半導體制造中組合設備的建模、優(yōu)化調度與控制.pdf

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

2、藝，具有嚴格的晶圓駐留時間約束。它要求晶圓在組合設備中的一個加工模塊中加工完成后，在限定的時間內移出，否則加工模塊中的化學氣體和高溫會損壞晶圓。由于組合設備中，加工模塊之間沒有緩沖裝置，使得調度組合設備中機械手的作業(yè)以滿足晶圓駐留時間約束變的非常復雜與困難;2）活動時間波動。在實際生產系統(tǒng)中，組合設備運行時有可能發(fā)生異常事件，這會導致活動時間波動。如機械手作業(yè)時間延遲，加工模塊的加工延遲和計算機的處理延遲。這些活動時間延遲會導致在確定活

3、動時間假設下獲得的可行調度變得不可行;3)晶圓重入加工。對于一些加工工藝，如原子層沉積工藝，要求晶圓在某些加工模塊重復加工多次。這使得系統(tǒng)不再是一個流水作業(yè)系統(tǒng)。因為重入加工過程可能導致生產系統(tǒng)死鎖，所以調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。對于具有晶圓駐留時間約束的組合設備，如果某一步驟的并行加工模塊出現(xiàn)故障后，如何調度該設備使得其可以繼續(xù)加工晶圓且不違反駐留時間約束是一個研究難點。
　　由這些約束可以看出，組

4、合設備的調度問題是非常復雜和困難的。實際上，組合設備的調度問題屬于NP-hard問題。因此尋求有效的調度與控制方法對于組合設備具有重要的理論意義。有效的調度與控制方法可以保障生產線高效穩(wěn)定運轉，提高產品的質量與生產率，減少資源浪費。這對整個半導體制造行業(yè)具有重要的實際應用價值。本文研究組合設備的調度與控制問題。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，它被廣泛地用于對制造系統(tǒng)建模，如自動化制造系統(tǒng)等。本文采用Petri網(wǎng)對組

5、合設備進行建模?；谒⒌腜etri網(wǎng)模型，本文的研究內容如下:
　　1)研究具有晶圓駐留時間約束和活動時間波動的單臂組合設備的調度與控制問題。首先，建立系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型。然后推導出一個實時控制策略盡可能地消除活動時間波動對系統(tǒng)的影響?；赑etri網(wǎng)模型與實時控制策略，分析由活動時間波動所引起的晶圓駐留時間延遲。之后，建立系統(tǒng)可調度判定條件和調度算法。如果可調度條件判定系統(tǒng)可調度，那么可由調度算法確定一個最優(yōu)的離線調度。

6、該離線調度與實時控制策略合起來形成一個實時調度。由于調度算法是由簡單的解析表達式組成，因此可以有效地執(zhí)行且是最優(yōu)的。最后，給出了實例驗證本文提出的調度方法的有效性;
　　2)研究具有重入加工工藝和晶圓駐留時間約束的雙臂組合設備的調度問題。首先建立系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型。然后給出了一個單晶圓調度方法。基于所建立的Petri網(wǎng)模型與單晶圓調度方法，推導出系統(tǒng)可調度的充分必要條件并給出了調度算法。如果判定系統(tǒng)可調度，那么可以由調度算法獲

7、得一個最優(yōu)調度。調度算法是由簡單的解析表達式組成。因此可以有效地執(zhí)行。最后，給出了實例驗證本文提出的調度方法的有效性;
　　3)研究具有晶圓駐留時間約束的單臂組合設備中加工模塊故障響應問題。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)的響應策略。該響應策略可以使得系統(tǒng)從故障前的穩(wěn)態(tài)過渡到故障后的穩(wěn)態(tài)且不違反晶圓駐留時間約束。該故障響應策略是由簡單的控制規(guī)則組成，因此可以有效地實時調度