半导体芯片制造中组合设备的实时调度和运行控制优化

我国半导体制造业正在迅速崛起。半导体制造的源头是芯片(Wafer)制造，芯片制造的关键是其制造装备。组合设备(Cluster Tool)是一种高效的自动化设备，代表着当今半导体制造设备的先进水平，越来越多应用于芯片的制造中。由于设备中各加工模块的强耦合性(无中间缓冲空间)、芯片在加工模块中的逗留时间约束、芯片处理时间和机器人操作时间的随机波动，系统调度的可行性、实时性和最优性成为关键。然而，这一系列的科学问题至今没有得到解决，开发有效的控制器无法实现，使得具有严格芯片逗留时间约束的加工过程无法使用组合设备。本研究在本项目课题组已取得的一些突破性进展的基础上，研究组合设备的可重用Petri网建模，并提出以可调度性研究为主线的组合设备调度和控制方法。在建模和解决可调度性这一难点的基础上，研究可适应处理时间变化、加工芯片类型变化的实时优化调度和控制方法，为我国发展先进半导体制造装备提供技术支撑。

由于先进的单晶圆加工技术的应用，半导体制造中越来越多地采用组合设备进行晶圆加工。驻留时间约束和重入是晶圆加工的特点。由于驻留时间约束，加工完的晶圆必须在规定的时间内从加工腔内取出，否则就要报废。这使得组合设备的调度十分困难。在重入过程中要保证驻留时间约束就更为困难。另外，在任何加工过程中，时间波动是不可避免的，必须予以考虑。同时，晶圆在组合设备的加工过程中，存在潜在的死锁。因此，组合设备的调度是挑战性的。到目前为止，尽管已有相当的组合设备调度的研究，在同时考虑驻留约束和时间波动的条件下如何调度组合设备仍是悬而未决的问题，本项目的目标就是挑战这一难题。为了解决这一问题，本项目建立了一种通用的Petri网模型，并给出了具有最大允许度的死锁避免策略。基于这一模型，提出了一种称之为机械手等待时间的新调度方法。利用这一方法，组合设备的调度可以参数化为机械手的等待时间。然后，提出了一种两级的运行框架。基于这一框架，对具有驻留时间约束和时间波动的单臂和双臂组合设备给出了可调度性条件和最优的实时调度方法。利用这一方法，对具有重入的加工过程进行了研究。研究发现已有的求解具有重入的双臂组合设备的调度节拍的方法是不正确，并纠正了存在的错误，给出了正确的方法。进一步，给出了解析求解具有重入的单臂和双臂组合设备最优调度的方法。同时还研究了具有重入和驻留时间约束的组合设备调度问题，提出了有效地方法。将这一方法应用到多组合设备中，获得了求由单晶圆周期调度达到节拍下限的方法。总之，本研究攻克了本领域的一些难题，取得了重要进展。本研究完成研究论文30篇，20篇已发表，9篇发表在国际期刊上，8篇被SCI索引，4篇已被国际杂志录用。本项目还获得了广东省2010年自然科学一等奖。