装置稼働率とは

THEME 09 工場と産業 · 工場運営Equipment Utilization

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装置稼働率とは、装置が持っている時間のうち、実際に製品ウェーハを加工していた時間の割合です。 半導体の装置は高価で、置き場所であるクリーンルームの床も高価なので、買った装置が1日のうちどれだけ製品を加工していたかは、そのまま1枚あたりの費用に返ってきます。

止まっていた時間の内訳まで数えないと、装置の台数が足りているかの判断が勘になり、保全の人を増やすのか、部品の在庫を厚くするのか、搬送を直すのかも選べません。

分母から故障・保全・NPW・待ちを引いた残りが、製品を加工した時間

設備の総合効率はOEE（Overall Equipment Efficiency）¹と呼ばれ、稼動している時間のうち製品づくりへ振り向けられた時間の割合を引き上げることを指します。そのために減らす対象は、故障と、メンテナンス、そしてNPWの加工へ使う時間です。レシピの切り替えや段取り、次のウェーハが届くまでの待ちも、装置が製品以外へ使った側の時間に入ります。

分母から順に差し引くと、分子にたどり着きます

装置が持つ時間を分母に取り、故障と修理、予防保全と段取り、NPWの加工、ウェーハ待ちを順に差し引くと、製品を加工した時間が分子になります。どこを分母に取るかで、同じ装置の稼働率も変わります。

24時間を分母に取るのか、休日と計画停止を除いた時間を分母に取るのかで、同じ装置でも数字が変わります。工場どうしや装置どうしを比べるのは、分母をそろえてからです。

止まる回数はMTBFで、止まった長さはMTTRで数える

止まっている時間を減らすには、止まり方を2つに分けて数えます。MTBF（Mean Time Between Failure）は平均故障間隔で、ある故障から次の故障までの間に、装置が決められた働きを保っていた時間の平均です¹。MTTR（Mean Time To Repair）は平均修理時間で、壊れた装置を修理し、決められた働きへ復旧させるまでにかかる時間の平均です¹。

MTBFは「どれくらい持つのか」、MTTRは「壊れたあと何時間で戻るのか」を表します。同じ時間の中で止まっていた割合は、MTBFが長くMTTRが短いほど小さくなります。設備の管理と保全を続けると、故障や不良、突発の停止といったロスを着実に減らせます²。その結果、設備は信頼して使える状態へ近づき、MTBFが伸びてMTTRが縮み、生産性が底上げされて費用も下がります。

間隔を長くし、修理を短くすると、時間が戻ります

上の帯は故障の間隔が短く修理も長い状態、下の帯はMTBFを伸ばしMTTRを縮めた状態です。赤い区間が縮んだ分が、そのまま製品を加工できる時間へ戻ります。

打ち手は予防保全と、装置メーカーの検知・復帰の仕組み

生産装置の予防保全（PM）は、装置の品質を良くするうえで最も重い業務のひとつです¹。装置の稼働率を保ち高めるために行う仕事は、装置エンジニアリングと呼ばれます。計画的に部品を交換し、ロードポートまわりや加工室の状態を定期的にそろえる作業が、ここに入ります。

装置メーカー側の仕組みも同じ方向を向いています。キヤノンは、Lithography Plus³の異常検知機能が露光装置の状態を見張り、異常やその予兆をつかんで装置の停止を防ぐとしています。止まった場合は自動復帰機能が復旧作業を助け、自動で復帰できなかったときは装置の状態を調べて復旧手順書を示します。工場の中にある複数の露光装置のデータを一覧で見せるDash Board機能と、生産性の予測や向上のシミュレーション機能もあります。2022年9月時点の対象装置は、FPA-6300ES6aとFPA-5550iZ2です。

東京エレクトロンは、装置を納めるところからその後の保守までを切れ目なくつなぐ技術サービスとサポートによって、装置を高い稼動率で回せているとしています⁴。同社は、装置の出荷台数を86,000台以上としています。装置を買ったあとの保守の設計が、稼働率の実力を左右します。

稼働率を上げると、仕掛り・計画停止・監視の時間と引き換えになる

稼働率には3つの取引がついてきます。

1つ目は仕掛りとの取引です。装置へ絶えずウェーハを届けるには、その手前にウェーハを厚く積むのが最短の手です。ただし積むほど投入から完成までの時間が伸びます。ボトルネックから離れた装置の稼働率を上げると、仕掛りが増えてサイクルタイムが伸びます。工場全体では、ボトルネックの装置だけは厚く、それ以外は薄くという配り方になります。

2つ目は保全との取引です。予防保全を厚くすると、計画して停止させる時間が増えます。その代わり、突発の故障が減り、直すまでの時間も読めるようになります。計画停止と突発停止は、同じ「止まっている時間」でも、生産計画への響き方が違います。

3つ目はNPWとの取引です。NPWは、製品となるデバイスを作るのに使うウェーハ以外の、ダミーウェーハとQCウェーハをまとめた呼び方です¹。これらを流す時間は、製品を加工した時間の対象外になります。それでも流すのは、装置の品質を定期的にモニターし、歩留まりの崩れを早く捕まえるためです。稼働率の数字だけを追うと、この監視の時間が真っ先に削られます。

TPMは、生産システムに潜むロスをすべてゼロへ近づける生産保全の仕組みです⁵。TPMは設備のあるべき状態と今の稼働状態との開きをロスと呼び、その開きを測って改善します²。稼働率は、そのロスがどこに偏っているのかを1つの数字で示す入口です。

よくある質問（FAQ）

装置稼働率とは何ですか？

装置が持っている時間のうち、実際に製品ウェーハを加工していた時間の割合です。設備の総合効率はOEEと呼ばれ、稼動している時間のうち製品づくりへ振り向けられた時間の割合を引き上げることを指します。

稼働率が高いほど良い工場ですか？

1台だけを取り出せばそう言えます。工場全体では話が変わります。ボトルネックから離れた装置の稼働率を上げると、仕掛りが増えて投入から完成までの時間が伸びます。どの装置の稼働率を上げるのかという選び方が先に来ます。

装置が止まる理由には何がありますか？

OEEを上げるために減らす対象は、故障と、メンテナンス、そしてNPWの加工へ使う時間です。加えて、レシピの切り替えや段取り、そして次のウェーハが届くまでの待ちも、装置が製品以外へ使った側の時間に入ります。

NPWとは何ですか？

製品となるデバイスを作るのに使うウェーハ以外の、ダミーウェーハとQCウェーハをまとめた呼び方です。装置の品質を定期的にモニターするために流します。製品を加工する時間の対象外になりますが、品質を保つために要る時間です。

MTBFとMTTRとは何ですか？

MTBFは平均故障間隔で、ある故障から次の故障までの間に、装置が決められた働きを保っていた時間の平均です。MTTRは平均修理時間で、壊れた装置を修理し、決められた働きへ復旧させるまでにかかる時間の平均です。

稼働率はどうやって上げますか？

止まる回数を減らし、止まった時間を短くします。予防保全は装置の品質を良くするうえで最も重い業務のひとつで、装置の稼働率を保ち高めるために行う仕事を装置エンジニアリングと呼びます。キヤノンはLithography Plusに異常検知機能と自動復帰機能を搭載しています。

稼働率の数字を比べるとき、気をつける点はありますか？

分母の取り決めを先にそろえます。24時間を分母に取るのか、休日と計画停止を除いた時間を分母に取るのかで、同じ装置でも数字が変わります。分母をそろえてから、初めて工場どうしや装置どうしの比較になります。

比較・違いを学ぶ

ボトルネックとは── 装置稼働率は1台の時間の使われ方、ボトルネックは工場全体の出来高を表します
歩留まり（イールド）とは── 装置稼働率は何枚流せるか、歩留まりは流したうち何枚が良品かを表します

出典

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1
日本半導体製造装置協会（SEAJ）：半導体製造装置用語集（Factory Integration）seaj.or.jp a b c d e
2
日本プラントメンテナンス協会（JIPM）：設備管理・保全についてjipm.or.jp a b
3
キヤノン：Lithography Plusglobal.canon ↩
4
東京エレクトロン：サービスtel.co.jp ↩
5
JIPM：TPMjipm.or.jp ↩