半导体制造系统生产调度建模及优化策略分析.docx

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半导体制造系统生产调度建模及优化策略分析

半导体制造系统生产调度建模及优化策略分析

摘要

半导体制造过程具有工艺流程复杂、工序多、不确定性强等显著区别于其它制造行业的特点，随着半导体产业朝着多品种、小批量的方向发展，有效的半导体制造系统生产调度能快速响应市场要求、提高产出率、提高准时交货率，在激烈的产业竞争中具有重要的作用。

本文利用特征PetriN建立半导体制造系统生产调度模型，并对半导体制造系统生产调度优化策略进行了研究。

提出了基于特征Petri网模型的嵌套分区优化调度算法，通过改进的嵌套分区算法对建立的特征Petri网模型的变迁触发序列进行搜索，得到优化调度问题解，该方法不仅能充分利用Petri模型易于描述制造系统的复杂特征及状态变化关系，而且基于特征Petri网模型的嵌套分区优化调度算法能较好地将局部搜索和全局搜索结合，同时本文在嵌套分区算法的回溯阶段提出利用回溯阈来有效减少算法的回溯次数，提高算法的搜索效率。

由于半导体制造系统的复杂性，在制造系统同一调度周期内采用单一调度策略难以取得令人满意的效果，本文将半导体制造系统生产调度单个制造周期分成若干时间段，并在每一个时间段内利用改进差分进化算法来优化制造系统机器组的调度规则组合；同时，系统中各机器组负载差异很大，根据机器组的利用率将半导体制造系统的机器组分为瓶颈机器组和非瓶颈机器组，通过改进差分进化算法对瓶颈机器组单独编码，而将非瓶颈机器组合并为一个机器组单元进行编码，该编码策略与对所有机器组同等编码的传统策略相比，能有效提高算法的寻优效果。

半导体制造系统炉管区机器批调度对系统调度性能有重要影响，本文分别研究了半导体制造系统炉管区的单机批调度和平行机批调度，将单机批调度问题分解成组批和批排序两个子问题，分别针对Lot零时刻同时到达和Lot动态到达两种情况的批调度策略进行了研究；将平行机批调度问题分解成组批、批分配和批排序三个子问题，并提出利用权重嵌套分区差分进化算法来解决平行炉管区的批分配子问题，仿真实验结果表明本文提出的批调度策略较其它批调度策略能有效最小化总加权拖期损失。

关键词：

半导体制造系统；特征Petri网；差分进化算法；嵌套分区；批调度

Ⅱ

Abstract

Thesemiconductormanufacturingprocessissignificantlydifferentfromtheothermanufactureindustriesbecauseofthetypicalcharacteristics：

highlycomplexprocess（hundredsofoperationswithvaryingprocessingtime），stronguncertaintyandSOon．Thesemiconductormanufactureindustrydevelopstowardsthedirectionofmulti-varietiesandsmall．．batch,SOtheeffectiveschedulingofsemiconductormanufacturingsystemisaverychallengingtasktorespondthemarketdemandsquickly，improveproductivityandon—timedeliveryrateinthe

increasinglycompetitivesemiconductormanufactureindustry．Inthepaper，thecharacteristic

Petrinetmodelandoptimizationstrategiesofsemiconductormanufacturingsystemalestudied．Theimprovednestedpartitions（NP）algorithmbasedonthecharacteristicPetrinetmodelis

proposedfortheoptimalschedulingofsemeconductormanufacturingsystem．TheproposedalgorithmisusedtosearchtheoptimaltransitionsfiringsequenceinsteadoftraditionalreachabilitytreeofthecharacteristicPetrinetmodelwhichCanavoidthestateexplosionoftraditionalPetrinet’Sreachabilitytree．TheoptimizationstrategytakesfulladvantageofPetrinetandhashighgeneralitybecauseofthenaturalcombinationofglobalsearchandlocalsearch．Inthepaper，thebacktrackingthresholdisproposedtoreducethebacktrackingtimesandimprovethesearchefficiencyofNPalgorithm．

Itisdifficulttoobtainsatisfactoryresultswhenonlyasingleschedulingruleisusedatthewholeproductioncycleduetothedynamiccomplexityofthesemiconductormanufacturingsystem．Inthepaper，wedividetheproductioncycleintomultiphases，andtheproposedimproveddifferentialevolution（DE）algorithmisusedtooptimizetheschedulingrulescombinationforeatchdividedphase．Atthesametime，duetothevariableload，themachinegroupsofsemiconductormanufacturingsystemaregroupedintobottlenakemachinegroupsandnon-bottlenakemachinegroupsaccordingtotheirutilizationrates．AtthecodingphaseofimprovedDEalgorithm，thebottleneckmachinegroupsencodeseparately，whilethenon-bottleneckmachinegroupsarecombinedintoamachinegrouptoecncode，theaboveencodingstrategyhashigheroptimizationefficencythantraditionalmethod．

Theschedulingofbatchprocessingmachinesoffurnancezonehasimportantimpactson

improvingperformanceofsemiconductormanufacturingsystem，boththeschedulingproblems

1II

ofsinglebatchingprocessingmanchines（BPM）andparallelBPMsarestudied．ThebatchschedulingproblemofsingleBPMisdecomposedintotwosub·problems：

batchformingandbatchsequencing，andthesituationsoflotarrivalatthesametimeanddynamiclotarrivalalestudiedseperately；TheschedulingproblemofparallelBPMsisdecomposedintothree

sub。

problems：

batchforming，machineassignment,andbatchsequencing，weightednestedpartitionsdifferentialevolutionalgorithmisproposedforthemostcriticalmachineassignmentsub。

problem．Experimentalresultsindicatethattheproposedbatchschedulingstrategieshavehigherefficiencytominimizethetotalweightedtardiness（TWr）．

Keywords：

Semiconductormanufacturingsystem；CharacteristicPetrinet；Differential

evolutionalgorithm；Nestedpartitions；Batchscheduling

W

致谢

论文的研究工作是在导师汪雄海教授精心指导下完成的，汪老师严谨求真的治学态度和淡泊名利的为人处世是我在今后工作和生活中学>-j的典范，在论文的选题、研究和撰写工作的过程中，每一步都凝聚了汪老师的心血，汪老师由于长时间连续工作，以至于视力急剧下降，鬓角白发渐多，汪老师忘我的工作精神和对晚辈无微不至的关怀令我终生难忘，值此论文完成之际，谨向恩师表示我最崇高的敬意和最衷心的感谢!

清华大学刘民教授对论文提供了宝贵的修改意见，在此向刘老师表示真诚的感谢!

感谢实验室同窗，与他们一起度过的日子使我的博士生活变得更加丰富，与他们的热

烈讨论让我受益匪浅。

感谢浙江大学辛勤的工作人员为我创造了良好的科研环境!

感谢关心和帮助过我的朋友们!

感谢家人对我默默的关爱和支持!

l绪论

1绪论

1．1论文的研究背景

1．1．1半导体制造及：

r-E简介半导体产业在世界工业经济的基础性和战略性地位日益突出，是一个国家技术水平和

综合国力的重要指标，半导体产业作为我国国民经济重要支柱的一部分，是我国的战略性产业。

半导体制造业是整个半导体产业链的基础，优化半导体制造不仅可以增强我国半导体制造业的实力，而且可以带动半导体制造业的相关产业，例如半导体设计业、半导体封装业和半导体测试业，有助于完善整个半导体产业链，增强我国半导体产业的竞争力。

中国的半导体制造目前仅能够满足20％的国内市场需求，其它大部分需求都仍需要通过进口国外产品来解决，随着IT业的迅猛发展，2006年我国半导体市场比2005年增长27．8％，远高于全球市场8．9％ff寸增速，到2010年中国的半导体市场规模预计将占到全球的60％，’在未来的几十年内，全球经济迎来新一轮快速发展，我国的半导体制造业也必将持续高速发展【11。

由于半导体制造过程具有工艺流程复杂．工序多、不确定性强等显著区别于其它制造行业的特点，随着半导体产业朝着多品种、小批量的方向发展，有效的半导体制造系统生产调度能快速响应市场要求、提高产出率、提高准时交货率，在激烈的产业竞争中具有重要的作用，因此优化半导体制造具有重要的学术意义和应用价值。

半导体制造过程可以分成以下三个阶段，如图1．1所示：

1）粗晶圆制造。

将纯净的晶种放入含有特定杂质的高温熔炉中，以精密控制的旋转速度

向上拉出形成晶棒，将其切成片状晶圆并抛光。

2、晶圆制造。

在同一晶圆上经过一系列复杂工序形成同样的半导体芯片，工序主要包括

清洗、氧化、沉淀、光刻、刻蚀和离子注入。

3）测试包装。

将晶圆上的半导体产品进行测试，通过测试的良品可以进行下一阶段的包

装测试，而不合格的晶粒将会被标上记号，分割成独立的芯片后，不合格晶粒被丢弃或者再利用。

浙江大学博士学位论文

阶段1阶段2阶段3

图1．1半导体制造的三个阶段

半导体制造主要是指晶圆制造阶段，晶圆制造包括清洗区、光刻区、蚀刻区、炉管区和薄膜区。

晶圆在操作前进行清洗，清洗可以除去晶圆表面的尘埃、杂质颗粒等，接着将晶圆片在炉管区内进行加热氧化，形成一种隔热性能非常好的二氧化硅层，通过化学气相沉积的方式生成氮化硅薄膜沉积在刚刚长成的二氧化硅上，然后将整个晶圆将进行光刻的制程，光刻机是半导体制造系统最为昂贵的机器，光刻工艺决定了芯片中元件与线路的尺寸，工艺包括涂胶、软烘、曝光、显影、坚膜等八个工序，利用受控的紫外线将光刻掩膜板的图形映射到涂有光刻胶的晶圆上，让需要蚀刻的区域暴露出来，以磷或者硼为离子源对晶圆片进行离子注入，并将晶圆片上的光刻胶除掉，形成电路所需的掩膜板图形及部分字符线，接着进行金属化制程，将晶圆片上各个图形进行连接，之后根据标准进行电性能和物理性能测试，重复以上各步形成剩余层的加工。

表1．1为0．25／．tinCMOS在晶圆制造阶段的工艺表，可以看出仅晶圆制造阶段就有一百多道加工工序【2】。

2

1绪论

1．1．2半导体制造系统生产调度问题的分类

半导体制造系统（SemiconductorManufacturingSystem，SMS）生产调度主要有以下几

种分类方式【3l：

1）根据工件的工艺路径是否确定可以将调度问题分为路径确定性调度问题和路径不确

定性调度问题。

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2）根据调度过程是否包含不确定性因素，可以将调度M题分为确定性调度问题和不确定调度问题。

确定性调度问题是指在调度过程中所有的参数都是确定的；不确定调度问题是指在调度过程中不是所有的参数都是确定的．

3）根据工件加工所需的工序数，可以将调度问题分为单工序调度M题和多工序调度问

题。

4）根据生产方式的类型，可以将调度问题分为闭环调度问题和开环调度问题。

闭环调度的特点是市场需求的产品都由库存提供，生产任务一般取决于产品的储存策略；开环调度的特点是不考虑库存的存储，只考虑市场的订单。

闭环调度相对于开环调度要复杂，因为闭环调度不仅要考虑产品的加工排序，而且要同时考虑产品批量的大小。

5）根据调度环境和任务的不同，可以将调度问题分为静态调度和动态调度。

静态调度是指在整个制造系统的信息全部可得的条件下，形成优化调度方案的过程，静态调度的约束条件包括产品工艺流程、制造系统资源等；动态调度是指信息不完全得知的条件下，形成优化调度方案的过程。

1．1．3半导体制造系统生产调度的性能指标半导体制造系统的性能指标主要包括：

1）机器利用率（MachineUtilizationRate，MUR）：

在制造周期内，机器实际使用时间占机器计划使用时间的比例。

半导体制造系统的机器价格昂贵，生命周期短，机器利用率越高越好，通常认为机器利用率较高的机器为瓶颈机器。

机器利用率和在制品数有密切的关系，当在制品数在一个范围内，其值越大，机器利用率越高。

2）平均制造周期（AverageCycleTime，ACT）：

从原料投入制造系统到成品产出所需用的时间，生产周期越短，在制品数量越少，成本越低。

3）在制品（WorkInProcess，WIP）：

在制品是指半导体制造系统等待加工和正在加工的半导体工件总量。

降低WIP不仅可以压缩流动资金量，而且可以提高产品优良率，在制品太多，会延长生产周期，使半导体工件受到污染的几率增大．

4）准时交货率（MeetDueDateRate，MDDR）：

是指按时或者提前交货的半导体工件数占完成加工的半导体工件总数的百分比，提高准时交货率是半导体制造企业占领市场的最重要手段的之一【41．

5）总加权拖期损失（TotalWeightedTardiness，TWT）：

TwT主要是用来衡量半导体生产企业满足客户交货期要求的程度，反应不同权重的产品延期交货所遭受损失的差别．

6）产出率（ThroughoutRate，TR）：

在固定时间段内，半导体制造系统所产出的成品的数

4

1绪论

量。

1．2国内外研究现状及分析

半导体制造系统生产调度是具有明确制造应用背景和相当大研究难度的技术研究领域【5‘7】，目前，国内外学术界和工业界主要从半导体制造系统生产调度建模和调度优化策

略展开研引8-101。

1．2．1半导体制造系统生产调度模型对半导体制造系统生产调度模型的研究有助于深入了解半导体制造系统的加工特征

（如某一时刻系统各机器组的利用率），提高对半导体制造系统的认识能力和决策能力，根据对模型分析所得到的结果又可以作为调度策略调整的参考依据，半导体制造系统生产调度模型主要有排队论模型，仿真模型、Petri网模型等。

1）排队论模型

排队论模型可以考虑实际动态事件离散系统（DiscreteEventDynamicSystems，DEDS）

中不可避免的随机因素，例如半导体制造系统中的当机等。

l

O队．列．oO

2

队．列．OO

队列i

o·．．oO

图1．2排队系统

图1．2为s台机器（组）s个队列的排队系统，工件为了某一工序的加工而到达系统，若不能立即获得相应的加工机器（组）而又允许排队等待，则加入到等待队伍，等相应的机器（组）完成相应的工序操作后工件离开系统。

当i=1，s=l时，系统为单机器（组）排队系统；当i=1时，系统为单队列s个机器（组）排队系统，例如完全平行机加工系统。

类似还可以画出许多其它形式的排队系统，如串联系统、并联系统、串并混联系统以及网络排队系统等，通常队列模型可以用X／Y／Z／A／B／C来表示：

其中：

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X一工件到达间隔时间的概率分布；Y一机器（组）加工时间概率分布；z一机器（组）个数；A一队列存储容量，当容量是无穷时略去；B一工件抽样群体的大小，当容量是无穷时略去；

C一描述队列工件的加工规则，其中包括LCFS（后到先加工）、FCFS（先到先加工）、SIRO（；0口工顺序为随机的）等。

离散制造系统可以抽象为排队论模型【11】，文献【12】建立了半导体制造系统生产调度排队论模型，但是由于半导体制造系统的复杂性，使得导出系统稳态平均性能的解析解变得非常困难，通常只能采用近似分析的方法导出数值形式的性能解，而且排队论系统引入的

假设条件过强，这些缺陷限制了排队论系统在半导体制造系统生产调度建模中的应用。

21仿真建模方法

仿真建模重点用来对调度策略进行分析、性能评价、比较和选择，辅助制定调度方案。

例如文献[13】将离散事件仿真模型用于半导体制造过程调度，生成优化的调度方案。

仿真建模方法常与启发式规则、软计算方法等调度问题优化策略结合，用于求解半导体制造过

程调度问题，以提高求解性能。

3）Petri网建模方法

Petri网在处理动态事件离散系统时，是一种兼有图形化和数学特性的建模和分析工具，可以描述半导体制造系统的同步、并发以及实时等动态行为，并对系统可达性及其它性能进行估计，较其它动态事件离散系统建模工具有很大的优势【l¨6】，文献[17】利用时间

Petri网建立半导体制造系统的生产调度模型，并分析了系统的制造周期、机器利用率等；

文献【18】利用扩展混合Petri网（ExtendedHybridPetrinets，EHPNs）建立了半导体制造系统光刻工艺的模型，所建立的模型能有效克服半导体制造系统光刻工艺的动态复杂性；文

献【19】利用广义随机Petri网（GeneralizedStochasticPetrinets，GSPN）来建立半导体制造系统的模型，该模型考虑了制造系统优先级、可重入等特征，并提出了一种用来评估系统共享资源优先级的方法，通过资源的优先级来避免系统资源冲突；文献[20】针对半导体制造系统的不确定性、资源共享、不可预测当机、可重入等特征，提出了基于排队论的广义

随机着色时间Petri网模型（QueueingGeneralizedStochasticColoredTimedPetri．net,QGSCTPN），利用QGSCTPN模型对一半导体制造系统进行了建模；文献[21】提出了基于有色Petri网的半导体制造系统分层调度模型，该模型能有效克服Petri网模型的复杂性，6

1绪论

由于该模型没有对Pctri网进行有效化简，故对于大规模的半导体制造系统的建模，该方法难以取得理想的效果。

使用Petri网建立的DEDS模型主要有如下特点：

·Petri网不仅可以提供直观的动态图形并进行复杂系统性能分析，同时支持对系统的数学方面的正规描述，从而可以对系统结构和行为特征实现定性和定量的分析和评估，例如可以描述系统异步、同步和并行等逻辑关系；

·Petri网既能分析系统运行性能（如制造系统机器利用率、生产率、可靠性等），又可应用于检查和防治诸如自动系统的死锁、堆栈溢出、资源冲突等不期望的系统行为性能；

·由于Petri网模型是对DEDS系统逻辑序列的表示，因而可以将Petri网模型转化成其它的DEDS模型。

正是由于上述特点，Petri网已经成为描述、分析和控制DEDS最有效和应用最广泛的

方法。

基本Petri网可以用一个五元数组（P，丁，，，O，no）来表示，其中：

1）P={露，最只}，表示Petri网的库所的有限集合，胗0为库所的个数；

2）T={互，互，，乙>，表示Petri网的变迁的有限集合，聊>0为变迁的个数；

3）I：

PxT--+N为输入函数，定义了从库所到变迁的有向弧的权重或者重复数的集合，Ⅳ为非负整数集；

410：

TxP专Ⅳ为输出函数，定义了从变迁到库所的有向弧的权重或者重复数的集合。

5）mo为初始标识，表示Petri网在初始状态时，各库所中托肯的状态。

Petri网也可以用一个三元数组来表示（P，丁，，），其中只确定义同上；

F：

（PxT）u（TxP）是弧的集合．如果一个Petri网Ⅳ=（尸，T，，）是自由选择Petri网，那么

V‘，t2∈丁：

·flr、·t2≠aj·ti=·乞，·f表示变迁f的所有输入库所的集合；

Petri网的运行规则：

定义：

变迁f∈r在标识聊下使能，当且仅当：

Vp∈·，：

聊（p）≥I（p，，）。

其中，聊p）表示

库跏中含有的托肯数；I（p，f）表示从库胁到变迁f的输入函数取值。

在DEDs中，某一事

件必须在其前提条件都满足的情况下才可能发生，在其相应的Petri网模