上海交通大学硕士学位论文半导体生产车间的调度与仿真姓名：何晓昳申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：吴智铭20080201摘 要 第 I 页 半导体生产车间的调度与仿真 半导体生产车间的调度与仿真 摘 要 摘 要 半导体是信息产业的物质基础。科学家在不断创新半导体晶圆制造技术和工艺的同时，也渴望这些新技术可以更快更多地转化为产品，造福人类的生产和生活。这就要求半导体晶圆的制造商们能够高效率地利用有限的设备进行生产。 本文以半导体晶圆生产线为研究对象，重点研究半导体制造和其中的光刻过程。光刻机是半导体生产中最昂贵的设备，调度不当会引起死锁，不但降低了生产效率，晶圆还会因为长时间曝露在空气中而损坏。本文使用有色 Petri 网对光刻机进行建模，用 CPN tools 软件对模型进行仿真，得到调度方案和生产时间。我们采用通过控制环中芯片数量来预防死锁的策略，事实证明可以完全预防死锁。 在对整条制造线的仿真中，我们使用了面向对象的建模方法。不同于传统的基于排队论的模型，我们的模型可以详细得到每个时刻的整个车间的所有状态，包括每一台机床和每一个工件。同样，我们对生产的控制也可以随时根据车间的状态进行调整。因此，本文创新地对稳定期之前的过渡期进行了控制，以比平稳期稍快的速度进行投料，实验证明摘 要 第 II 页 可以提高产量而不会影响周期时间。同时，我们还提出了比较不同调度策略好坏的一些指标和方法。有了比较，我们就可以根据不同客户的不同需求选择最适合他们的调度方法。在分析了一些经典的投料策略的优缺点之后，我们取长补短地开发了一种新的投料策略，仿真证明此投料策略可以得到我们期望的性能和结果。 关键字：关键字：晶圆制造，光刻，有色 Petri 网，CPN tools，死锁避免，面向对象建模，生产调度 ABSTRACT 第 III 页 SCHEDULING AND SIMULATION OF A SEMICONDUCTOR WAFER FAB ABSTRACT Semiconductor is the material basis of the information industry. Scientists are making unceasing technical innovations of wafer manufacturing, and meanwhile, they hope these new technologies can bring mankind more products to their convenience in work and life, the sooner the better. This requires manufacturers of semiconductor wafers to produce highly efficiently with limited equipment. This thesis takes the semiconductor wafer production line as the research object and focuses on the wafer fabrication and the photolithography process of it. The photolithography equipment is the most expensive equipment in wafer fabrication, in which a deadlock may occur because of a wrong schedule. Deadlocks will not only decrease the efficiency of the production line but also damage the wafer due to long exposure to the air. This thesis builds a Colored Petri Net (CPN) model for the photolithography equipment and makes simulations using “CPN tools”, which is a software for ABSTRACT 第 IV 页 CPN simulations. Simulation results tell us the schedule and the makespan. We adopt a deadlock avoidance strategy through limiting the number of wafers in a loop, which is proved to be completely successful in eliminating deadlocks. In the simulation of the whole fabrication, we adopt the object- oriented modeling method. Our model, which is different from the classic queuing- theory- based model, can get a snapshot of the status of any machine or lot at any moment, which enables us to control the system at any moment according to the status of it. This thesis innovatively introduces a faster release strategy in the initial stage of the process, which is proved to be more productive without enlarge the cycle time. Meanwhile, we put forward some new indices and methods to prepare different scheduling strategies and the results will work as a guide for us to choose a suitable scheduling strategy for the specific needs of the manufacturer. After analyzing some classic release rules, we draw their strong points and offset their weakness to develop a new release rule, which can produce the expected performance and results. KEY WORDS: wafer fabrication, photolithography, colored Petri net, CPN tools, deadlock avoidance, object- oriented modeling, manufacturing scheduling上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：何晓昳 日期：2008 年 2 月 18 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：何晓昳 指导教师签名：吴智铭 日期：2008 年 2 月 18 日 日期：2008 年 2 月 18 日 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 第一章 绪论 1.0 引言引言 半导体生产线是当今世界最昂贵最复杂的制造系统之一。 新建一条 300mm 直径的晶圆生产线需要耗资 30 亿美元。 所有设备中最昂贵的当属光刻机 （Photolithography Equipment） ，一台美国进口的光刻机就需要 2000 到 3000 万美元。集成电路的生产必须在超净车间中进行 ，比一般的车间需要投入更大的成本。晶圆的生产需要成百上千道工序。其中一些步序以片（Wafer）为单位进行加工，一些以一组晶圆（Lot）为单位进行加工，还有一些设备可以同时处理几组晶圆，称为批处理（Batch Processing） 。 通常在一条生产线中同时加工着几种产品， 不同的产品有着不同的加工路径，重入和环的形成使原本就十分复杂的加工过程变得更加难以控制。 半导体是信息产业的物质基础。短短几十年，我国信息技术产业的销售规模和对国民经济增长的贡献率已居全国各工业行业之首，成为第一大产业。我国十分重视半导体工业，尤其近两年更是加快了步伐。2005 年底我国的半导体生产线数量为40 条 ，2006 年和 2007 年都净增加了 7 条生产线。此外，我国具有自主知识产权的设备和工艺的研发也正在如火如荼地进行。 1.1 半导体制造特点简介半导体制造特点简介 现代集成电路的问世与制造技术的不断进步，使得数以百万的电子元件能够成功整合进入一片IC芯片内。 Intel创始人之一Gordon Moore于二十世纪六十年代中期提出了著名的摩尔定律1（Moores Law），指出半导体产业“每个18- 24个月，就会有新晶圆的诞生，而且新晶圆的电晶体数量会比先前的晶圆增加一倍，性能也会提升一倍！”。时至今日此定律虽略有修正，但基本上依然能成功的预测半导体产业技术发展的趋势：约每两年IC芯片每单位面积可容纳的电晶体数将复杂一倍、电路运第一章 绪论 第 2 页 算速度可提升1.7倍、最小线幅宽度可缩小70%、制造成本也可随之下降70%，也因此具备体积轻薄化、生产成倍相对低廉、更低的耗电功率及高速运作的IC应用产品得以快速的导入市场，消费者也因此有更多元的产品选择。 晶圆制造的主要特点如下： ? 加工机台数量多：实际的晶圆制备生产线上，一般有几百台机器组，每个机器组同时又由若干台物理性质相同的机器组成。 ? 加工生产的产品品种多：特别是大型的半导体代工厂(Foundry FAB)，其产品数量可达数以百计，并从属于客户的需求。 ? 产品工艺步骤复杂：晶圆制备的基本工艺包括：氧化、光刻、淀积、刻蚀、扩散、抛光、清洗、外延等。每种工艺又由许多子步骤组成。产品从进入生产线到离开生产线一般要经过成百上千的子工艺步骤。 ? 可重入性：晶圆从进入生产线到离开生产线要重复进入光刻、刻蚀等环节。即晶圆会重复进入某些机台加工。 ? 机台具有批特性：即某些机器一次只能加工一组晶圆，如光刻等；而有些机台一次可以同时加工若干组晶圆，如氧化等。 ? 机台的维护： 机台结构复杂，而且技术含量高的科技产品，某些机台如光刻机非常昂贵，同时，23中指出：半导体制造中操作的不确定性故障主要原因是机台故障没有很好的预测、 机台没有定期维护。 所以加工机台必须定期保养