淺析晶圓制造自動(dòng)化物料運(yùn)輸系統(tǒng)調(diào)度研究現(xiàn)狀

宋昊舉，吳立輝，王維豪

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450007）

淺析晶圓制造自動(dòng)化物料運(yùn)輸系統(tǒng)調(diào)度研究現(xiàn)狀

宋昊舉，吳立輝，王維豪

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450007）

自動(dòng)化物料運(yùn)輸系統(tǒng)（Automatic Material Handling System，AMHS）在晶圓制造中扮演著非常重要的角色，已成為晶圓制造工廠不可或缺的組成部分。晶圓制造AMHS具有運(yùn)輸任務(wù)規(guī)模龐大、運(yùn)輸需求隨機(jī)、任務(wù)實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，通過調(diào)度優(yōu)化可顯著提高AMHS及晶圓制造系統(tǒng)運(yùn)行效率。對(duì)晶圓制造AMHS調(diào)度方法研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單總結(jié)，并指出了AMHS調(diào)度進(jìn)一步的研究方向。

晶圓制造；自動(dòng)化物料運(yùn)輸系統(tǒng)；調(diào)度方法

隨著半導(dǎo)體集成電路的飛速發(fā)展，晶圓制造業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展的黃金時(shí)期。為適應(yīng)市場(chǎng)需求、提高企業(yè)效益，晶圓制造企業(yè)面臨著提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的雙重壓力。AMHS（Automatic Material Handling System，自動(dòng)化物料運(yùn)輸系統(tǒng)）作為晶圓制造的重要組成部分，對(duì)其優(yōu)化調(diào)度具有重要意義。

1 AMHS調(diào)度問題描述

自動(dòng)化物料運(yùn)輸系統(tǒng)調(diào)度是指在滿足晶舟搬運(yùn)約束條件的前提下，安排物料運(yùn)輸小車搬運(yùn)晶舟的先后順序和時(shí)間，從而提高AMHS運(yùn)行效率[1]。晶圓制造AMHS調(diào)度問題具有大規(guī)模、隨機(jī)性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，是典型的NP-hard問題[2]，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛、深入研究。

2 AMHS調(diào)度方法研究現(xiàn)狀

目前，晶圓制造AMHS調(diào)度方法研究趨于復(fù)雜化和多元化，AMHS調(diào)度方法有：運(yùn)籌學(xué)求解的方法、啟發(fā)式規(guī)則的方法、仿真優(yōu)化方法、人工智能方法。其中，運(yùn)籌學(xué)求解方法包含整數(shù)規(guī)劃、線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等，當(dāng)物料運(yùn)輸調(diào)度規(guī)模較小時(shí)，該方法可以獲得調(diào)度問題的最優(yōu)解或次優(yōu)解，但是由于數(shù)學(xué)規(guī)劃模型求解計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于復(fù)雜、大規(guī)模和隨機(jī)的晶圓物料運(yùn)輸調(diào)度問題很難滿足實(shí)時(shí)調(diào)度的需求；啟發(fā)式規(guī)則方法包含單一啟發(fā)式規(guī)則和復(fù)合啟發(fā)式規(guī)則，該方法計(jì)算量小、效率高、實(shí)行性好，在物料運(yùn)輸調(diào)度中廣泛使用，但是由于啟發(fā)式規(guī)則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)建立，缺少數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。因此，對(duì)于動(dòng)態(tài)、隨機(jī)變化的物料運(yùn)輸系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化；仿真優(yōu)化方法包含實(shí)時(shí)仿真、連續(xù)仿真等，由于實(shí)際半導(dǎo)體車間存在成本高、不支持迅速測(cè)試等特點(diǎn)，因此，利用仿真的方法可以對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)轉(zhuǎn)換的指導(dǎo)方針；人工智能方法包含人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、智能Agent等。人工智能調(diào)度方法雖然可以有效解決運(yùn)籌學(xué)和啟發(fā)式規(guī)則的缺點(diǎn)，但仍然無(wú)法滿足晶圓運(yùn)輸調(diào)度中大規(guī)模、具有復(fù)雜約束以及多目標(biāo)優(yōu)化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度需要。

2.1 基于運(yùn)籌學(xué)求解方法

針對(duì)晶圓制造AMHS調(diào)度問題，Desaultniers等[3]考慮運(yùn)輸小車對(duì)晶圓調(diào)度的影響，以減少運(yùn)輸小車堵塞率為目標(biāo)，將小車指派問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，并采用分支界定法和列生成法對(duì)其求解，最終獲得較優(yōu)的物料運(yùn)輸調(diào)度方案；Wang等[4]以減少晶圓加工周期為優(yōu)化目標(biāo)，將晶圓制造物料運(yùn)輸指派問題轉(zhuǎn)化為整數(shù)規(guī)劃問題，并運(yùn)用拉格朗日松弛法對(duì)問題進(jìn)行求解獲得物料運(yùn)輸?shù)膬?yōu)化結(jié)果；Correa等[5]以減少工件運(yùn)輸時(shí)間為目標(biāo)，綜合考慮運(yùn)輸小車和晶圓指派問題，運(yùn)用約束規(guī)劃方法和混合整數(shù)規(guī)劃方法來(lái)分別求解晶圓任務(wù)分配問題和小車路徑優(yōu)化問題。Nakamura等[6]考慮運(yùn)輸小車派工問題和路徑規(guī)劃問題，建立了一個(gè)混合模型并轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制整數(shù)線性規(guī)劃（Binary Integer Linear Programming，BILP）問題進(jìn)行求解。

2.2 基于啟發(fā)式規(guī)則方法

針對(duì)晶圓制造AMHS調(diào)度問題，Yamashita等[7]提出一種改進(jìn)的先到先服務(wù)規(guī)則對(duì)物料運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指派，有效減少晶圓的等待時(shí)間；Kuo等[8]綜合晶圓卡等待時(shí)間、搬運(yùn)時(shí)間及運(yùn)輸小車位置等參數(shù)，提出了一種基于模糊邏輯方法的動(dòng)態(tài)選取物料調(diào)度規(guī)則，雖然此方法具有動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，但是本質(zhì)仍屬于啟發(fā)式規(guī)則；Jang等[9]考慮系統(tǒng)中晶圓的當(dāng)前位置及未來(lái)運(yùn)輸信息，針對(duì)物料運(yùn)輸系統(tǒng)調(diào)度提出一種面向前饋的復(fù)合啟發(fā)式規(guī)則；Bilge等[10]將運(yùn)輸小車的調(diào)度和晶圓加工調(diào)度相結(jié)合，綜合考慮運(yùn)輸時(shí)間、設(shè)備緩沖區(qū)中物料數(shù)量等因素，提出基于多參數(shù)的復(fù)合啟發(fā)式方法，實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸調(diào)度的全局優(yōu)化。

2.3 基于仿真優(yōu)化方法

仿真優(yōu)化方法被廣泛應(yīng)用于對(duì)AMHS中晶圓產(chǎn)出率、在制品數(shù)量、加工設(shè)備利用率等性能指標(biāo)的分析，從而對(duì)系統(tǒng)采用合適的控制策略和調(diào)度方法以提高產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交貨率。以300 mm晶圓生產(chǎn)線為研究對(duì)象，Lin等[11]根據(jù)瓶頸設(shè)備的實(shí)時(shí)情況運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行調(diào)度，提出了一種基于推/拉結(jié)合的運(yùn)行規(guī)則，并運(yùn)用e M-Plant進(jìn)行離散時(shí)間仿真，得出：當(dāng)wafer到達(dá)率足夠高時(shí)，AMHS性能將大幅提高，晶圓在制品數(shù)量和加工周期也將大幅降低；對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化下的半導(dǎo)體制造生產(chǎn)調(diào)度問題，Lee等[12]建立以時(shí)間響應(yīng)為觸發(fā)，面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)的仿真模型，并對(duì)其方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4 基于人工智能方法

對(duì)于AMHS中分層協(xié)調(diào)控制、重調(diào)度控制等運(yùn)用人工智能的方法能很好得到解決。Min等[13]根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制規(guī)則的選擇，將傳統(tǒng)基于規(guī)則面向設(shè)備或面向工件單一方式的控制策略轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)變化的控制策略，滿足了AMHS動(dòng)態(tài)調(diào)度的要求；對(duì)于AMHS動(dòng)態(tài)調(diào)度問題，Kuo等[14]綜合復(fù)雜的產(chǎn)品組合和工藝路線，提出了一種基于模糊邏輯的滿足生產(chǎn)目標(biāo)和制造指標(biāo)的多目標(biāo)智能OHT調(diào)度器，該調(diào)度器可以根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)AMHS調(diào)度規(guī)則進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，并通過模型驗(yàn)證多目標(biāo)智能調(diào)度器的結(jié)果優(yōu)于單一規(guī)則調(diào)度結(jié)果；以單閉環(huán)Interbay系統(tǒng)為背景，Wang等[15]綜合工件加工時(shí)間、等待時(shí)間和小車運(yùn)輸時(shí)間等，運(yùn)用Agent技術(shù)提出三種啟發(fā)規(guī)則，對(duì)多時(shí)間調(diào)度采用競(jìng)標(biāo)方式，并驗(yàn)證此方法在全局性能掌控方面比傳統(tǒng)啟發(fā)規(guī)則更具優(yōu)勢(shì)。

3 AMHS調(diào)度研究發(fā)展趨勢(shì)

隨著晶圓尺寸從300 mm向450 mm發(fā)展，整體式AMHS的運(yùn)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。對(duì)于AMHS調(diào)度方法的研究也有了新的發(fā)展方向。對(duì)于運(yùn)籌學(xué)方法而言，雖然可以獲得調(diào)度問題的最優(yōu)解或者次優(yōu)解，但隨物料運(yùn)輸調(diào)度規(guī)模增大，計(jì)算效率將迅速下降，無(wú)法對(duì)大規(guī)模、復(fù)雜的AMHS進(jìn)行有效調(diào)度。而將運(yùn)籌學(xué)方法與智能方法等相結(jié)合是AMHS調(diào)度研究的發(fā)展方向之一。啟發(fā)式規(guī)則方法由于自身簡(jiǎn)單實(shí)用易操作的特點(diǎn)，在AMHS調(diào)度中研究最為廣泛，但由于現(xiàn)有啟發(fā)式規(guī)則方法需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)規(guī)則，方法設(shè)計(jì)缺少數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，且無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)、隨機(jī)的物料運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。因此，設(shè)計(jì)更加高效可靠的啟發(fā)式規(guī)則將成為下一步的研究趨勢(shì)。人工智能調(diào)度方法雖然可以有效解決運(yùn)籌學(xué)和啟發(fā)式規(guī)則的缺點(diǎn)，但現(xiàn)有研究仍屬于動(dòng)態(tài)多啟發(fā)式規(guī)則方法范疇，AMHS的多目標(biāo)整體優(yōu)化能力欠佳。因此，如何更好地結(jié)合啟發(fā)式調(diào)度規(guī)則和智能方法，是人工智能調(diào)度方法的研究方向。綜上所述，AMHS調(diào)度研究至今尚未形成一套系統(tǒng)的理論和方法，而通過剖析AMHS運(yùn)行的特征和規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)度方法，從而實(shí)現(xiàn)AMHS和晶圓制造系統(tǒng)全局優(yōu)化也是AMHS調(diào)度研究的研究發(fā)展趨勢(shì)之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

信息化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使得晶圓制造業(yè)發(fā)展迅速，AMHS作為晶圓制造工廠的重要一環(huán)，其目的是在晶圓制造中能夠最大程度地發(fā)揮作用，從而提高晶圓制造性能指標(biāo)。因此，通過晶圓制造AMHS調(diào)度方法的研究，將進(jìn)一步提高晶圓加工企業(yè)的生產(chǎn)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要的工程意義和使用價(jià)值。

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Survey on the Current Situation of Wafer Fabrication Automated Material Handling System Scheduling

SONG Hao-ju，WU Li-hui，WANG Wei-hao
（School of Mechanical&Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007，China）

Automatic material handling system（AMHS）plays a very important role in wafer fabrication and has become an integral part of the wafer fabrication facility.Wafer fabrication AMHS has a large scale of transport tasks，transportation needs random，high real-time task requirements，through schedule optimization can significantly improve operational efficiency of AMHS and wafer fabrication system.In this paper，the present situation of AMHS scheduling method for wafer fabrication is briefly summarized，and the further research direction of AMHS scheduling is pointed out.

wafer fabrication；automatic material handling system（AMHS）；scheduling method

TP399

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0047-03

2017-02-25

河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目（2015GGJS-036）；河南工業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新人才計(jì)劃項(xiàng)目（2014CXRC02）

宋昊舉（1993-），男，河南安陽(yáng)人，在讀碩士，研究方向：晶圓制造物料運(yùn)輸系統(tǒng)建模、調(diào)度。