轉進度、設備利用率（OEE）、良率、異常數量等，供管理層和工程師監控。
   • QMS（質量管理系統） 預設各工序的“參數閾值”（如蝕刻深度公差），實時比對設備上傳的過程數據，若超出閾值則觸發“異常警報”（如聲光報警、系統彈窗）。

2. 異常處理與追溯

   • 異常發生時（如參數超差、設備故障），SFCS自動暫停Lot流轉，并通知工程師處理。
   • 工程師通過CIM系統調閱該Lot的歷史數據（如前道工序參數、設備狀態）和QMS的“質量標準”，判斷異常原因（如設備校準偏差、原材料缺陷）。
   • 若需返工，SFCS重新規劃Lot的流轉路徑（如返回蝕刻工序）；若報廢，SFCS更新Lot狀態并通知SCM處理物料。

3. 過程檢驗集成

   • 部分關鍵工序后需離線檢驗（如SEM檢測線寬、膜厚儀測沉積厚度），檢驗設備將結果上傳至QMS，QMS判斷是否合格：合格則允許Lot進入下道工序，不合格則觸發異常處理。

5、成品測試與出貨：ATE設備的核心作用

晶圓完成所有制造工序后，需經過“晶圓測試（CP）”和“成品測試（FT）”，CIM系統整合ATE設備實現測試全流程管理，確保產品合格。

1. 晶圓測試（CP）

   • Lot流轉至探針臺（與ATE設備聯動），SFCS向ATE下發“測試程序”（如電壓、電流、頻率參數）。
   • ATE（自動測試設備） 對晶圓上的每個芯片（Die）進行電學測試（如導通性、功能完整性），并將測試數據（如“合格Die坐標”“失效模式”）通過GEM協議上傳至CIM系統。
   • QMS分析測試數據，計算“晶圓良率”，SFCS根據結果將合格Die標記為“可封裝”，不合格Die標記為“報廢”。

2. 封裝與成品測試（FT）

   • 合格Die經封裝（如塑封、引線鍵合）后形成“成品芯片”，流轉至FT測試環節（ATE設備測試封裝后芯片的性能、可靠性）。
   • ATE將FT測試數據上傳至CIM系統，QMS判定是否符合客戶規格（如工作溫度范圍、功耗），合格產品進入“成品庫”。

3. 出貨與物流

   • SFCS將合格成品信息同步至ERP，ERP生成“出貨單”，并通過CRM（客戶關系管理） 通知客戶。
   • SCM協調物流（如潔凈運輸），確保成品按交付日期送達客戶，CIM系統記錄最終出貨信息，完成生產閉環。

6、數據閉環與持續改進：基于數據的優化迭代

CIM系統收集的全流程數據（生產、質量、設備、物料）是半導體制造優化的核心依據，通過“數據匯總→分析→反饋→優化”形成閉環。

1. 數據匯總與存儲

   • CIM系統將所有數據（Lot履歷、設備參數、測試結果、異常記錄等）存儲至“制造數據倉庫”，并關聯PLM的工藝文件、ERP的訂單信息，形成“全要素數據集”。

2. 數據分析與決策支持

   • 工程師通過Dashboard或專業工具（如良率分析系統）分析數據：如設備OEE低的原因（故障頻發？換型時間長？）、某工序良率波動的根源（原材料批次？工藝參數漂移？）。
   • 分析結果反饋至APS（優化排程，如避開設備維護高峰）、PLM（更新工藝參數，如調整蝕刻時間）、QMS（優化質量閾值）。

3. 持續改進

   • 基于數據優化的結果，CIM系統更新生產規則（如SFCS的Lot調度邏輯）、設備參數（如通過GEM協議遠程更新Recipe），最終實現產能提升、良率改善、成本降低。

三、概念詳解

企業層

ERP（Enterprise Resource Planning，，企業資源計劃）

1. 資源管理：整合人力、財務、庫存等企業資源
2. 訂單管理：從CRM接收訂單并生成生產計劃
3. 成本控制：實時核算制造成本并優化預算分配
4. 供應鏈協同：與SCM系統共享物料需求預測

• 典型案例：三星電子通過ERP系統實現全球7個生產基地的統一排產，庫存周轉率提升30%

SCM（Supply Chain Management，供應鏈管理）

1. 供應商管理：評估供應商績效并優化采購策略
2. 物流跟蹤：監控晶圓、化學品等物料的運輸狀態
3. 風險預警：提前識別關鍵物料（如光刻膠）的短缺風險
4. 產能規劃：根據市場需求調整晶圓代工產能分配

• 技術亮點：應用區塊鏈技術實現供應鏈數據不可篡改，如英特爾的晶圓供應鏈溯源系統

CRM（Customer Relationship Management）

1. 訂單入口：接收客戶訂單并自動生成生產需求
2. 需求預測：分析歷史訂單數據預測市場趨勢
3. 客戶服務：跟蹤產品交付狀態并處理質量投訴
4. 定制化支持：管理客戶特殊工藝要求（如汽車芯片的AEC-Q100標準）

• 典型應用：高通通過CRM系統實現5G芯片訂單的快速響應，客戶滿意度提升至92%

計劃層

APS（Advanced Planning and Scheduling）

• 位置：計劃層核心系統
• 作用：
  1. 需求排程：根據ERP訂單生成最優生產計劃
  2. 資源優化：平衡設備產能與物料可用性
  3. 動態調整：實時響應設備故障、訂單變更等突發情況
  4. 瓶頸分析：識別產能瓶頸并提出擴產建議
• 算法支持：采用遺傳算法、約束理論（TOC）等優化排程，如中芯國際的APS系統使晶圓廠產能提升18%

PLM（Product Lifecycle Management）

• 位置：計劃層與企業層的橋梁
• 作用：
  1. 研發管理：管理芯片設計文檔、EDA工具數據及專利信息
  2. 工藝協同：與MES系統共享BOM（物料清單）和工藝路線
  3. 變更控制：跟蹤設計變更對生產的影響（如掩膜版修改）
  4. 合規管理：確保產品符合RoHS、REACH等環保法規
• 技術實現：與Cadence、Synopsys等EDA工具集成，如臺積電的3D IC設計協同平臺

執行層

SFCS（Shop Floor Control System，車間制造控制系統）

• 位置：執行層核心系統，與MES緊密集成
• 作用：
  1. 實時監控：通過SCADA系統采集設備狀態（OEE、停機時間）
  2. 生產調度：根據APS指令動態調整產線任務分配
  3. 異常處理：自動觸發設備警報并調度維護人員
  4. 數據整合：匯總設備數據生成生產日報
• 典型應用：臺積電的TOCS系統通過SFCS實現全廠設備稼動率提升至95%以上

AMHS（Automated Material Handling System，自動物料搬運系統）

• 位置：執行層關鍵子系統
• 作用：
  1. 物料運輸：通過OHT、AGV等設備自動搬運FOUP
  2. 智能調度：根據生產計劃優化運輸路徑
  3. 庫存管理：控制Stocker中的晶圓存儲量
  4. 環境控制：在潔凈室中維持FOUP的溫濕度穩定性
• 技術參數：OHT運輸速度可達5m/s，AMHS系統整體效率影響晶圓廠30%的產能

設備層

GEM（Generic Equipment Model，，通用設備模型）

• 位置：設備層通信協議，基于SECS-II標準
• 作用：
  1. 設備互聯：定義Host（如MES）與Equipment（如刻蝕機）的通信規范
  2. 指令交互：支持遠程控制設備啟動/停止、配方切換
  3. 數據采集：實時傳輸設備狀態（如真空度、溫度）
  4. 標準化接口：確保不同廠商設備的兼容性
• 技術實現：采用HSMS（E37）協議通過TCP/IP實現高速數據傳輸，典型應用于ASML光刻機與應用材料刻蝕機的協同作業

ATE設備（Automatic Test Equipment）

• 位置：位于制造流程的后端測試環節，屬于設備層關鍵設備
• 作用：
  1. 功能驗證：對晶圓或芯片進行電氣性能測試，檢測開路/短路等缺陷
  2. 參數校準：調整芯片工作電壓、頻率等參數至設計規格
  3. 數據采集：通過GEM協議實時上傳測試數據至QMS系統
  4. 良率分析：生成測試報告供工藝部門優化制程參數
• 典型應用：在300mm晶圓廠中，ATE設備每小時可測試數萬顆芯片，測試數據直接影響最終產品的出貨質量

QMS（Quality Management System，質量管理系統）

• 位置：執行層與設備層的質量控制中樞
• 作用：
  1. 質量標準：定義檢驗流程及抽樣方案
  2. 數據追溯：關聯晶圓Lot號與測試數據（如ATE的CP測試結果）
  3. SPC控制：通過統計過程控制識別工藝波動
  4. 持續改進：生成8D報告推動質量改進項目
• 典型案例：SK海力士的QMS系統實現DRAM芯片良率提升至99.5%

物理層

FOUP（Front Opening Unified Pod，前開式晶圓盒）

• 位置：物理載體，貫穿整個制造流程
• 作用：
  1. 晶圓保護：在運輸過程中防止顆粒污染
  2. 環境控制：維持內部潔凈度Class 1級
  3. 數據載體：通過RFID芯片記錄晶圓Lot信息
  4. 標準化接口：兼容所有主流設備的Loadport
• 技術發展：新一代FOUP采用碳化硅材料，重量減輕40%且抗靜電性能提升

OHT（Overhead Hoist Transport）

• 位置：AMHS系統的核心運輸工具
• 作用：
  1. 空中運輸：在潔凈室天花板軌道上搬運FOUP
  2. 高密度存儲：支持UTS（Under-Track Storage）技術減少占地面積
  3. 精準對接：自動連接設備Loadport實現無人工干預
  4. 故障冗余：多臺OHT協同工作確保運輸連續性
• 典型應用：三星平澤晶圓廠的OHT系統實現每小時搬運2000個FOUP

四、典型應用場景

1. 智能工廠案例：臺積電南京廠通過CIM系統實現：
   • 設備自動化率98%
   • 生產周期縮短25%
   • 人力成本降低60%
2. 質量追溯案例：美光通過QMS系統實現：
   • 缺陷定位時間從2小時縮短至10分鐘
   • 客戶投訴處理效率提升70%
3. 供應鏈協同案例：英特爾與ASML通過SCM系統實現：
   • 光刻機交付周期縮短30%
   • 緊急訂單響應時間從7天縮短至24小時

五、技術發展趨勢

1. AI融合：機器學習優化APS排程，預測設備故障
2. 數字孿生：構建虛擬晶圓廠模擬生產過程
3. 5G應用：實現設備遠程控制與高清視頻監控
4. 邊緣計算：在設備端實時處理數據減少延遲

半導體CIM系統通過多層次架構和組件協同，實現了從設計到量產的無縫銜接，ATE設備作為測試環節的"質量守門員"，與其他系統共同構建了高可靠性、高效率的半導體制造體系。隨著技術演進，CIM系統將向更智能、更柔性的方向發展，持續推動半導體產業的進步。

附錄

（一）基礎通信協議

1. SECS（Semiconductor Equipment Communication Standard，半導體設備通信標準）
   • 體系結構：
     • SECS-I（物理層）：定義RS232/HSMS通信接口，支持9600bps至100Mbps速率
     • SECS-II（應用層）：采用SML（SECS Markup Language）格式封裝數據，如設備狀態消息格式為<L(2)<B(1)0x00><L(0)>>
   • 應用場景：ASML光刻機通過SECS協議接收MES的Recipe參數，同步曝光劑量調整指令

（二）設備自動化系統

2. EAP（Equipment Automation Protocol，設備自動化協議）
   • 功能模塊：
     • 配方管理（RMS）：自動加載設備參數，亞控EAP平臺實現配方校驗準確率100%
     • 遠程控制：支持設備啟停、參數修改等操作，臺積電EAP系統減少80%手動干預
   • 技術實現：基于EtherCAT協議，實現微秒級數據交互，格創東智EAP響應時間<50ms

（三）倉儲與物流延伸

3. WMS（Warehouse Management System，倉儲管理系統）
   • 半導體專用功能：
     • 潔凈度管控：通過粒子計數器實時監測，超標時自動鎖定區域門禁（如ISO 6級潔凈度要求）
     • 危化品管理：光刻膠柜集成稱重傳感器，開封后自動啟動保質期倒計時
   • 案例：金瑞泓WMS系統通過RFID標簽追蹤晶圓盒，庫存準確率提升至99.98%

（四）高級過程控制

4. APC（Advanced Process Control，先進過程控制）
   • 技術原理：
     • 模型預測控制（MPC）：基于歷史數據建立工藝模型，動態調整蝕刻深度等參數，臺積電APC系統提升良率2.3%
     • 反饋校正：實時比對OES（光學發射光譜）數據，應用材料刻蝕機實現納米級精度控制

（五）質量與維護系統

5. FDC（Fault Detection and Classification，故障檢測與分類）

   • 實施路徑：
     • 特征提取：分析設備振動、電流等參數，識別潛在故障（如光刻機激光源衰減）
     • 分類決策：基于SVM算法自動區分“需停機維護”與“可繼續運行”狀態，中芯國際FDC誤報率<0.5%

6. EMS（Equipment Maintenance System，設備維護系統）

   • 智能維護：
     • 預測性維護：通過振動傳感器數據訓練LSTM模型，預測真空泵故障，維護周期延長30%
     • 知識庫管理：存儲設備歷史故障案例，工程師移動端可查詢解決方案

（六）數據與決策支持

7. DS Dashboard（Data Dashboard，數據儀表盤）
   • 可視化技術：
     • 實時看板：整合OEE、良率、在制品數量等指標，臺積電中控室大屏刷新率達1秒/次
     • 異常預警：采用顏色編碼（紅/黃/綠）顯示設備狀態，三星某廠異常響應時間縮短至2分鐘