大规模复杂晶圆制造自动化物料运输系统的建模与性能分析

The automated material handling system (AMHS) for semiconductor wafer fabrication system has its own characteristics, such as large scale, complexity and stochastic. To improve the AMHS's overall operating efficiency during the system design stage, the modelling and performance analyzing methods for AMHS are investigated from the aspects of AMHS decomposing, modelling, and performance analyzing, based on the complexity science theory. The main researches of the project are as follows: (1) Propose an AMHS decomposing approach, an AMHS sub-system decoupling method, and a stochastic character model of AMHS subsystem. (2) Present an extracting method for AMHS sub-system's working process, an extended Markov chain modeling approach, and a performance analysis model based on extended Markov chain model. (3) Propose an AMHS subsystem's performance index describing method, and an AMHS's performance index polymerizing approach. (4) Develop an AMHS modelling and performance analyzing prototype system to verify the proposed approaches above. The main contributions of the project are to enrich the theory methods of AMHS modelling and performance analyzing and to improving AMHS's overall operating efficiency.

晶圆制造自动化物料运输系统（简称AMHS）具有大规模、复杂和随机性特点，为从AMHS设计阶段提高晶圆制造AMHS的物料运输整体效率，本项目基于复杂性科学理论及思想，从AMHS降阶、AMHS建模和AMHS性能分析三个角度系统深入研究AMHS建模与性能分析问题。提出AMHS的系统分解方法、AMHS的子系统解耦方法和AMHS的子系统随机特性模型；提出AMHS子系统运行过程的抽象方法、扩展马尔可夫模型的建模方法和基于扩展马尔可夫模型的性能分析模型；提出AMHS子系统性能指标描述方法和AMHS性能指标的聚合表达方法；开发AMHS建模与性能分析原型系统，验证本项目提出的理论和方法。本项目的研究，对丰富AMHS建模与性能分析的理论和方法体系、提高晶圆制造AMHS的整体运行效率等具有重要的理论意义和实际应用价值。

AMHS是12英寸晶圆制造系统的至关重要组成部分。针对AMHS大规模、复杂性和随机性特点，本项目基于复杂性科学理论及思想，从AMHS降阶、AMHS建模和AMHS性能分析三个方面对AMHS建模及性能分析问题进行系统性深入研究。. 在AMHS降阶方面，本项目基于大系统分解理论，通过在AMHS子系统结合处设置“虚拟元”，对AMHS从空间维度和信息维度进行了分解。通过建立AMHS子系统耦合边界关联矩阵、“虚拟运输任务元”关联矩阵和“虚拟运输小车元”关联矩阵，对AMHS各子系统进行解耦处理。通过采用柯尔莫哥罗夫-斯米尔诺夫检验获得了晶圆卡输送请求的随机分布。. 在AMHS建模方面，采用有向图方法对AMHS各子系统运行过程进行了离散化处理；根据AMHS子系统运行有向图的无后效特性，采用马尔可夫链理论对有向图模型进行了描述，为避免模型状态空间爆炸，对马尔可夫建模方法进行了扩展；通过对模型稳定状态分析、系统运行守恒条件分析、系统堵塞概率分析，建立了AMHS子系统性能分析模型。. 在AMHS性能分析方法方面，采用数学分析方法建立了运输小车总体利用率、晶圆卡在存储仓库等待时间、运输小车堵塞率等AMHS子系统性能指标与性能分析模型参数的关联关系；并根据晶圆卡的工艺路线和数理统计的方法确定了AMHS各子系统关键性能指标权重参数，聚合建立了AMHS性能分析指标综合模型。实验结果表明，本项目提出的AMHS性能分析模型与仿真模型97%相对误差值控制在[-7%，9%]的范围内，分析效率比传统离散事件仿真方法提高了600倍以上。. 本项目研究成果有效解决了大规模复杂AMHS系统性能分析模型的状态规模爆炸问题，大大降低了AMHS性能分析建模难度，使AMHS系统布局结构和运行参数快速有效分析得以实现，有利于在设计阶段实现晶圆加工车间AMHS优化规划与布局设计，对提高晶圆加工企业物料运输效率等具有重要作用。