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Revista EIA, ISSN 1794-1237 Número 7, p. 9-24. Junio 2007 Escuela de Ingeniería

Revista EIA, ISSN 1794-1237 Número 7, p. 9-24. Junio 2007 Escuela de Ingeniería de Antioquia, Medellín (Colombia) Modélisation conceptuelle d’une unité de fabrication microélectronique Jairo R. Montoya-Torres* RÉSUMÉ La modélisation des systèmes de production est difficile en raison du nombre et de la diversité des paramètres à prendre en compte et de la complexité des relations entre ces paramètres. Dans cet article, nous nous intéressons à l’étude d’une unité complètement automatisée de fabrication de wafers semi-conduc- teurs (fab). Dans la littérature, leur analyse est très souvent réalisée en utilisant des modèles de simulation à événements discrets, mais ces travaux ne présentent pas une véritable conceptualisation du modèle utilisé. L’objectif de cet article est de conceptualiser, à travers des méthodologies formelles, tous les composants d’une unité de production microélectronique: au niveau macro, le système physique de production et son système de supervision, ainsi que, au niveau micro, le processus de fabrication. Ces approches nous aideront à identifier les objets du modèle et leurs interactions permettant ensuite de développer un programme de simulation pour l’analyser du fonctionnement dynamique du system. MOTS-CLÉS: modélisation; semi-conducteurs; process-interaction; réseaux de Petri. RESUMEN La modelación de los sistemas de producción es una tarea difícil debido al número y diversidad de variables que deben tenerse en cuenta y a la complejidad de las relaciones entre dichas variables. En este artículo, nos interesamos en el estudio de una unidad completamente automatizada para la fabricación de “wafers” semiconductores (llamada “fab”). En la literatura, el análisis se realiza comúnmente empleando mo- delos de simulación de eventos discretos, pero esos trabajos no presentan una verdadera conceptualización del modelo empleado. El objetivo de este artículo es conceptualizar, por medio de metodologías formales de modelación, todos los componentes de una planta de fabricación microelectrónica: en el nivel macro, el sistema físico de producción y su sistema de control, así como, en el nivel micro, el proceso de fabricación. * Doctor en Ingeniería Industrial, École des Mines de Saint-Étienne y Université Jean Monnet, Saint-Étienne, Francia. Master of Science in Industrial Engineering and Management, Institut National Polytechnique de Grenoble, Francia. Ingeniero Industrial, Universidad del Norte, Barranquilla. Profesor Asociado y Director del programa de Adminis- tración de Mercadeo y Logística Internacionales, Universidad de La Sabana. Artículo recibido 6-XII-2006. Aprobado 27-III-2007 Discusión abierta hasta diciembre de 2007 10 Revista EIA Modélisation conceptuelle d’une unité de fabrication microélectronique Estos enfoques nos ayudarán a identificar los objetos del modelo y sus interacciones para permitir así el desarrollo de un programa de simulación para analizar el funcionamiento dinámico del sistema. PALABRAS CLAVE: modelación; semiconductores; process-interaction; redes de Petri. ABSTRACT The modelling of industrial systems is a very hard task because of both the number and diversity of parameters to take into account, and the complex relations between these parameters. In this paper, we are interested on the study of a fully automated Integrated Circuit (IC) semiconductor manufacturing plant (fab). In the semiconductor literature, fab behaviour analysis has very often been performed using discrete-event simulation models, but little work has been devoted to the conceptualisation of the modelling approach. Other works focus on the analysis of single parts of the fab, by simplifying the relations between its components. In such a context, the aim of this paper is to use formal methodologies to model all the components of a wafer fab, that is, its physical and control systems, as well as the fabrication process. This model specification can then be used to build a simulation model for the dynamic factory behaviour analysis. KEY WORDS: modelling; semiconductors; process-interaction approach; Petri nets. 1. Introduction La modélisation des systèmes de production à des fins de dimensionnement et d’évaluation de performance est difficile en raison du nombre et de la diversité des paramètres à prendre en compte et de la complexité des relations entre ces paramètres. En particulier, dans la fabrication de wafers semi- conducteurs, la complexité de la modélisation du processus de production est due principalement au très grand nombre d’opérations à réaliser sur un même produit, avec des passages multiples sur une même séquence de postes. L’analyse de stratégies de gestion de la production dans les unités micro- électroniques nécessite donc impérativement au préalable une bonne modélisation du système de fabrication. Un bon modèle ne sert pas uniquement à faciliter l’utilisation du système de gestion, mais également à suivre de façon efficace le statut des lots et des machines dans les ateliers, ce qui permettra à la fois de choisir la bonne stratégie pour le pilotage en temps réel de la production et du transport de lots, et de mettre en œuvre une démarche formelle d’optimisation de la gestion du système. Cet article fait partie d’une démarche d’analyse et d’optimisation de la performance industrielle dans la fabrication de semi-conducteurs. Celle-ci étant composée de plusieurs étapes, notre objectif ici est de conceptualiser, à l’aide de méthodologies formelles de modélisation, tous les composants d’une unité de production de wafers semi-conducteurs afin de mieux comprendre les interactions entre ces com- posants et ainsi mettre en place une méthodologie d’optimisation. Cet article est organisé comme suit. Dans la sec- tion 2 nous présentons une brève description du pro- cessus de fabrication de wafer semi-conducteur. Cette présentation est essentielle pour bien comprendre sa nature complexe et l’importance de disposer de modè- les du système permettant son analyse et optimisation. L’approche méthodologique, ainsi que l’objectif de cet article est décrit dans la section 3. La section 4 présente le niveau macro de notre modèle conceptuel, c’est-à- dire, la modélisation du système physique et du système de supervision. Le modèle du processus de fabrication de wafers est décrit dans la section 5. L’article se termine dans la section 5 avec la présentation des conclusions et quelques perspectives de travail. 11 Escuela de Ingeniería de Antioquia 2. La fabrication des wafers La fabrication des composants électroniques, que l’on trouve sur les cartes à puces, les cartes mé- moires et les constituants de la microinformatique (microprocesseurs), est réalisée aujourd’hui sur des substrats de silicium (wafers) de 200 et 300 mm de diamètre. Ce processus de fabrication est très com- plexe en termes de gestion des opérations et de la production. Dans cette section, nous présentions d’abord une description générique de la fabrication de wafers. Ensuite, nous nous focalisons sur les as- pects de cet environnement industriel qui font de la gestion des opérations particulièrement difficile dans la pratique. 2.1 Description générique du processus de fabrication Le processus de fabrication de wafers semi- conducteurs consiste en une longue succession d’étapes très différentes. Ces étapes peuvent être schématisées par une succession d’empilements de matériaux en couches minces sur un support de silicium. Certains matériaux sont présents de façon très localisée, alors que d’autres sont en film quasi- ment continus. Chaque matériau a une application précise: diélectrique pour l’isolation, conducteurs pour les interconnexions, barrières de diffusion, pas- sivation, etc. Même si les technologies de fabrication des composants électroniques ont beaucoup évolué depuis les années 1960, certains principes ont été conservés. Bien entendu, la technologie est subor- donnée aux contraintes qui résultent des propriétés fondamentales des semi-conducteurs. Les conditions de fabrication peuvent varier d’une compagnie à une autre car les procédés utilisés par chaque fabricant dépendent du produit fabriqué et de la technologie utilisée. Le tableau 1 résume les principaux procédés et leur description. Tableau 1. Description des étapes de la fabrication des wafers Procédé Description Photo-lithographie Transpose une structure sur la plaquette Gravure (sèche ou humide) Enlève du matériau de la surface de la plaquette Implantation ionique Définit des zones actives Diffusion Diffuse du matériau sur la surfa ce de la plaquette Oxydation Ajout une couche de dioxyde de silicium Déposition Dépose un matériau diélectrique ou métallique Polissage mécano- chimique Diminue l’épaisseur de la pla quette De manière générique, la fabrication d’une puce sur une plaquette de silicium consiste en plu- sieurs types de procédés. Leur but est d’ajouter, de modifier ou d’enlever des couches de matériaux sur certaines régions de la surface de la plaquette (appelée wafer lors du processus de fabrication). Les procédés qui ajoutent des couches sont la déposition (chimique ou physique) et l’oxydation thermique. Les procédés qui modifient les couches sont la diffusion et l’implantation ionique. Le procédé de gravure est utilisé pour enlever du matériau. Un procédé appelé photo-lithographie est appliqué pour différencier les régions qui seront concernées par l’un ou l’autre des procédés. Une fois le wafer termine toutes les opérations de sa gamme, seules les puces de bonne qualité sont utilisables par la suite. Un wafer comportant de nombreux circuits identiques doit être découpé, puis chaque puce élémentaire sera montée sur un support (grille multipatte) et enfin, après soudure des liaisons composant-pattes de sortie, le com- posant sera encapsulé (packaging). Le produit fini doit ensuite passer par une étape d’inspection qui mesure les caractéristiques de ses performances sous différentes contraintes. Une fois ce test réussi, le circuit intégré peut être envoyé au client. Dans cet 12 Revista EIA Modélisation conceptuelle d’une unité de fabrication microélectronique article, nous nous intéressons à l’étape de fabrication des wafers semi-conducteurs. Comme nous avons uploads/Industriel/ modelisation-conceptuelle-d-x27-une-unite-de-fabrication-microelectronique.pdf