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易拉罐的博客

心静自然凉

 
 
 

日志

 
 

转 多重入晶圆制造系统动态投料策略研究  

2010-05-13 18:23:54|  分类: 非专业 |  标签: |举报 |字号 订阅

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郭永辉1,邵志芳2 ,钱省三3

(1.郑州航空工业管理学院 工业工程系,郑州 450005;2. 同济大学 经济管理学院,上海 200092;3.上海理工大学 微电子发展研究中心,上海 200093)


引言 www.simulway.com+ ^% g1 D. o. Q( [% `
多重入晶圆复杂制造系统是从80年代伴随着半导体芯片制造、薄膜制造以及新型显示器件LCD的制造而发展起来的一种特殊生产类型。由于其特有的“多重入”特性,晶圆生产既不同于Flow-shop类型,也不同于Job-shop生产类型,Kumar将其归类为第三类制造方式[1]。 ( G# a3 o1 l0 w6 m1 w5 y1 @

 晶圆制造厂被认为是当今最为复杂的制造系统之一,其生产线的优化与控制极其复杂[2-3],主要表现为九个方面。⑴区别于传统生产类型的多重入特性;⑵晶圆制造过程往往长达三四百道步骤,以及有复杂的物理(如干法刻蚀、外延操作)、化学(如曝光)等加工工艺,加工过程高度复杂 [3];⑶设备加工类型和加工特性存在多样性。加工设备不仅有序列设备,还有大量的成批设备。序列设备为一次只能加工一个晶圆批(1批,25片晶圆)的设备,如曝光设备。而成批设备可同时加工多个晶圆批,例如炉管设备;⑷由于生产环境、生产设备、物料以及操作等方面因素的影响,晶圆厂的产品良率的随机性很大,重加工现象突出。⑸一条晶圆生产线上往往有数十种甚至上百种产品在同时加工,在制品的品种与数量众多;⑹无法预测的设备宕机;⑺工程试产与正常生产并行。晶圆产品的生命周期相当短暂,必须不断的研发新产品,并依靠实际晶圆厂的生产设备进行实验,使试产产品与正常产品争夺设备资源。由于两者控制目标不同,造成现场生产管理困难;⑻在制品“扣留”现象经常发生。晶圆厂经常因为工程技术等原因,将正在加工的在制品“扣留”,当问题解决后被“扣留” 的在制品又会被释放,这会导致可用在制品的突然减少或增加,引起生产线大的负荷波动;⑼生产控制的多目标性。昂贵的设备要求尽可能提高其利用率,增加产出;动辄二、三个月的生产周期,使得缩短周期时间也成为众多晶圆厂追求的重要目标。昂贵的晶圆片等原材料(一般一个晶圆价值上百美元甚至上千美元),要求企业将在制品库存控制在尽可能低的水平;电子产品寿命周期的不断缩短,市场竞争压力的加剧,使得客户对芯片的交货期要求越来越严格,提高准时交货率也是晶圆厂需要追求的重要生产指标。这些指标之间是相互关联的,有的则相互冲突。多个相互冲突的生产指标增加了生产控制的难度。 晶圆制造系统的复杂性,增加了生产控制的难度,给生产管理者带来很大的挑战。投料控制是晶圆厂进行有效生产控制的关键一环,通过合理安排投料时间、投料量以及产品投料顺序,可以调整系统产能与加工负荷间的关系,保持系统产能与加工负荷间的相对平衡,减少现场调度难度,有利于企业绩效指标的顺利实现。目前,投料方面的研究已经由静态策略转向动态投料策略,即根据晶圆生产线实际状况动态投料的控制方式。动态投料策略主要有避免饥饿法(SA)[4]、负荷调节法(WR) [5]、固定在制品法(FW)[6]等。研究结果表明,根据生产线状况来动态决定投料时间和投料量的方式比静态投料方法要好的多得 [7]。但是,多数投料策略仅考虑了系统的局部信息(如瓶颈设备负荷),无法有效地控制整个生产线的负荷水平。另一方面,对晶圆制造系统投料策略的研究主要集中在上世纪 80年代,随着制程技术的发展,产品集成度大幅提高,“重入”次数不断增加,制造复杂度大大增加,简单考虑系统局部信息的投料策略越来越无法满足实际生产的要求。目前的投料策略往往只针对某个生产指标进行优化,很难兼顾多个存在冲突的生产指标。
 本文从系统的观点出发,以平衡晶圆生产线为优化目标,在维持生产线平衡的同时较好折衷多个绩效指标,以期获得一个较满意解。 $ M1 G/ h% u& _. D  |
2 多重入晶圆生产线平衡的新定义
 晶圆生产线多重入的生产特性以及复杂多变的加工工艺,使得生产线极不平衡。不平衡的晶圆生产线会造成以下问题:
 系统负荷或在制品水平分布不均,波动较大,系统瓶颈漂移频繁; www.simulway.com* V" ^0 t& z/ k  w, Z% N
⑵多余的在制品在增加调度难度的同时,造成资金沉积,企业运营困难; 
 ⑶频繁的瓶颈漂移不仅使现场调度困难,不仅无法最大化系统产出保证客户订单交期,而且无法实现制订的生产计划,系统的生产绩效也因此降低。
 最大的系统仿真与系统优化交流社区通过平衡生产线,可以获得较平稳的工作流,能够有效解决上述问题。 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast* r' t+ ^1 j- m, q+ H% k1 X$ m
传统生产线平衡问题,最初主要针对Flow- shop生产类型。目前,生产线平衡的研究已由单一品种生产线发展到多品种的混合式生产线,研究较多的是装配线平衡。它的基本思想是尽可能消除各工序上的空闲时间,达到成本最小化或产出最大化的目的。
 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast基于晶圆制造的特殊性,对多重入晶圆生产线平衡问题给出两个定义:①当晶圆生产线达到平衡时,各个加工中心的在制品流量接近或相等,即单位时间内进出各加工中心的在制品量相对保持均衡;②晶圆生产线上各个加工中心的实际负荷接近或等于计划的负荷值,即整个生产线的负荷平稳,波动较小。
* l0 L7 i6 C/ q% e7 j# y0 t定义①从产品流的角度对晶圆生产线平衡进行了定义,其思想与传统的生产线平衡相一致,即保证每个时刻的投入量等于产出量。考虑到这只是理想状态,在实际生产中实施困难,所以从加工负荷角度对生产线平衡重新进行定义,它在内容上包含了定义①的内容,因为维持生产线负荷的较小波动需要整个生产线的产出速度保持一致,达到产出均衡的目的。另外,控制不同时刻的负荷波动在实践中更具可操作性。 / j$ U4 G' h" o8 d
3 基于生产线平衡的动态投料策略研究 最大的系统仿真与系统优化交流社区5 b: ^- f. m" ^, o1 h5 F2 U
3.1 全局性信息的确定
( J% A3 c& K/ w' C) O4 z) a' V仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast, O) U$ F" c* N% @% ?; Q
全局信息是相对于局部信息而言的,它能相对涵盖整个生产线的主要信息,具有较强的代表性。执行投料策略的主要依据是生产线负荷状况的变化情况。完整的表达整个生产线的负荷既不现实,又不实用。本文将选取对生产线负荷影响较大的几个部分(如瓶颈区)来控制整个生产线的负荷。实际上,如果我们在某个时间点观察整个晶圆生产线,会发现在几百个加工步骤中仅有数十个步骤存在一定量的在制品堆积。因此,这种控制方案是可行的、有效的。 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast$ _% M8 ~6 q/ a- ^2 x" B
在实际生产中,由于黄光区设备昂贵且制程工艺复杂,多数晶圆厂将黄光区作为长期的静态瓶颈加以管理 [8-9]。黄光区的在制品数量约占整个晶圆厂的30%~ 40%,对控制与调整生产线负荷起关键作用,对于整个生产线的平衡也至关重要。因此,本文将黄光区作为瓶颈区域加以控制,在投料决策时重点加以考虑。
- I8 D$ f" o# j; D仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast晶圆制造系统瓶颈现象突出,瓶颈漂移频繁,远远超出传统的Job-shop与Flow-shop生产类型。仅仅控制系统瓶颈无法有效地控制瓶颈漂移,仅次于瓶颈设备的次瓶颈设备对控制瓶颈漂移,稳定系统负荷也起到很重要的作用。因此,本文将传统的约束理论(TOC)进行扩展,在着眼于瓶颈资源的同时,重视次瓶颈区域对系统的影响。在晶圆制造系统,炉管区的加工时间与调整准备时间均很长,是长期制约晶圆厂正常生产的重要因素之一。离子注入环节的加工时间虽然很短,但调整准备时间一般要几分钟至数小时不等,也是晶圆厂重点管理的区域之一。工程界与理论界有时也将这两个加工区作为重要区域甚至瓶颈区加以研究 [10]。因此,本文将炉管区与离子注入区作为次瓶颈区域,在投料决策时作为重点考虑的因素之一。 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast, `$ c& g  u0 X, N; D
3.2 动态投料策略思想
" W! h% q: t7 `( mwww.simulway.com投料控制的目的是为保持制造系统的产能与加工负荷间的相对平衡,在充分利用产能的同时保证计划产出量。投料决策时,需要考虑两方面因素:产出计划和在制品水平。 理论上,如果实际在制品与理论在制品(目标在制品)的分布保持一致,则制造系统会有一个稳定的产出率和最小的在制品水平,能较好的实现系统绩效[11]。Bechte提出的面向负荷的生产控制,采用设定各加工区的负荷阀值,来控制各加工区的负荷水平,是一种有效的投料策略控制方法 [12]。本文借鉴面向负荷控制的思想,但只对主要加工区的负荷进行控制,使其简便、实用。另一方面,本文还充分考虑加工区的产出情况以满足系统产出。因此,从负荷以及产出两方面来控制生产线负荷水平,实现生产线的动态平衡。为叙述方便,将该策略简称为负荷平衡投料策略(RRLB),如图1。
  X! X2 a0 @$ M# K- o最大的系统仿真与系统优化交流社区最大的系统仿真与系统优化交流社区; h( a* w8 @: H" I; |

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RRLB投料策略与WR法则、SA法则不同,它将瓶颈区域(黄光区)前的次瓶颈区域(炉管区)的在制品情况和系统目标产出作为投料的依据,投料量大小根据系统的目标产出以及炉管区的在制品波动情况给定,即仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast$ j1 f5 B; S4 l3 h2 X
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式中:S表示系统投料量;W 表示系统目标产出;△F表示炉管区的实际在制品偏离目标在制品量的情况;F表示炉管区的实际在制品量;F 0表示炉管区的目标在制品量。 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast" ]  z2 e7 A9 c" D& H& |: t1 O7 x
黄光区的加工负荷通过控制炉管区的产出量来保证,即将炉管区的产出量作为黄光区的投料量。对于黄光区的缺料或在制品堆积现象,可以通过炉管区的产出量MF来加以控制,即
- r5 `2 l; F, A仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast
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 式中:△P表示黄光区的在制品波动情况; P表示黄光区的实际在制品量;P0 表示黄光区的目标在制品量。这样,炉管区产出M F的在制品既能满足系统产出要求,平稳炉管区的在制品水平,避免大的波动;同时又能给黄光区提供合适的在制品量,避免黄光区出现缺料或堆积现象。 同理,黄光区的产出量除满足产出要求,平稳在制品水平外,还向后面的次瓶颈区域(离子注入区)提供合适的在制品。此时要求其产出量 MP为:
 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast9 Z, Z% F  @* C% X


 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast式中:ΔI表示离子注入区的在制品波动情况; I表示离子注入区的实际在制品量;I0 表示离子注入区的目标在制品量。对于离子注入区,其加工量 MI主要用来满足系统产出要求,并平稳本区域的在制品波动,即最大的系统仿真与系统优化交流社区; h. f$ ]- a8 a0 n
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由于RRLB策略的主要作用是保持生产线负荷的相对平稳,因此本文将生产线的平衡率 B作为投料指示器之一,即 
 
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生产线平衡率B的实际大小可根据企业的不同偏好自行设定,如果平衡率B超出系统规定的允许值(比如10%),说明生产线的在制品波动较大,可能出现短缺等现象,需要进行投料决策。 另一方面,考虑到有时候系统总的在制品数量并不少,系统负荷较大,但由于系统突然异常波动,此时经过计算的生产线平衡率 B有可能超出规定的允许值,这种情况下贸然投料,会进一步加重系统负荷,使波动加剧,不利于现场生产控制。因此借鉴WR法则思想,将系统总负荷 WL也作为投料决策时的依之一。这里的系统总负荷是指瓶颈区与两个次瓶颈区域的在制品之和,即 最大的系统仿真与系统优化交流社区& e0 W$ h- r- C1 S( }3 K+ g1 P* n

具体到各订单产品的投料量可以根据下式来确定,即 最大的系统仿真与系统优化交流社区: M; g/ l2 H% D8 [% ]0 t  n1 N
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式中:Si表示产品i的投料量; PMi表示产品i所占的产品组合比例;CT i表示产品i的平均周期时间;n为总的产品种类。一般来说,产品i的平均周期时间CTi为已知量,可由统计资料获得,所以产品i的投料量可以很容易地计算得到。 最大的系统仿真与系统优化交流社区# n7 D  ?- ~# q. P0 _( r& o& S
在晶圆制造厂,实际投料量的最小单位为一批(25片),需要将要加工的晶圆片数除以25,四舍五入取整后再加1。 www.simulway.com* f% h. s0 v& ^0 r# v8 P* g" y
3.3 RRLB算法步骤最大的系统仿真与系统优化交流社区, N5 k  g9 _% Z$ L' z2 x  h7 d

 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast在晶圆制造系统中,一些诸如设备意外故障等重大不确定因素是无法避免的,而且无法预测,在RRLB算法中需要充分加以考虑。一旦有重大异常情况发生在炉管区、黄光区或离子注入区,会直接影响设备产能的发挥,从而影响整个生产线的负荷分布。此时,有必要立即启动RRLB策略,重新确定投料量及各控制区的产出量。
 在实际应用中,由于系统在制品负荷以及产出水平始终处于不断变化之中,完全实时的监控平衡率 B与总负荷WL是不现实的,因此,可根据生产需要确定某个时间间隔( x小时),即每隔x小时更新在线数据(WIP与产出情况),计算并评估两大控制指标,据此进行投料决策。
 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repastRRLB的具体操作步骤如下:
 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast①更新在线WIP、产出等数据; www.simulway.com3 G9 ^! t6 h) X
②计算并比较系统实际负荷WL与设定负荷 WL0,若WL<WL0,则转到③,否则跳出RRLB 算法; * {, W; E/ U5 G0 Z- X
③计算并比较生产线平衡率B与设定值 B0大小,若B>B0,则转到④,否则跳出RRLB算法;
 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast④根据式⑴,⑽,计算总的投料量及各订单产品的投料量,投料;
:⑤根据式⑶,⑸,⑺分别计算炉管区、黄光区以及离子注入区的产出量,以协助RRLB算法保持生产线的平衡; www.simulway.com; k! D' Z: O8 n- V
⑥判断系统是否发生重大异常情况(如设备宕机等),若有,立即启动RRLB算法,重新计算投料量及控制区的产出量,若没有,在间隔x小时后返回到①。
 最大的系统仿真与系统优化交流社区4 仿真验证 0 ]6 h4 L* ^# J
Mini-Fab模型是由Intel公司首席科学家Karl Kempf博士提出的试验仿真模型[13]。它包括5台设备、6个加工步骤的一个多重入半导体晶圆微型制造模型,见图2。Mini-Fab模型具有晶圆制造的大部分重要特征,比如多重入、不同的加工时间、批加工等。它是晶圆仿真模型的一个典型范例,众多学者用该模型对半导体晶圆制造系统进行了大量研究。本文采用Extend仿真软件建立了 Mini-Fab模型。) @0 r: {$ B3 n- @
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仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast5 i* s, s) f6 M3 W) B1 V# {' K- f2 `
在Mini-Fab模型中,共有三种产品P a,Pb和Pc 。其中,Pc为工程试验片。三种产品的加工流程相同,均为6个加工步骤。MA与MB 设备作为炉管区设备,属于批处理设备,一次最多可加工3批。M C,MD与ME为序列加工设备,每次的加工单位为一个晶圆批。模型的详细情况请参考文献[13]。 选取晶圆厂常用的几个指标,即系统在制品量(WIP)、准时交货率(OTD)、平均生产周期(MCT)、周期时间标准差(SCT)以及黄光区设备(瓶颈)的利用率(UOB)。
 仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,交通系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast在投料策略的选取方面,主要选取固定时间投料(CNR)、固定在制品投料(FW)以及负荷调节投料(WR)三种投料法则。由于SA法则只能直接用于单一产品的晶圆厂,而且SA法则与WR法则的控制思想相同,所以本研究不再选取SA法则。分别选用FIFO,EDD以及CR调度策略与上述投料策略组合使用。对于RRLB策略,只要能有效控制各主要加工区域的产出水平就可以做到与 RRLB的有效配合,因此,采用的调度策略以满足产出为目的。 www.simulway.com3 T& [9 O* Z3 s/ b8 F# V" j+ p" M
将仿真运行时间长度订为2年,以求在足够长的时间内观察其状态的变化情况。根据CNR-FIFO组合策略的运行结果,系统达到稳定的时间约 219000 min(约152d),仿真结果如表1所示。
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 由于瓶颈设备的加工能力相对于等待加工的晶圆批要小得多,所以设备利用率均较高,几种控制策略在曝光设备利用率指标上的效果差别不明显。 采用固定时间间隔投料(CNR)法则时,与不同派工策略配合得到的绩效结果,在一定程度上不如考虑生产线负荷状况的投料策略(FW和 WR),说明动态投料策略要优于静态投料策略。 最大的系统仿真与系统优化交流社区, z" H% z5 K# i$ L
生产周期时间的标准差反映了系统负荷的波动情况,标准差越小,生产线负荷波动越小,同时对各晶圆批完工时间的预测越可靠,系统产出也越平稳。通过比较周期时间标准差(SCT),可以看出WR策略比FW策略更能稳定生产线负荷,说明简单控制整条生产线的负荷无法真正达到负荷平稳的目的。与其他投料策略相比,RRLB策略能够得到较小的周期时间标准差,这也反映出RRLB策略在稳定生产负荷方面较其他策略要好得多,能较好地维持生产线平衡。通过对三个加工区域的设备利用率的监控,发现没有发生瓶颈漂移现象。 www.simulway.com, M+ F& C' p7 h' L8 W3 g
RRLB策略在WIP,OTD,MCT和SCT四个指标方面要明显优于其他控制策略,说明所设计的RRLB策略能够更好地兼顾多个绩效指标。
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5 结论
 流社区2 W. m& S7 _2 p% U" e3 A) I( k
RRLB综合了约束理论、生产线平衡理论和投料控制三种思想。基于约束理论思想,RRLB以整个系统的生产经平衡作为控制目标,努力使各个生产环节协同一致。与WR等策略相比,在投料时间上不再简单的以瓶颈设备的在制品(或负荷)状况业驱动,而是由瓶颈设备前的次瓶设备的在制品状况和目标产出来共同决定投料时间及投料量。瓶颈设备所需的在制品量由瓶颈前的次瓶颈设备来保证供应,这样既有利于避免瓶颈缺料情况的发生,又能从系统的角度维持考产线钡荷 的相对稳定。进一步的仿真实验也验证了该策略的有效性。
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