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苏州大学 硕士学位论文
基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 姓名：王坤 申请学位级别：硕士 专业：工商管理 指导教师：周华明 201103
基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 中文摘要 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 中文摘要 制造业是我国经济增长的主导领域和经济转型的基础，它是对制造资源按照顾客
的要求通过制造过程转化为可供人们使用的产品，在将资源转变为产品和产品的使
用、处理过程中，消耗了有限的资源并对环境造成了污染。怎样使得制造业尽可能地
减少资源消耗和尽可能减少环境污染是2l世纪制造业面临的重大问题之一。制造业
工厂设施规划的好坏直接决定了绿色制造系统的效果，而且，设施规划是工厂一种典
型的长期决策，是改善生产系统的结构基础，是提高生产效率的主要途径。 因此，如何科学地做好工厂设施规划，优化工厂资源配置，对制造业有着重大的
意义和影响。本文根据绿色制造特点，以先进制造管理思想为基础，透过可持续发展
与科学发展观的视角，采用设施规划与系统工程的理论和方法，将绿色制造与系统化
布局规划理念相结合，归纳提炼了基于绿色制造的工厂设施规划思想。 本文以绿色制造的工厂设施规划为研究对象，主要完成了以下工作： 梳理了设施规划的基本概念，提出了基于绿色制造的工厂设施规划目标和原则。 分析了系统化设施布置方法的相关概念，归纳提炼了基于绿色制造的系统化设施
布置方法，并阐述了该方法系统化和绿色化的特点。 结合A工厂的实际情况，运用基于绿色制造的系统化设施布置方法，对A工厂
进行工厂选址、厂区内总体规划、车间布置规划等方面研究。 基于绿色制造的工厂设
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1.设施规划设计的内容
场址选择——对设施进行地区,地点的选择
布置设计——对建筑物,设备,运输通道,场地进行合理配置
搬运设计——对物料搬运路...
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生产管理188　 责任编缉：xiaohe
半导体制造车间设施规划浅析
转自： JERRY
摘要：在半导体制造业中，由于其设备的昂贵性、敏感性和制造过程的复杂性，工厂的布局一般不可以轻易更改。设计不周的不良布局将会导致庞大的物料搬运成本，无效的生产以及重新布局时所需要的大量成本。因此，工厂的设施规划已经成为半导体制造商们最关心的问题之一。本文依据设施规划的原则对半导体车间的最新布局方式作了系统的阐述。&nbsp　　关键词：设施规划；半导体制造车间；优化配置&nbsp　　中图分类号：TN305&nbsp文献标识码：A&nbsp文章编号：03)06-0021-04&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp1引言&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp设施规划发源于早期的制造业，是伴随着工业生产产生的，一直以来都是工业工程的重要分支。自泰勒时代开始，管理工程师就关心制造厂的设施规划问题，开始把“机”和“物”的管理提到一定的地位上来。二战以后，一些被战争破坏的国家出现了重建工业的时期，工厂的规模和复杂程度明显增大。由于这些变化，工厂的设施规划也日益显示出现代的特征。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp近几年来，由于半导体芯片在电脑，通信等领域的广泛应用，半导体制造业也在全球得到了飞速发展。在半导体制造业中，由于其昂贵设备的敏感性和制造过程的复杂性，工厂的布局变得不可以轻易更改，初始的不良布局结果会导致庞大的物料搬运成本、无效的生产以及重新布局时所需要的大量成本。因此，工厂的设施规划已经成为半导体制造商们最关心的问题，在建厂初期他们就不得不对工厂进行谨慎详细的规划。这样，工厂投产以后整体生产系统才能发挥最大的生产效能。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp2设施规划的内容和定义&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp各种文献对设施规划定义的表述不尽相同，但在制造业中都是把设施规划定义为对一个生产系统进行全面的、系统的规划和安排，这种规划和安排是有目的的，这就是要确定经济合理的投入，使设施得到优化的配置，以支持整个系统实现有效的运行，获得期望的产出[1]。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp从工业工程的角度考察，设施规划的范围被界定为场址选择和设施设计两个组成部分。在制造业中，设施设计又包含了车间设备布局（Facilities&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspLayout）设计和物料搬运系统（Material&nbspHandling&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspSystem）设计两个互相关联的内容。设备布局设计是对机器、设备、运输通道、场地，按照物流、人流、信息流的合理需要，做出有机组合和合理安排；物料搬运系统设计则是对物料搬运的路线、运量、搬运方法和设备、储存场地等做出合理安排。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp半导体制造车间的设施规划包括设备布局设计和物料搬运系统设计两个方面，通过这两方面的设计和优化，最终能提高半导体厂的生产效率。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp3设施规划的特殊性与重要性&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp半导体制造过程的特殊性为其制造车间的设施规划带来了特殊性，它一般按多（2～3）层结构设计。这首先是由于半导体制造过程中需要使用大量的液体（化学药品和纯净水）和气体（它们的品种可达一百种以上）。这些气体和液体都是由布置在车间下层的、对应于不同工作性能机台的各种气体、液体输送及回收管道来提供供应和回收的。此外，还有各种用于电力、气动力、照明、控制、通信等目的的电气管线，它们均与作业层的各种机台一一对应，布线极为复杂，而且牵一发而动全身；一旦作业层的机台位置发生变动，就会相应地引起各种管道、管线、支管、支线的变动。所以，现今半导体车间里的设备布局一经确定一般不会再有大的改变。其次，半导体制造机台极为昂贵（不少设备价值高达几百万美元），并且性能极为精密，因此，对工作条件要求比较苛刻。对这类设备的位置移动，除可能造成设备损坏外，而且由于位置的改变所必须对设备的重新调整，也会造成人力、物力和财力上的很大损失。第三，由于半导体制造过程中，硅圆片对洁净度的要求有着极为苛刻的要求，因此需要尽量减少其与外界接触的时间。而如果由于设施布置不合理，就很容易造成物料搬运时间增加，这一方面会增加WIP（Work&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspin&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspProcess）数，降低劳动生产率；另一方面，也会增加晶圆片暴露在空气中的时间，也就会加大其被污染的可能性，这又将直接导致良率的降低。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp此外，半导体制造是由某些主要工序如氧化、光刻和掺杂等多次重复而成，要经过300个以上的操作步骤并且要多次经过同一机台的加工才能完成，物料搬运所需的时间和费用都是十分可观。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp以上几点正是半导体制造厂要求有专业的工业工程师做设施布置，使之更为合理、有效的原因。再加上半导体产业是在一个快速增长并且是周期性变化的市场中运作的，企业要想生存，必须在一个可接受的制造周期下有足够高的产量。建厂设计阶段的设施规划布局和物料搬运系统决定了投产以后的制造周期和产量，为了寻求生产系统的最优运行效果，必须在系统设计时就优化其布置方案[3]&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp4设备布局设计&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp4.1&nbsp一般原则&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（1）要按车间分工确定的车间生产纲领和生产类型为依据，确定车间的生产组织形式和设备布局的形式。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（2）要求工艺流程通顺，物料搬运短捷方便，避免往返交叉。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（3）要根据工艺流程选择适当的建筑形式，采用适当的高度、跨度、柱距，配备适当等级的起重运输设备，充分利用建筑物的空间。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（4）要对车间的所有组成部分，包括机器、工作位置、毛坯与零件存放地、检验试验用地、辅助部门、通道、公用管线、办公室、生活卫生设施等，合理区划和协调配置。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（5）为工人创造安全、舒适的工作环境，使采光、照明、通风、采暖、防尘、防噪音等具有良好的条件，将工位器具设在合适的部位，便于工人完成作业。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（6）具备适当生产变化的柔性。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp4.2&nbsp设备布局&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp以前，不同的工艺设备都放置在同一个车间，或者把相关工艺的设备摆放在一起，比如把所有的防湿工作台和蚀刻系统放在一起，这样虽然有利于改进工作量的平衡和设备的生产率，但这种紧密摆放的方法容易因为晶圆片需要在各工序之间传送很长的距离而导致生产周期的延长。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp近年来，在半导体制造业中大多数已在投产使用的8英寸晶圆制造车间和那些为将来投产使用设计的12英寸晶圆制造车间采用隔间的布局构造&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp[4,6]。在这种方式中，车间被分为许多隔间来放置工艺设备，通常每个隔间都放置一批相同的设备，比如在光刻区放置的都是曝光机。在每个隔间中都设有缓冲区，可以存放等待加工的晶圆片。由于制造过程中需要大量的气体和液体来氧化和清洗晶圆片，车间一般都分为两层，上层放置设备，晶圆片的缓冲区等；下层为各种气体、液体输送及回收管道，此外还有电力、照明、控制、通信等各种电气管线。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp在8英寸和12英寸的晶圆制造车间中存在其他更优的布局策略，并且具有诸多优点：第一，有利于设备的操作和维护，并能为将来设备的添加提供一定的空间；第二，因为每个隔间都有自己的缓冲区，所以设备利用和相对库存都能够达到最优，从而减小生产周期；第三，由于不同的工艺对设施有着独特的要求；比如光刻区需要隔震，隔间布局能满足不同工艺的不同要求。图1是一个12英寸晶圆片制造车间目前采用的布局构造&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp[4]&nbsp。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp5物料搬运系统设计&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp5.1&nbsp一般原则&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（1）减少环节，简化作业流程，实现物流合理化。物料搬运不仅不增加货物的价值和使用价值，相反还会产生附加成本和增加货物的破损可能性，因此作业环节越少越好，尽可能避免重复搬运。同时要注意工步间、工序间的衔接，做到作业的连续性，作业路径尽量缩短，避免迂回和交叉运行，按生产工艺流程组织作业。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（2）以满足生产工艺的需要为前提，充分发挥机械设备的利用率。物料搬运机械设备的选用和配备，在满足生产工艺需要的前提下，要考虑各种设备的充分利用，以安排得当为要。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（3）贯彻系统化、标准化的原则。物料搬运本身是一个系统，因此搬运作业与物流的其它环节之间，搬运作业与生产工艺各工序、工步之间要协调，才能做到物流合理，提高生产效益。搬运的工艺、装备、设施，货物的单元、运载工具、存储装置，信息流各种形式，组织管理方式乃至标志，用语等都应当标准化、系列化、通用化，这是实现物料搬运作业现代化的前提。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp（4）步步活化，省力节能。在搬运过程中，下一步比前一步更便于作业时称为“活化”；物料搬运的工序、工步应设计得使物料的活性指数提高（至少不降低），叫做步步活化。还应采取节省劳力和降低能耗的措施。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp5.2&nbsp系统设计&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp过去，5英寸和6英寸晶圆制造由于晶圆片的面积较小，重量较轻，物料搬运系统都采用人工搬运的方式。人工搬运系统存在诸多不足：第一，由于半导体制造车间对空气洁净度的要求很高，操作工多，车间空气被污染的可能性就会增加，导致晶圆片良率降低；第二，操作工每做一个工步就需要往电脑中输入这个工步的名称，操作工有时会忘记输入，等过了几个工步想起后再输入就会导致系统数据库数据出错；第三，随着晶圆片面积的增大，重量的增加，放置25片晶圆片的运载工具的重量已经超过人力搬运所能负荷的范围。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp目前，8英寸和12英寸的晶圆制造车间中，一般都使用空中单轨铁路系统[7]来在隔间之间和隔间内部搬运物料，称为连接式自动物料搬运系统[5]&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp，如图2所示。这种自动物料搬运系统可以分成两大部分：一个是interbay搬运系统，主要负责加工中心间的搬运任务；另一个是intrabay搬运系统，主要负责加工中心内的搬运任务。其中interbay轨道采用脊椎式的设计方式[7]，另外在intrabay轨道中设回转道，以利于intrabay内的搬运，且系统中仍存在仓储以作为暂时存放晶舟或是转运的功能，使得系统具有相当大的弹性。现已投产的8英寸晶圆制造车间还有操作工，主要负责装载和卸载小车中的晶圆片，但即将投产的12英寸晶圆制造车间将采用无人的全自动方式。&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp6&nbsp结束语&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp随着集成电路晶圆尺寸与集成度之提高，特别是进入以8英寸晶圆制造为主的时代后，建厂成本也日益提高。专家预计，用于12英寸晶圆制造的一个厂房的建设费用就会高达二十亿美元，所以，一个好的设施规划方案不但可以提高制造系统整体的绩效，增加制造过程的流畅性，更是决定公司最终是否获利的关键因素&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp[2]&nbsp。Applied&nbspMaterials公司曾估计，在工厂生产上量期间，每星期多生产300&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp个晶圆片，对工厂而言就意味着增加67.5万美元的年收入。因此工厂越早达到其满设计能力，就能够越快地进入投资回收阶段，也就越有可能获得更多的利润。
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