上海交通大学硕士学位论文 摘要 I基于 Kohonen 神经网络的晶圆光刻流程动态调度方法 摘要 为了使半导体企业在激烈的市场竞争中占据有利地位， 要求其不断提高产能降低制造周期来适应需求。在整个半导体晶圆制造系统中，光刻区是重入次数最多的区域，光刻设备被认为是利用率最高的瓶颈设备，并在很大程度上控制着整个晶圆制造厂的系统绩效。本文结合国内外已有的研究成果，对光刻流程动态调度问题进行了系统和深入的研究。本文所做的主要工作为： （1）针对光刻区的不同状态，提出了基于 Kohonen 神经网络的晶圆光刻流程动态调度方法，以适应生产过程中的复杂变化。以此提高光刻区绩效指标值，从而达到改善制造系统整体绩效的目的。 （2）将基于 Kohonen 神经网络的晶圆光刻流程动态调度方法集成为一套动态调度系统，主体是由仿真样本生成模块，学习模块、数据库模块、预测模块、控制模块五部分组成。其整体构思为：仿真样本生成模块通过模拟真实晶圆制造系统收集仿真样本；学习模块利用 Kohonen神经网络对仿真样本进行学习， 选择出每种状态下能够使光刻区取得较上海交通大学硕士学位论文 摘要 II好绩效的调度规则；在获得了学习的结果之后，控制模块将利用预测模块和数据库模块对实际的晶圆制造系统实施周期性动态调度策略， 即每隔固定的时间，为光刻区选择适宜的调度规则。 （3）为了证明该方法的有效性和高效性，在以上工作的基础上，对基于 Kohonen 神经网络的晶圆光刻流程动态调度方法在半导体晶圆制造系统中的应用进行了仿真实验， 实验按照系统投料规则的不同划分为闭环投料规则和开环投料规两种情况， 实验结果表明本文所提出的调度方法是有效可行的。 关键字：关键字：半导体晶圆制造系统；光刻；Kohonen 网络；动态调度 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT IIIDYNAMIC SCHEDULING OF PHOTOLITHOGRAPHY PROCESS BASED ON KOHONEN NEURAL NETWORK ABSTRACT Semiconductor enterprises should continue to provide more capacity to meet the demands of the highly competitive semiconductor market. Photolithography area is the most reentrant area and its equipment is the most important equipment in semiconductor manufacturing system. To some extend, photolithography area controls the performance of whole semiconductor manufacturing system. This paper researches on the dynamic scheduling in photolithography area. A dynamic scheduling method based on Kohonen neural network is proposed in this paper, to accommodate the complex changes of state in photolithography area. Get the improvement of performance of photolithography area, in order to increase the performance value of the whole semiconductor manufacturing system. The method has been integrated into a dynamic scheduling system, which is composed of sample creating module, learning module, database 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT IVmodule, forecast module and controlling module. The learning module learning the samples collected by the sample creating module, to select best scheduling policy according to the state of photolithography area. The controlling module applies suitable scheduling policy to photolithography process based on the forecasted state and the learning results. Finally, the results of simulation experiments indicated that, the proposed method is effective and feasible in realtime scheduling of semiconductor manufacturing system under both closed-loop release policy and open-loop release policy. Keywords: Semiconductor wafer manufacturing system; Photolithography; Kohonen networks; Dynamic 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： 日期： 年 月 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： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 1.1 课题背景和研究意义 伴随着超大规模集成电路技术的广泛应用，以及信息、通讯电子的高速进步，半导体制造业蓬勃发展。作为新兴的高科技制造型工业，半导体制造业的技术水平和发展规模已经成为衡量一个国家经济发展的和科技进步的重要标志。 自 20 世纪 90 年代以来，半导体制造业中心战略转移，亚洲环太平洋地区的半导体晶圆代工厂迅速崛起，逐渐成为全球芯片生产的主要地区之一12。我国的半导体制造业起步较晚，但经过几十年的发展也形成了一定的产业水平。根据我国半导体产业协会的统计，2007 年我国集成电路市场规模和产业销售额分别为 5410 亿元和 1251 亿元，同比分别增长了 17.6% 和 24.3%，预计 2008 年市场规模和产业销售额将分别达到 6300 亿元和 1510 亿元，同比分别增长 17%和 20%左右。预计在未来的几年内，我国的半导体芯片生产将以每年 42%的速度增长，在 2008 年将成为仅次于美国的世界第二大半导体市场3。 晶圆制造业占据了我国半导体产业发展的主流地位，而半导体晶圆制造系统是半导体制造过程中最为复杂和昂贵的环节。目前我国境内许多晶圆制造业的生产硬件装备从规模和技术水平方面都已做到了与全球同步，有些已经到达甚至超过了世界先进水平。一批相对成熟和先进的计算机集成制造系统、制造执行系统等生产信息管理系统的实施应用也已经比较好地解决了企业内部的日常生产及物流自动化问题，但绝大多数企业在有效集成和生产过程优化，以及未来的预测方面仍然停留在依靠现有 IT 系统和管理经验的半人工计算机水平，仍然有很大的不足和提升空间。半导体市场竞争激烈，所以企业要不断提高产能降低制造周期以适应需求。所以在半导体晶圆制造系统中实施高效的生产管理方法，不仅可以提高企业自身的管理水平，而且有助于促进相关高科技制造业的健康和可持续发展。 半导体晶圆制造系统被 Kumar4定义为继 Job-shop 和 Flow-shop 之后发展起来的第三类生产系统重入式生产系统。与传统的这两种生产模式比，半导体制造工艺具有独特性和复杂性。具体表现为： （1）规模庞大，混合加工模式。典型的晶圆制造系统有几十个加工中心，上百台甚至是上千台设备，而且设备特性变化很大，按照其加工模式可分单片加工、串行批量加工、单批并行加工、多批并行批量加工，这也是半导体生产线问题与经上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2典调度问题的重要区别之一。 （2）加工成本高。首先是因为核心设备成本很高，目前一台光刻机价值十亿美元，甚至更高，况且电子产品越做越小，相应的设备也需要更新，所以在短时间内就要收回成本。其次是因为半导体基本原材料晶圆，价值十分昂贵，工件在加工过程中若暴露在空气中的时间过长，就会因氧化或杂尘玷污而报废。 （3）大批量、多品种产品混合生产。为适应外部市场经济环境和全球化竞争压力，晶圆代工厂应运而生。与过去主要生产几种固定产品面向库存生产的模式不同， 这些代工厂直接面对来自全球范围内的客户定制产品市场， 面向订单组织生产，是典型的大批量、超多品种混合生产。同时由于每种产品的加工路线、工艺参数等都各不相同，对晶圆制造厂的管理也带来了困难。 （4）反复重入型制造过程。在半导体晶圆制造系统中，功能相同或相近的机器都被安排在同一个设备（群组） ，工序操作类型相同但位于不同加工阶段的晶圆将要访问相同的设备群组。这种产品在制造周期过程中多次访问同一设备（群组）的生产特征被称为重入型制造过程5。晶圆制造系统中设备复杂产品数量众多，不同的晶圆产品有不同的加工过程和工艺要求，相同产品在不同的加工阶段的加工顺序和要求也不相同，反复重入型的制造过程使得本已十分复杂的制造资源和加工产品之间的逻辑关系变得更加复杂，使得从制造系统整体上搜寻最优的调度策略变得不现实。 （5）产品的制