基于文化算法的半导体生产线批调度问题研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 2.05MB 84 页 15积分
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摘 要
经过十几年的持续快速发展，我国半导体产业已经形成了包括 IC 设计、制造、
封装测试、半导体分立器件以及半导体支撑业等相对配套的产业链。其中，晶圆
制造业占据了我国半导体产业发展的主流位置。近年来，尽管产量和技术都在迅
速的提高，但我国的集成电路工业仍然远远落后于发达国家的技术水平。要提高
半导体制造企业的竞争力，除了大力发展与半导体器件密切相关的半导体物理、
半导体工艺化学和新产品设计等关键技术之外，还必须在生产过程的优化调度与
控制方面进行研究并取得突破，这也使半导体制造系统的生产调度成为一个很有
研究价值的问题。
本文主要针对半导体制造系统中的批调度问题进行研究，目的是为半导体生
产控制提供参考依据。本文以炉管区为参考进行研究，主要研究工作如下：首先，
总结了半导体批调度国内外研究现状。对半导体制造系统单机批调度和并行多机
批调度的国内外研究现状进行了总结归纳，并分析了各种调度方法的优缺点。其
次，建立了半导体批调度问题模型。针对半导体制造系统多品种工件动态到达情
况下的单机批调度及并行多机批调度问题，分别建立了动态规划模型。最后，针
对半导体批调度问题模型设计了文化遗传算法。采用文化遗传算法与启发式规则
相结合的方式求解了半导体单机批调度及并行多机批调度问题，并进行了实例研
究，结果表明，本文方法有效的提高了解的质量。
关键词：半导体制造 炉管区 批调度 文化遗传算法 启发式规则
ABSTRACT
Along with the continuous and rapid development of semiconductor industry, an
integrated industry chain has been formed including IC design, manufacturing,
encapsulation and test, discrete semiconductor and so on. Wafer manufacturing takes an
important part in the development of semiconductor industry. Although the output and
technology has been improved rapidly in recent years, our technical level of integrated
circuit industry is far behind developed countries. In order to win in the competition,
semiconductor manufacturing company must achieve breakthrough in optimizing
scheduling and controlling research and not only focus on new product design,
semiconductor process chemistry and so on. So, the study of production scheduling in
semiconductor manufacturing system become worthy and should be made urgently.
This paper focuses on the batch scheduling problem in semiconductor
manufacturing system with the aim to provide reference for production control. The
study takes furnace area as example. First, summarize the present researches on
single batch scheduling and parallel machines batch scheduling. Analyze the
advantages and disadvantages of these scheduling methods. Second, establish a batch
scheduling model for semiconductor manufacturing. Due to dynamic arrival of
different types of jobs in semiconductor manufacturing system, dynamic programming
models were established respectively for single batch scheduling and parallel machines
batch scheduling problems. Finally, design the Culture-Genetic algorithm. Combine the
Culture-Genetic algorithm with heuristic rule to resolve the batch scheduling problem.
A case was studied to verify that the method designed in this paper can improve the
result effectively.
Key Words: Semiconductor Manufacturing, Furnace Area, Batch
Scheduling, Culture-Genetic Algorithm, Heuristic Rule
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ........................................................ 1
§1.1 课题的研究背景及意义 ........................................ 1
§1.1.1 课题的研究背景 .......................................... 1
§1.1.2 课题的研究意义 .......................................... 2
§1.2 半导体制造系统 ............................................. 3
§1.2.1 半导体制造工艺简介 ...................................... 3
§1.2.2 半导体制造系统调度的复杂性 .............................. 5
§1.3 论文的研究内容及结构 ........................................ 9
第二章 文化算法 ................................................... 11
§2.1 文化算法的发展及应用现状 .................................. 11
§2.2 文化算法的基础理论知识 .................................... 14
§2.2.1 文化算法的基本框架 .....................................14
§2.2.2 文化算法信仰空间的五类知识 .............................16
§2.2.3 文化算法流程设计 .......................................17
§2.3 文化算法的一般特点及适用范围 .............................. 17
§2.3.1 文化算法的一般特点 .....................................17
§2.3.2 文化算法的适用范围 .....................................18
§2.4 本章小结 .................................................. 18
第三章半导体制造系统中的批加工设备调度 ............................ 19
§3.1. 概述 ..................................................... 19
§3.2 单台批加工设备调度 ........................................ 20
§3.3 多台并行批加工设备调度 .................................... 21
§3.4 本文研究的创新点 .......................................... 22
§3.5 本章小结 .................................................. 23
第四章 基于文化遗传算法的单机批调度问题研究 ....................... 25
§4.1 问题数学描述及模型建立 .................................... 25
§4.1.1 研究对象的确立 ......................................... 25
§4.1.2 问题描述 ............................................... 25
§4.1.3 规划模型的建立 .........................................25
§4.2 分批的启发式规则 .......................................... 27
§4.3 文化算法设计 .............................................. 30
§4.3.1 遗传算法简介 ...........................................30
§4.3.2 文化算法设计 ........................................... 30
§4.4 实例研究 .................................................. 33
§4.5 本章小结 ................................................... 35
第五章 基于文化遗传算法的并行多机批调度研究 ....................... 37
§5.1 问题描述及动态规划模型的建立 .............................. 37
§5.1.1 研究对象的确定 ......................................... 37
§5.1.2 问题描述 ............................................... 37
§5.1.3 动态规划模型的建立 .....................................38
§5.2 工件组批的启发式规则 ...................................... 40
§5.2.1 确定求解方式 ...........................................40
§5.2.2 组批的启发式规则 .......................................40
§5.3 基于差异变异的文化算法设计 ................................ 41
§5.4 实例研究 ................................................... 44
§5.4.1 实验设计 ............................................... 44
§5.4.2 实验数据 ............................................... 44
§5.4.3 实验结果 ............................................... 48
§5.5 本章小结 ................................................... 52
第六章 总结与展望 ................................................. 53
§6.1 总结 ...................................................... 53
§6.2 展望 ...................................................... 53
附录 .............................................................. 55
参考文献 .......................................................... 75
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 83
致 谢 ............................................................ 85
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的研究背景及意义
§1.1.1 课题的研究背景
1958 年，美国德克萨斯仪器公司发明了第一块半导体集成电路（Integrated
Circuit，IC）。经历了五十多年的发展，集成电路技术不但实现了产业化，同时也
经历了从小规模、中规模、大规模到特大规模集成电路的发展阶段，并发展成为
了当代高新技术产业的核心和国民经济的重要支柱产业之一。半导体集成电路的
发展规模和技术水平已成为一个国家经济实力和技术进步的重要标志，对一个国
家的综合国力有着深远影响和巨大推动作用[1]。目前，在国际上，大规模集成电路
（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）和巨大规模集成电路（ULSI）技术被称为“掌
握世界的钥匙”，谁掌握了它，谁就掌握了世界[2]。
从20 世纪 90 年代开始，随着世界半导体制造业重心的战略转移，半导体晶
圆代工产业（Wafer Foundry Industry，WFI）迅速崛起，亚洲环太平洋地区逐渐成
为全球芯片生产的主要地区之一[3][4]。我国内地的半导体制造业起步虽晚，但经过
十几年的持续和快速发展，我国半导体产业已经形成了包括 IC 设计、制造、封装
测试、半导体分立器件以及半导体支撑业等相对配套的产业链。其中，晶圆制造
业占据了我国半导体产业发展的主流位置。内地的半导体产业主要集中在长江三
角洲、京津环渤海和珠江三角洲地区，这三个地区的总产值占我国内地半导体行
业产值的 95%以上[5]-[6]。近年来，尽管产量和技术都在迅速的提高，但我国的集成
电路工业仍然远远落后于发达国家的技术水平。
作为国民经济重要支柱产业之一，半导体产业的发展不仅对各相关产业具有
强大的辐射和带动作用，而且对人类的生活和工作也产生着举足轻重的影响。目
前，半导体产业已成为当代高新技术产业群的核心和维护国家主权、保障国家安
全的战略性产业。在未来的数年内，受经济增长的拉动，对半导体产品需求将持
续高速增长。
Leachman 和Hodges 等学者曾历经 6年对全球半导体工业和生产状况进行了
研究分析，试图找出半导体制造企业中影响产品质量和生产效率的因素，从而提
高企业的整体竞争力。参加研究计划的企业包括 IBM、Intel、NEC、AMD 和DEC
等全球著名半导体制造商，它们在微处理器、存储器和数字信号处理器等尖端产
品的生产方面位于绝对领先水平，占有相当大的市场份额。项目组以晶圆片加工
周期、产品合格率、关键设备的利用率、操作人员工作效率、准时交货率和整体
生产率等为指标，对各参与企业逐个进行比较研究。结果表明，尽管各企业使用
的是相同或相似的设备，采用的工艺也是相同的，但是它们的生产绩效却存在着
基于文化算法的半导体生产线批调度问题研究
2
巨大的差距。导致这些巨大差距的原因是多方面的，其中制造过程的优化控制是
关键因素之一，对企业的生产效率有着至关重要的影响[7]-[8]。
因此，要提高半导体制造企业的竞争力，除了要大力发展半导体物理、半导
体工艺化学和新产品设计等与半导体器件密切相关的关键技术之外，还必须在生
产过程的优化调度与控制方面进行研究并取得突破，所以半导体制造系统的生产
调度问题很有研究价值。
§1.2.1 课题的研究意义
半导体制造系统被公认为目前最复杂的制造系统之一，其生产主要包括四个
阶段：晶圆加工(即前端工艺，常常被称作半导体生产线)、中试、装配(即后端工
艺)以及最终的产品测试。其中，半导体生产线是半导体制造中流程最复杂、耗资
最巨大、生产最费时的部分，具有可重入、批加工处理、不确定性、设备负载不
均衡等明显区别于其它制造业的显著特点，其控制与调度问题得到了学术界与工
业界的普遍关注[9]-[12]。以往用于 FMS 等制造业中的诸多控制方法并不能完全适用
于半导体生产线，因此，对半导体生产控制方面的研究具有一定的紧迫性，而生
产线的调度则是生产控制中的重要组成部分之一。
在半导体制造系统的调度研究领域，方法的实用性和解的最优性似乎是一对
很难调和的矛盾。基于规则的调度方法目前使用最为广泛，但该方法不能保证解
的最优性，也无法确定与最优解的距离；运筹学中的一些最优化方法虽然能得到
最优解，但建模时需要对实际系统做大量简化，而且计算量很大，在复杂多变的
实际生产系统中难以应用。因此，针对半导体生产线建立既能精确描述系统特性，
而又容易求解的调度模型是非常困难的。受到实际需求的激励，人们对半导体生
产线的调度与控制这一具有挑战性的课题进行了大量的研究，但尚未形成一套切
实有效的方法和理论，因此半导体制造的生产调度问题进行研究具有重要意义。
美国学者库玛教授曾经在 20 世纪 80 年代末 90 年代初，针对半导体、胶卷等
行业的生产特点，提出了多重入复杂制造系统的概念，并将其称为区别于 Flow-shop
和Job-shop 生产方式的第三类制造系统。半导体制造系统作为这一类具有多重入
特点的制造系统的典型代表，其调度问题具有不确定、大规模、多目标等综合复
杂性，集中体现了新型调度问题的特征。研究半导体制造系统调度问题，不仅在
理论上具有极大的挑战性，而且在实践中也具有十分显著的应用意义。从我国“十
五”规划开始，半导体制造业就成为了整个集成电路产业的基础，并且一直是国
家大力推进的行业之一，所以需要有相应的理论、方法和应用方面的研究为其发
展提供指导和支持。但目前的实际情况是，国内外的相关研究存在着较大的差距，
国外先进的理论和方法未必就能适合我国半导体制造企业的实际需求。因此，对
第一章 绪论
3
半导体生产线调度问题的研究是一项极其复杂而又极具挑战性的课题，也是为了
满足我国半导体制造产业兴起与迅速发展的需要。
批量加工是半导体制造系统区别于传统制造系统的显著特点之一。严格地说，
批加工设备调度是包含在工件调度中的一类特殊子问题。由于该问题的特殊性与
复杂性，往往被单独加以研究。半导体生产线中的批量加工设备，如氧化炉管
(Furnace)等，大约占生产线设备总数的 20%~30%，其调度方法的改进和提高对改
善半导体制造系统的绩效具有重要意义。从提高加工能力的角度来看，以最大批
量加工工件是最理想的，但是如果可同时加工的待加工工件数量不能满足设备的
最大批量时，如果选择等待可一起加工的工件到达，会降低设备的使用率，这样
也从整体上降低了系统的加工能力。因此，如何合理的解决批量加工设备的调度
问题，对于提高半导体制造系统的绩效具有重要意义。
§1.2 半导体制造系统
§1.2.1 半导体制造工艺简介
半导体制造大致可以分为晶圆制造(Wafer Fabrication)、晶圆片检测(Wafer
Probe)、封装(Assembly and Packaging)和最终测试(Final Testing)等4个基本阶段，
制造过程如下[1]：首先，用于半导体制造的硅原料通过提纯和净化，达到 99.99%
的硅晶体，然后经过切割，得到可在上面进行电路层生成的硅片晶圆（Silicon
Wafer）。其次，对硅片晶圆进行检测和分类。将硅片晶圆切割后，再按规定的封装
形式进行装配和封装。最后，封装好的集成电路产品经过老化测试，合格后方可
进入市场。
我们通常把晶圆制造与检测称为前端工艺，而把封装和最终产品测试称为后端
工艺。前端工艺主要是在晶圆上完成电路印刷工作，平均需要经过 400 到600 步
的加工步骤，使用上百台设备。在晶圆上加工各个芯片，所需要设备的技术含量
以及精度都非常高，投资很大。在对加工完成的芯片进行检测后，再经过后端工
艺，对芯片进行相应的封装，从而成为集成电路，最后对产品进行测试，检验其
合格率。
在半导体生产制造系统中，晶圆制造是最复杂且最关键的部分，同时也是资金
耗时最长、投入最高的部分，通常被称为半导体生产线，半导体生产线一直是从
事半导体生产调度研究的工程技术人员和学者们所关注的焦点。在半导体生产线
上，晶圆片是以“卡”为单位随工艺流程流动的。为了保护已经形成的电路层不
受到损伤，一般将晶圆片放在特制的周转容器内流动，即所说的卡。通常情况下，
每卡盛放 24 或50 片晶圆片，但是也有例外，比如工程卡、测试卡等。一卡硅片
一般下同时进行加工，加工完毕后再进行下一个工序。晶圆加工利用各种复杂昂
基于文化算法的半导体生产线批调度问题研究
4
贵的加工设备，经过各种物理、化学加工工序在晶圆上形成所需要的电路层，这
些加工工序主要包括：清洗、氧化、曝光、刻蚀和掺杂等[13]，如图 1-1 所示：
(1) 清洗(Cleaning)
在加工每层电路前，需要清除晶圆片表面上的杂质、油迹、尘埃颗粒等，目
的为了保证产品质量，其中尘埃颗粒是导致元器件失效的一个重要原因。这是一
个批处理的加工过程，可以同时加工 1卡到 8卡晶圆片。清洁的晶圆片必须在规
定的时间内进行下一步加工处理，从而防止再次污染，超过一定时间未进行下一
步加工，则需要重新进行清洗。
(2) 氧化（Oxidation）、沉积（Deposition）或金属化（Metallization）
氧化是指在晶圆片表面生成一层特殊的物质，例如 SiO2薄膜，作为杂质扩散
的掩蔽膜，也可以作为器件表面的保护层和钝化层。层的形成是通过生长、沉积
操作，这些操作同样也属于批处理，不同批的大小相差很大，一般从 10 个晶圆到
200 个晶圆都有，需要根据设备和加工情况而定。
(3) 光刻(Lithography)
光刻也称为曝光，这是最复杂的操作，与产品的质量和性能息息相关，因此
对精度要求非常高。首先要把选定的光致抗蚀剂均匀地涂在晶圆片表面，再进行
前烘，从而形成一层涂层，然后在紫外线的照射下通过掩膜进行曝光，这样就在
涂层上留下了电路图，而后再利用显影液去掉涂层上曝光(对正型抗蚀剂)或者未曝
光（对负型抗蚀剂）的部分，把将要刻蚀的电路图保护层暴露出来，经过漂洗、
坚膜，在晶圆片表面就获得了与光掩膜相同的电路图形，然后再进行下一步选择
性刻蚀。
(4) 刻蚀(Etching)
刻蚀就是将层中被曝光的部分刻掉，用来形成电路。刻蚀分许多种类，例如
湿化学刻蚀、等离子刻蚀等，不同种类的刻蚀所能处理的批的大小是不相同的。
(5) 掺杂(Ion Implementation)
将选定的杂质按一定的方式掺入到晶片上刻蚀的电路图区域内，达到规定的
数量和符合要求的分布，以改变某些区域的导电性能，从而产生 PN 结、互连线、
集成电路中的电阻器等。掺杂是实现半导体器件和集成电路纵向结构的重要手段。
掺杂的主要方法包括扩散法、离子注入法、合金法等。
(6) 去胶(Photo resist Strip)
去胶的目的是为了把残留在晶片表面的光致抗蚀剂清除干净，到这一步为止，
己经把一层电路印制在晶片表面了。
(7) 检测(Inspection and Measurement)
第一章 绪论
5
检测该层电路，确定是否有缺陷，以便于进行下面的加工。有缺陷的晶片将
被送去重新加工，而合格的晶片则进入下一道工序。
把所有的电路层都按照需要印制在晶片上之后，那么在每个晶片上就产生了
成百上千个集成电路管芯。在晶片检测阶段，需要对其中的每一个管芯进行检测，
把不合格的管芯标记出来，然后利用金刚刀或激光束进行划片，再把晶片上的一
个个管芯分割成单个的管芯。
在封装阶段，按照用户的要求连接内引线和外引线，并且把管芯封装到塑料、
玻璃、陶瓷或者金属管壳中，从而使管芯与外界隔绝，增强器件的强度。封装阶
段大致经过镜检、装片、烧结内引线焊接、表面涂敷、封装、气密性检漏、老化、
喷漆和打印标签等操作。
在最终测试阶段，将对己封装的芯片进行全面测试，以确定器件在特定条件
下是否能够正常工作。
图1-1 晶圆制造的基本流程
§1.2.2 半导体制造系统调度的复杂性
半导体制造系统调度的复杂性源自于其系统的复杂性，通常一条半导体生产
芯片
缺陷芯片
检测
晶圆片
清洗
氧化、扩散、
注入、沉积
光刻
图 案
芯片切割
装 配
封 装
最终测试
摘要：

摘要经过十几年的持续快速发展，我国半导体产业已经形成了包括IC设计、制造、封装测试、半导体分立器件以及半导体支撑业等相对配套的产业链。其中，晶圆制造业占据了我国半导体产业发展的主流位置。近年来，尽管产量和技术都在迅速的提高，但我国的集成电路工业仍然远远落后于发达国家的技术水平。要提高半导体制造企业的竞争力，除了大力发展与半导体器件密切相关的半导体物理、半导体工艺化学和新产品设计等关键技术之外，还必须在生产过程的优化调度与控制方面进行研究并取得突破，这也使半导体制造系统的生产调度成为一个很有研究价值的问题。本文主要针对半导体制造系统中的批调度问题进行研究，目的是为半导体生产控制提供参考依据。本文...

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