具有复杂约束的自动化组合设备建模、控制与调度优化

Cluster tools are the key and expensive equipment for wafer fabrication. It is important to operate them effectively. Many wafer fabrication processes are subject to strict wafer residency time constraints and chamber cleaning operations. Recently, customized requirements lead to that multiple wafer types are concurrently processed in cluster tools. Wafer residency time constraints and chamber cleaning operations make cluster tools scheduling with multiple wafer types concurrently being processed more complicated. This project aims at solving this challenging problem and decomposes it into several sub problems. Scheduling analysis for the sub problems is conducted, respectively. This project will adopt Petri nets to model the system and deal with deadlock problems; from the control-theoretical perspective, according to the workloads of all steps, study the number of wafers being concurrently processed in the system and the robot task sequence in a cycle; analyze the effect on the system caused by chamber cleaning operations; propose an efficient method for cluster tools with multiple wafer types to adjust processing progress of wafers such that a feasible solution can be found. According to the research results for the sub problems, a feasible solution region of the original problem is determined. Then, this project can develop an efficient heuristic algorithm such that it searches an optimal or near optimal solution in the determined feasible region. In this way, we avoid to formulate the scheduling problem by using complex mathematical programming or directly adopt heuristic algorithms which may have a time-consuming searching problem. This can help to speed up the pace from the theory to the application.

组合设备是晶圆加工过程中关键而又昂贵的设备，它的有效运行至关重要。许多工艺都具有严格的晶圆驻留时间约束和加工腔清洁操作。最近，客户需求个性化产生了多品种混流加工需求。而晶圆驻留时间约束和加工腔清洁操作导致组合设备混流加工调度问题非常复杂且尚未解决。本项目将把它分解为几个子问题进行研究，利用Petri网对系统进行建模，研究系统死锁控制方法；从控制的角度，根据各加工步骤工作负载之间的关系，研究系统中同时进行加工晶圆的数目以及机械手周期作业顺序；分析加工腔清洁操作对系统的影响；给出组合设备混流加工的晶圆加工进程调节方法。对子问题的研究可为原问题找到解的可行区域。这样，本项目开发一个启发式算法使得算法在这个可行区域中搜索高质量的可行调度方案，大大提高了算法搜索效率，避免了晶圆驻留时间约束和系统死锁导致直接利用启发式方法搜索可行解效率低以及数学规划计算复杂度高等问题。可以推进从理论到应用的步伐。

组合设备是晶圆加工过程中关键而又昂贵的设备，它的有效运行至关重要。许多工艺都具有严格的晶圆驻留时间约束和加工腔清洁操作。同时，客户需求个性化产生了多品种混流加工需求。而晶圆驻留时间约束和加工腔清洁操作导致组合设备混流加工调度问题非常复杂。本项目将把它分解为几个子问题进行研究，利用Petri网对多品种混流加工的系统进行建模，研究系统死锁控制方法；根据各加工步骤工作负载之间的关系以及机械手周期作业顺序，提出了通过调节机械手等待时间进而最大程度地降低晶圆在加工腔中的延迟时间；基于单晶圆周期调度方法，分析了加工腔清洁操作对系统的影响，并提出了一个有效的基于虚拟晶圆的调度方法，使得当加工腔加工虚拟晶圆时实际上执行清洁操作。通过这种方式，实际上改变了晶圆的加工进程，这不仅可以满足晶圆驻留时间约束，同时也可以保障加工腔严格按照清洁需求进行清洁作业，从而保障了晶圆的质量。然而，基于虚拟晶圆的调度方法实际上给出了系统的解可行区域，但并没有最大化系统产能。因此，为了进一步提高产能，基于虚拟晶圆的调度方法，针对双臂组合设备和单臂组合设备，分别构建了一个有效的0-1线性规划模型以及一个启发式算法搜索最优或者近似最优解。由于这两种方法都是在一个可行解所属的区域内找到最优或者近似最优解，因此，求解效率高，避免了晶圆驻留时间约束和系统死锁导致直接利用启发式方法搜索可行解效率低以及数学规划计算复杂度高等问题。为此，基于本项目所获得的方法，可以开发用于半导体装备的调度软件。这是本领域的重要突破。目前，基于本项目的研究，发表了12论文(11篇已正式发表，1篇在线发表)，其中10篇发表在本领域重要的SCI索引的国际期刊上。