半導(dǎo)體制造中組合設(shè)備的建模、優(yōu)化調(diào)度與控制.pdf

1、晶圓制造業(yè)是當(dāng)今最先進(jìn)和最復(fù)雜的制造工業(yè)之一。為了提高晶圓制造中產(chǎn)品質(zhì)量和達(dá)到產(chǎn)品所需的高精密要求，組合設(shè)備廣泛用于晶圓加工。組合設(shè)備是一種自動(dòng)化集成設(shè)備，它由若干個(gè)加工模塊，一個(gè)傳輸模塊（單臂機(jī)械手或雙臂機(jī)械手）和兩個(gè)用于晶圓盒裝卸的真空鎖組成。由于該設(shè)備非常昂貴，有效的優(yōu)化調(diào)度與控制方法以提高設(shè)備利用率顯得非常重要。
　　組合設(shè)備的調(diào)度需要考慮許多約束條件，它們包括:1）晶圓駐留時(shí)間約束。對(duì)于某些晶圓加工工藝，如低壓化學(xué)沉積工

2、藝，具有嚴(yán)格的晶圓駐留時(shí)間約束。它要求晶圓在組合設(shè)備中的一個(gè)加工模塊中加工完成后，在限定的時(shí)間內(nèi)移出，否則加工模塊中的化學(xué)氣體和高溫會(huì)損壞晶圓。由于組合設(shè)備中，加工模塊之間沒(méi)有緩沖裝置，使得調(diào)度組合設(shè)備中機(jī)械手的作業(yè)以滿足晶圓駐留時(shí)間約束變的非常復(fù)雜與困難;2）活動(dòng)時(shí)間波動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中，組合設(shè)備運(yùn)行時(shí)有可能發(fā)生異常事件，這會(huì)導(dǎo)致活動(dòng)時(shí)間波動(dòng)。如機(jī)械手作業(yè)時(shí)間延遲，加工模塊的加工延遲和計(jì)算機(jī)的處理延遲。這些活動(dòng)時(shí)間延遲會(huì)導(dǎo)致在確定活

3、動(dòng)時(shí)間假設(shè)下獲得的可行調(diào)度變得不可行;3)晶圓重入加工。對(duì)于一些加工工藝，如原子層沉積工藝，要求晶圓在某些加工模塊重復(fù)加工多次。這使得系統(tǒng)不再是一個(gè)流水作業(yè)系統(tǒng)。因?yàn)橹厝爰庸み^(guò)程可能導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)死鎖，所以調(diào)度具有重入加工工藝的系統(tǒng)非常困難;4）加工模塊的故障。對(duì)于具有晶圓駐留時(shí)間約束的組合設(shè)備，如果某一步驟的并行加工模塊出現(xiàn)故障后，如何調(diào)度該設(shè)備使得其可以繼續(xù)加工晶圓且不違反駐留時(shí)間約束是一個(gè)研究難點(diǎn)。
　　由這些約束可以看出，組

4、合設(shè)備的調(diào)度問(wèn)題是非常復(fù)雜和困難的。實(shí)際上，組合設(shè)備的調(diào)度問(wèn)題屬于NP-hard問(wèn)題。因此尋求有效的調(diào)度與控制方法對(duì)于組合設(shè)備具有重要的理論意義。有效的調(diào)度與控制方法可以保障生產(chǎn)線高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)率，減少資源浪費(fèi)。這對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體制造行業(yè)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文研究組合設(shè)備的調(diào)度與控制問(wèn)題。由于Petri網(wǎng)可以很好地描述離散事件系統(tǒng)中的并發(fā)性，它被廣泛地用于對(duì)制造系統(tǒng)建模，如自動(dòng)化制造系統(tǒng)等。本文采用Petri網(wǎng)對(duì)組

5、合設(shè)備進(jìn)行建模。基于所建立的Petri網(wǎng)模型，本文的研究?jī)?nèi)容如下:
　　1)研究具有晶圓駐留時(shí)間約束和活動(dòng)時(shí)間波動(dòng)的單臂組合設(shè)備的調(diào)度與控制問(wèn)題。首先，建立系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型。然后推導(dǎo)出一個(gè)實(shí)時(shí)控制策略盡可能地消除活動(dòng)時(shí)間波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。基于Petri網(wǎng)模型與實(shí)時(shí)控制策略，分析由活動(dòng)時(shí)間波動(dòng)所引起的晶圓駐留時(shí)間延遲。之后，建立系統(tǒng)可調(diào)度判定條件和調(diào)度算法。如果可調(diào)度條件判定系統(tǒng)可調(diào)度，那么可由調(diào)度算法確定一個(gè)最優(yōu)的離線調(diào)度。

6、該離線調(diào)度與實(shí)時(shí)控制策略合起來(lái)形成一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)度。由于調(diào)度算法是由簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式組成，因此可以有效地執(zhí)行且是最優(yōu)的。最后，給出了實(shí)例驗(yàn)證本文提出的調(diào)度方法的有效性;
　　2)研究具有重入加工工藝和晶圓駐留時(shí)間約束的雙臂組合設(shè)備的調(diào)度問(wèn)題。首先建立系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型。然后給出了一個(gè)單晶圓調(diào)度方法?；谒⒌腜etri網(wǎng)模型與單晶圓調(diào)度方法，推導(dǎo)出系統(tǒng)可調(diào)度的充分必要條件并給出了調(diào)度算法。如果判定系統(tǒng)可調(diào)度，那么可以由調(diào)度算法獲

7、得一個(gè)最優(yōu)調(diào)度。調(diào)度算法是由簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式組成。因此可以有效地執(zhí)行。最后，給出了實(shí)例驗(yàn)證本文提出的調(diào)度方法的有效性;
　　3)研究具有晶圓駐留時(shí)間約束的單臂組合設(shè)備中加工模塊故障響應(yīng)問(wèn)題。首先建立系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型?；谒⒌腜etri網(wǎng)模型，給出了系統(tǒng)中加工模塊故障后系統(tǒng)的響應(yīng)策略。該響應(yīng)策略可以使得系統(tǒng)從故障前的穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到故障后的穩(wěn)態(tài)且不違反晶圓駐留時(shí)間約束。該故障響應(yīng)策略是由簡(jiǎn)單的控制規(guī)則組成，因此可以有效地實(shí)時(shí)調(diào)度