半导体晶圆厂时变多目标生产调度优化研究

论文摘要

针对半导体晶圆制造系统（Semiconductor Wafer Fabrication System, SWFS）调度中的多目标优化和目标时变性问题,提出一种时变多目标（ Time-Variable Multiple-Objectives, TVMO）调度算法。通过引入基于模糊理论的时变模糊集合描述多目标重要程度的复杂非线性量化关系,研究SWFS的TVMO优化调度及实时派工方法。SWFS规模庞大、造价昂贵、设备繁多,具有反复重入型加工和多品种混合生产的特点,是大规模复杂重入型制造系统的典型代表。为在激烈的市场环境下求得发展,晶圆制造企业必须要同时追求多生产目标;本文则考虑业界最常使用的目标,诸如最大产品交期率、最大生产Move量和瓶颈机台最大产能利用率三种绩效目标的综合优化。然而,SWFS调度的各项目标之间互有联系和制约,且每个目标的重要程度会随着季度、月份和周等时间变量的推进而发生变化。例如,在每个月的上旬,调度策略应主要针对提高瓶颈设备的利用率来安排生产,同时兼顾获得较低的在制品水平和较短的生产周期;而在每个月份的下旬则更加注重及时交货率的满足。因此,我们将SWFS生产调度的这种多目标兼顾与随时间变化的复杂特性称为时变多目标。虽然SWFS的其生产调度一直是调度研究领域的热点问题,但目前绝大多数的调度算法仅可以在某项指标方面获得良好的绩效,在追求不同目标时往往会产生相互矛盾的结果,更没有就SWFS调度中的时变特性给出有效的解决方法。一些知名的半导体生产管理系统,如Adexa公司的RTD和PP系统皆强调其与SWFS制造执行系统的集成能力,虽可以通过设置规则来实现局部满意解,也仍没有就SWFS的时变多目标优化调度提出系统化的解决方案。针对时变多目标（TVMO）生产调度全局优化的方法与实时派工控制两个主要科学问题,提出了基于模糊理论的TVMO生产调度算法与实时派工控制的系统研究方法。本文提出了多目标优化的混合调度方法,对SWFS的各项目标建立合适的调度算法,然后根据晶圆厂生产管理专家经验所建议的系统操作方法和运行模式,利用模糊理论准确描述SWFS每天所有生产目标的权重;本文力图以系统方法描述SWFS生产计划中的各项生产目标的时变权重,以及对所有晶圆产品实时状态信息的采集和快速反映能力为SWFS中所有晶圆在制品赋予一个唯一的加工优先权序列号,该序列号决定生产线上所有晶圆批次在每台设备上的加工顺序及进行实时派工控制的重要贡献。而实时自治与协调派工控制则与生产线中的各种随机事件,如设备的实时状态、紧急批次的加入和具体的目标设定密切相关。并按照SWFS的组织结构将该体系划分为“工作站-加工区域-工厂”三个层次,实施基于TVMO的自治与协调实时派工控制机制必须依靠一套合理的实施派工控制体系。本文将TVMO生产调度理念为基础,并将TVMO生产调度中的时间变量尺度细致到最对SWFS生产管理中最重要的“调度日期”、“时刻”等时变参量,通过综合考虑调度时间的变化及不同目标重要性的变化两个时变因素,为SWFS中每个晶圆在制品批次计算出唯一的加工优先权序列号及区域派工策略各派工规则的优先顺序。探索了一套能够有效解决SWFS车间层复杂生产控制问题的科学方法。

论文目录

摘要

ABSTRACT

符号说明

第一章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.1.1 半导体晶圆制造业面临挑战

1.1.2 SWFS 的复杂性特点和科学问题的提出

1.1.2.1 SWFS 的主要复杂性特点

1.1.2.2 两个科学问题的提出

1.1.3 课题的研究意义

1.2 论文的主要内容及贡献

1.3 论文的组织结构

第二章文献综述

2.1 引言

2.2 半导体晶圆制造系统概况

2.2.1 半导体芯片制造过程简介

2.2.2 晶圆直径和芯片尺寸

2.2.3 半导体晶圆制造的基本工艺流程

2.2.4 SWFS 的设施规划及装备特征

2.3 研究文献综述

2.3.1 时变多目标生产调度研究

2.3.1.1 研究状况简介

2.3.1.2 时变多目标生产调度综述小结

2.3.2 实时生产派工研究

2.3.2.1 研究状况简介

2.3.2.2 实时生产派工研究综述小结

2.3.3 研究现状总结

第三章基于模糊理论的 TVMO 生产调度算法

3.1 引言

3.2 多目标生产控制策略

3.2.1 单一目标下的调度算法

3.2.2 多目标的加权集成

3.3 基于模糊理论的TVMO 生产调度算法

3.3.1 “调度日期”相对于“旬时变”模糊变量的权重

3.3.2 “旬时变”模糊变量约束下的目标权重

3.3.3 TVMO 调度的目标权重

3.4 本章小结

第四章基于 TVMO 的自治与协调实时派工控制机制

4.1 引言

4.2 晶圆制造系统的派工策略

4.2.1 常见的派工策略介绍

4.3 基于TVMO 的实时派工控制方法

4.3.1 加工阶段Move 量目标的計算

4.3.2 TVMO 生产调度模块

4.3.3 TVMO 实时派工模块

4.3.4 案例研究

4.4 基于混合型的多目标实时派工机制

4.4.1 SWFS 的EOPNs 建模与信息监控

4.4.2 派工系统设计

4.4.3 实时派工机制

4.4.4 实时派工的执行过程

4.4.5 案例研究－动态瓶颈实时派工

4.5 本章小结

第五章基于TVMO 生产调度算法型的实时派工仿真系统改造

5.1 引言

2平台的原型系统介绍'>5.2 ReS²平台的原型系统介绍

2原系统界面设计'>5.2.1 ReS²原系统界面设计

2平台的系统改造:TVMO-ReS²平台'>5.3 ReS²平台的系统改造:TVMO-ReS²平台

2平台的多目标调度算法界面'>5.3.1 TVMO-ReS²平台的多目标调度算法界面

2平台的时变模糊变量的输入界面'>5.3.2 TVMO-ReS²平台的时变模糊变量的输入界面

2平台的多目标损失成本界面'>5.3.3 TVMO-ReS²平台的多目标损失成本界面

5.4 案例研究

5.5 本章小结

第六章实验与分析

6.1 引言

6.2 实验一: 基于模糊理论的TVMO 生产调度算法的实验（标竿数据）

6.2.1 实验方案

6.2.2 实验结果与分析

6.3 实验二: 基于TVMO 实时派工控制系统机制（标竿数据）

6.3.1 实验方案

6.3.2 实验结果与分析

6.4 实验三: 基于模糊理论的TVMO 生产调度算法的实验（真实数据）

6.4.1 实验方案

6.4.2 实验结果与分析

6.5 本章小结

第七章结论与展望

7.1 引言

7.2 本论文的主要工作及成果

7.3 本论文的创新点

7.3 总结与展望

参考文献

附录——仿真实验数据统计

作者攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

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