晶圆制造中具有多约束耦合的组合设备调度与运行控制优化

Wafer fabrication is front-end of semi-conductor manufacturing, but equipment is key for wafer fabrication. Cluster tool is an automation equipment of modularity, reconfiguration and high efficiency. Because cluster tool processes are strong coupling, these key problems of feasibility, real-time and optimization are still open. Reusable models are built by oriented-resource and timed-Petri net and by simulation platform, which are suitable for different wafer flow fabrications, including revisiting. Based on these models, making use of the theory of discrete manufacturing system, constraints and decoupling , constraints coupling characters among wafer residency time constraint, processing time of PM, robot loading or unloading time are analyzed by theory computation and simulation optimization. Through ways of decoupling, the effects between delay time and system schedulability caused by processing time fluctuation, robot loading or unloading time fluctuation and system failures. The optimization methods of real-time scheduling and operation control for different wafer flow patterns for cluster tool on the condition of operation time fluctuation and system failures. These researches should enrich the theory of modeling and control optimization for manufacturing system, and provide operation and control for equipments of wafer fabrication. Furthermore, it is important for semiconductor industry in China to enhance competitiveness.

半导体制造的前端是晶圆制造，而装备是晶圆制造的关键。组合设备是模块化、可重构和高效的自动化设备。由于组合设备晶圆加工过程的强耦合性，调度的可行性、实时性和最优性等关键问题还没有解决。本项目采用面向资源的赋时Petri网和仿真平台建立适合不同的晶圆流程模式(包括重入)的组合设备的通用模型。基于该模型，利用离散制造系统理论、约束理论和解耦理论，采用理论计算与仿真相结合的方法，分析晶圆驻留时间约束、各加工模块的加工时间和机械手的操作时间等约束耦合特性。采用解耦控制，分析组合设备在加工时间波动、机械手操作时间波动和系统故障等约束耦合下对各道工序加工时间的延迟及系统可调度性的影响机理，从而提出组合设备在作业时间波动下并适应不同的晶圆加工流程模式的实时调度和运行控制的优化算法。研究成果可丰富制造系统的建模和优化控制理论，为晶圆制造装备的运行控制提供技术和方法支撑，也有助于提升我国半导体工业的竞争力。

晶圆制造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精度要求，组合设备广泛地应用于晶圆加工。驻留时间约束和重入是晶圆加工的特点。严格的晶圆驻留时间约束，要求晶圆在规定的时间内从加工模块中卸载，否则，晶圆质量出现问题甚至出现报废。实际生产中，组合设备可能发生异常状况导致作业时间波动，使组合设备的调度变得更加困难。在重入加工过程中，复杂的动态加工过程无法用解析式描述。另外，组合设备运行时加工模块可能会发生故障，不仅会影响晶圆的质量，还会给晶圆制造厂带来难以预测的影响。为了解决上述问题，本项目建立了一种可重构的Petri网模型，该模型能够有效地描述晶圆制造过程中出现的死锁，并且能够反映驻留时间约束和作业时间波动条件下系统的运行特征。基于该模型，通过上下两级调度策略解决作业时间波动下的调度问题，实时监测系统的活动，对具有驻留时间约束和作业时间波动的单臂组合设备给出了可调度性条件和最优的调度算法，并推导了晶圆驻留时间延时上界的精确解析表达式，提出了晶圆驻留时间延迟精确上界的多项式算法。对具有重入的暂态晶圆加工过程进行了研究，利用eM-Plant仿真平台构建了具有重入加工暂态过程的控制系统，为组合设备重入加工过程的优化控制提供了借鉴；另外，运用计划评估法(program evaluation and review technique, PERT)得到重入加工初始暂态的最优调度方法；研究了并行模块发生故障时组合设备的调度问题，提出了故障响应的策略和实时调度算法，使加工系统从故障前的稳态过渡到故障后的稳态调度避免违反晶圆驻留时间约束，该项目的成果不仅对组合设备的调度和优化控制具有指导意义，而且对离散制造系统调度和控制提供理论和方法的支撑。.本研究解决了组合设备调度和控制的一些难题，取得了重要的进展。该项目完成学术论文22篇，其中5篇发表在本领域重要的IEEE国际会刊及SCI检索，17篇发表在国内重要学术期刊和重要的国际会议并宣读（5次），如IEEE SMC，IEEE CASE和IEEE ICNSC，其中14篇学术论文被EI检索，1项澳大利亚专利，1项中国发明专利。