多组合设备晶圆加工复杂瞬态过程的优化调度方法

Multi-cluster tools are widely used in wafer fabrication of semiconductor integrated circuit chips. It is rather expensive and one of the most complex manufacturing systems. Smaller product lot, larger wafer size and equipment maintenance bring about a great deal of start-up and close-down transient processes during the production. During the wafer fabrication process, there are wafer residency constraints, tight coupling between adjacent tools due to their shared buffer modules, and concurrent operations of multiple robots. These factors lead to a series of open problems, including the schedulability, real-time control and scheduling optimality of transient processes. Based on some breakthroughs in our previous work, this project will investigate the issues of both non-cyclic dynamic schedule and tightly coupled concurrent operations of multiple robots. A novel approach will be proposed upon the analysis of particular discrete event of multiple robots. The activity time of particular discrete event is parameterized for examining how it affects the activity time of related discrete events. The necessary and sufficient conditions of feasible concurrent operations are analyzed in terms of different phases during the transient processes, upon which algorithms will be developed to find an optimal schedule, thus, the computational complexity is greatly reduced. This project will reveal the operation law for the transient processes under different time constraints and configurations, and the relationship between the transient processes and desired optimal steady-state. It will obtain results that can feed a theoretic basis to the scheduling of multi-cluster tools in semiconductor manufacturing, and shorten those processes with growth of enormous profit.

多组合设备(Multi-cluster tools)广泛用于加工晶圆生产半导体集成电路芯片，十分昂贵，属于最复杂的制造系统。小批量品种、大尺寸晶圆及设备维护需求给多组合设备的生产过程带来大量启动和终止瞬态过程。由于存在晶圆驻留时间约束、多组合设备的级联缓冲区使各台组合设备间耦合度紧密和多只机械手并发操作，瞬态过程的调度可行性、实时控制和最优性科学问题尚未解决。基于本课题组已取得的一些突破，本项目将针对瞬态过程的非周期动态调度和高耦合度的并发操作协调的难题提出一种基于分析多只机械手特定离散事件的新方法，把该事件的活动时间参数化，研究其影响相关离散事件活动时间的规律；在分析不同阶段并发操作可行的充分必要条件的基础上，设计算法求最优调度，降低计算复杂性。本项目将揭示瞬态过程在不同约束与配置条件下的运行规律，与最优稳态过程的联系；为多组合设备的调度奠定理论基础，缩短众多瞬态过程而带来巨大经济效益。

我国芯片制造企业使用的光刻机等高端晶圆芯片制造装备属于多组合设备(multi-cluster tools)，目前依赖美国和欧洲进口，美国对出口到我国的此类设备技术有较多限制。因此，在此类设备的调度自动化领域开展前瞻基础工作战略意义十分重要。近些年来由于晶圆(制造芯片的硅晶载体)尺寸变大和芯片种类增加，因而需要多组合设备进行小批量芯片制造，导致很多启动和终止的瞬态过程。多组合设备由多台单组合设备耦合级联而成，因而本项目从研究单组合设备的瞬态终止过程、单臂机械手配置并行加工模块的单组合设备的启动和终止瞬态过程的优化调度入手。在多组合设备系统中存在多只机械手同时工作，要缩短这些瞬态过程经历的时间并使之与系统的稳态阶段生产过程无缝衔接，而且要满足晶圆加工完成后的驻留时间约束，存在极大的挑战。为此，本项目提出了一种基于分析多只机械手的离散事件活动的方法，把该事件的活动时间参数化，研究其影响相关离散事件活动时间的规律；在分析不同阶段并行操作可行的充分必要条件的基础上，提出了主要基于解析表达式推导的迭代计算，辅以使用线性规划模型求最优调度的思路，降低了计算复杂性。本项目主要研究了多组合设备在单臂机械手、双臂机械手配置情况下的启动和终止复杂瞬态过程的优化调度，使之能与最优的1-晶圆周期调度的稳态生产过程无缝衔接过渡，这有利于在工业生产中得到应用。对实际生产中存在加工模块出现故障的情况，我们希望在除了故障模块中的报废晶圆之外，制造系统不出现新的报废晶圆并且使故障后的处理过程尽量缩短、减少在制品晶圆数量，达到这些目标的瞬态过程的调度变得相当复杂，本项目对这一难题以2-组合设备为研究对象进行了探索，提出了高效优化调度算法。另外，本项目对单组合设备中存在活动时间波动的有可重入加工复杂瞬态过程的实时调度进行了探索，提出了优化算法。总之，本项目解决了多组合设备在复杂瞬态过程调度的若干难题，对未来国产化该类装备起到了重要的理论基础作用。