半导体制造中组合设备的建模、优化调度与控制

发布时间：2017-10-05 11:35

  本文关键词：半导体制造中组合设备的建模、优化调度与控制

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【摘要】：晶圆制造业是当今最先进和最复杂的制造工业之一。为了提高晶圆制造中产品质量和达到产品所需的高精密要求,组合设备广泛用于晶圆加工。组合设备是一种自动化集成设备,它由若干个加工模块,一个传输模块(单臂机械手或双臂机械手)和两个用于晶圆盒装卸的真空锁组成。由于该设备非常昂贵,有效的优化调度与控制方法以提高设备利用率显得非常重要。组合设备的调度需要考虑许多约束条件,它们包括：1)晶圆驻留时间约束。对于某些晶圆加工工艺,如低压化学沉积工艺,具有严格的晶圆驻留时间约束。它要求晶圆在组合设备中的一个加工模块中加工完成后,在限定的时间内移出,否则加工模块中的化学气体和高温会损坏晶圆。由于组合设备中,加工模块之间没有缓冲装置,使得调度组合设备中机械手的作业以满足晶圆驻留时间约束变的非常复杂与困难；2)活动时间波动。在实际生产系统中,组合设备运行时有可能发生异常事件,这会导致活动时间波动。如机械手作业时间延迟,加工模块的加工延迟和计算机的处理延迟。这些活动时间延迟会导致在确定活动时间假设下获得的可行调度变得不可行；3)晶圆重入加工。对于一些加工工艺,如原子层沉积工艺,要求晶圆在某些加工模块重复加工多次。这使得系统不再是一个流水作业系统。因为重入加工过程可能导致生产系统死锁,所以调度具有重入加工工艺的系统非常困难；4)加工模块的故障。对于具有晶圆驻留时间约束的组合设备,如果某一步骤的并行加工模块出现故障后,如何调度该设备使得其可以继续加工晶圆且不违反驻留时间约束是一个研究难点。由这些约束可以看出,组合设备的调度问题是非常复杂和困难的。实际上,组合设备的调度问题属于NP-hard问题。因此寻求有效的调度与控制方法对于组合设备具有重要的理论意义。有效的调度与控制方法可以保障生产线高效稳定运转,提高产品的质量与生产率,减少资源浪费。这对整个半导体制造行业具有重要的实际应用价值。本文研究组合设备的调度与控制问题。由于Petri网可以很好地描述离散事件系统中的并发性,它被广泛地用于对制造系统建模,如自动化制造系统等。本文采用Petri网对组合设备进行建模。基于所建立的Petri网模型,本文的研究内容如下：1)研究具有晶圆驻留时间约束和活动时间波动的单臂组合设备的调度与控制问题。首先,建立系统的Petri网模型。然后推导出一个实时控制策略尽可能地消除活动时间波动对系统的影响。基于Petri网模型与实时控制策略,分析由活动时间波动所引起的晶圆驻留时间延迟。之后,建立系统可调度判定条件和调度算法。如果可调度条件判定系统可调度,那么可由调度算法确定一个最优的离线调度。该离线调度与实时控制策略合起来形成一个实时调度。由于调度算法是由简单的解析表达式组成,因此可以有效地执行且是最优的。最后,给出了实例验证本文提出的调度方法的有效性;2)研究具有重入加工工艺和晶圆驻留时间约束的双臂组合设备的调度问题。首先建立系统的Petri网模型。然后给出了一个单晶圆调度方法。基于所建立的Petri网模型与单晶圆调度方法,推导出系统可调度的充分必要条件并给出了调度算法。如果判定系统可调度,那么可以由调度算法获得一个最优调度。调度算法是由简单的解析表达式组成。因此可以有效地执行。最后,给出了实例验证本文提出的调度方法的有效性;3)研究具有晶圆驻留时间约束的单臂组合设备中加工模块故障响应问题。首先建立系统的Petri网模型。基于所建立的Petri网模型,给出了系统中加工模块故障后系统的响应策略。该响应策略可以使得系统从故障前的稳态过渡到故障后的稳态且不违反晶圆驻留时间约束。该故障响应策略是由简单的控制规则组成,因此可以有效地实时调度该系统。最后,给出了实例验证本文提出的调度方法的有效性。
【关键词】：半导体制造 组合设备 Petri网 调度与控制
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN305
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 选题背景及研究意义15-17
• 1.1.1 选题背景15-16
• 1.1.2 研究意义16-17
• 1.2 组合设备的调度研究综述17-21
• 1.2.1 组合设备的结构17-18
• 1.2.2 晶圆流模式18
• 1.2.3 组合设备的调度与控制18-21
• 1.3 本课题的研究内容21-23
• 1.3.1 课题来源21
• 1.3.2 研究内容21-23
• 第二章 Petri网简介23-32
• 2.1 引言23-24
• 2.2 Petri网的基本概念24-25
• 2.3 面向进程的Petri网25-27
• 2.4 面向资源的Petri网27-31
• 2.5 小结31-32
• 第三章 具有驻留时间约束和活动时间波动的单臂组合设备的调度32-67
• 3.1 引言32-33
• 3.2 Petri网建模33-37
• 3.2.1 生产流程建模33-35
• 3.2.2 活动时间建模35-37
• 3.3 实时控制规则37-45
• 3.4 晶圆驻留时间延迟上界分析45-54
• 3.5 可调度性条件与调度算法54-62
• 3.6 实例分析62-66
• 3.7 小结66-67
• 第四章 具有重入和驻留时间约束的双臂组合设备调度67-90
• 4.1 引言67-69
• 4.2 Petri网建模69-74
• 4.2.1 组合设备的Petri网建模69-72
• 4.2.2 对活动时间建模72-74
• 4.3 单晶圆周期调度策略74-77
• 4.4 组合设备的运行分析77-79
• 4.5 可调度性条件与调度算法79-87
• 4.6 实例分析87-89
• 4.7 小结89-90
• 第五章 单臂组合设备的故障响应策略90-109
• 5.1 引言90
• 5.2 Petri网建模90-95
• 5.3 具有晶圆驻留时间约束的单臂组合设备的可调度条件95-98
• 5.4 故障响应策略98-106
• 5.5 实例分析106-108
• 5.6 小结108-109
• 结论109-112
• 总结109-110
• 未来工作的展望110-112
• 参考文献112-123
• 攻读学位期间发表的论文123-130
• 致谢130-13

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本文编号：976578