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半导体生产调度与先进过程控制集成的回顾与展望
摘要：半导体生产调度对设备利用率、周期、交货期等生产性能指标有着重要的影响。随着半导体制造业的日益复杂化、新产品的不断涌现和客户需求的不断增加，调度计划对于有效的生产控制变得至关重要。调度和控制是相互依赖的，因为控制需要来自调度的信息，例如，在哪里处理作业；调度需要控制信息，例如，在哪里处理设备操作。在文献综述的基础上，本文对半导体制造业中的先进过程以及控制系统中的调度决策和信息进行了综述和展望。
关键词：调度 分配 先进过程控制 半导体制造
1简介
半导体制造业是世界上发展最快、竞争最激烈的产业。根据摩尔定律，集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番，因此出现了新技术（摩尔 1965）。半导体工业的特点是，制造过程在基本操作和数量限制方面越来越复杂，在芯片上实现的几何结构越来越精细，自动化程度越来越高，设备和基础设施成本也越来越高，高更新率的软技术导致了产品的快速更新。由于世界范围内的竞争，晶圆的成本压力不断增加，客户对质量的要求也越来越高。此外，当前的经济形势威胁着公司的存在，只有在这里生存得最好。为了取得成功，企业必须不断关注制造过程（流程），在制造过程的各个步骤建立更好、更智能的控制，并开发新的技术。为了使企业保持竞争力，创新具有可接受的成本限制、周期时间最小化、生产能力最大化，提高产量至关重要。
整个半导体制造过程可分为四个主要阶段：晶圆制造、晶圆探测、组装或封装以及最终测试。在这些阶段中，晶圆制造是最复杂的工艺流程，也是我们研究的重点。在晶圆制造系统中，许多都是移动的实体。每个部分都包含着一定数目的晶圆，相同仓里最多有25个或是前开口的统一吊舱（FOUP，它是一个容器）。通过在晶圆制造设备（晶圆制造厂）中逐层建立电子电路，可以在每个晶圆上制造多达数千个相同的芯片。晶圆制造可被描述为具有可重入流的多阶段过程。每个晶片层都需要几个处理步骤，例如扩散、化学机械抛光（CMP）、薄膜沉积、光刻、掺杂和匹配。根据不同的技术，晶片可能在几个星期内经历700多个处理步骤。
先进过程控制（APC）已成为半导体制造过程中的一个关键环节，为获得更好的质量而展开了激烈的竞争。实施APC的动机是通过控制过程和设备来收集信息，减少过程的可变性，提高设备的效率，从而提高设备的产量。为了实现这一目标，人们开发和使用了多种数学/统计和物理技术，并确定了设备和信息技术系统之间的标准和通信接口。为了将工艺保持在其规范水平，并调查设备是否存在可能的故障，APC使防止工艺偏移、提高工具利用率、降低可变性、非产品晶圆利用率以及维护和周期时间成为可能。
在文献中，只有少数文章集成了关于如何做出更好的调度决策的特定APC信息。此外，很少有文章使用调度决策来改进APC系统提供的信息。我们认为，这两个领域（调度和APC）虽然单独研究，但相互依存，因为它们都以提高生产率为目标。例如，在调度决策中应考虑APC系统的异构设备条件，以防止由于在调度计划中假设异构设备而导致的意外设备偏移。在这篇文章中，我们讨论了通过集成调度决策和来自APC的信息来实现的好处。论文的其余部分安排如下。第2节说明了APC在调度决策中的特点和作用。第3节概述了调度和APC信息集成问题。第4节讨论了与APC和调度集成相关的问题。论文在第五部分进行总结。
2 先进过程控制与调度在晶圆制造中的作用
APC是目前确保半导体制造过程持续改进的通用措施（Su等人。2004年）。在过去的二十年中，控制算法、系统接口和基础设施在文献中得到了广泛的发展和讨论。Edgar等人提出了一个综合的文献综述。（2000）和Su等人。（2007），作者讨论了在半导体制造中自动控制的挑战和可能性。APC可以看作是半导体制造业中各种设备和工艺工程系统的总方向。它通常由几个功能系统组成，例如，运行到运行（R2R）控制、故障检测和分类（FDC）、总体设备效率（OEE）、ande DiagnosticBarna（1996）、SEMATECH（2008）。APC的基本方面是数据收集和接口设计，这使得前面提到的工程系统能够正常工作。由于技术的不断发展和标准的不断完善，APC的具体范围很难明确，而且每个集成电路（IC）制造商在定制APC模块时都有自己的偏好，因此APC的定义在不同厂家之间略有不同。例如，一个常见的论据涉及FDC系统的属性。FDC用于实时监控各个过程步骤的过程设备，以便在采取预防措施的情况下检测故障和信号，研究人员和工程师希望开发一个设备健康指数或设备健康因子（EHF），以更好地描述设备的实际状况。因此，一些制造商认为，FDC应成为先进设备控制的一部分，而其他制造商则将其置于APC的范围内（Moyne和Patel，2007）。在本文中，我们将在最一般的框架中讨论APC，将APC定义为从过程设备收集和分析数据以提高生产率和产量的活动。因此，APC处理本节开头提到的那些系统。
当晶圆进入设备时，该过程根据其产品类型的指定配方开始。配方通常由一组可控制的参数组成，这些参数的设定点定义了过程中的上升和下降，例如，压力应在腔室中达到900托，并在过程开始时稳定在5秒内。为了更好地了解设备和工艺，许多集成电路制造商都采用了FDC系统，它从内部/外部传感器收集设备信号，例如电压和电流，以及工艺状态，例如压力和温度。如前所述，这些实时数据是从过程开始到结束收集的，并将用于表征设备状况。
分析FDC数据的最常用方法是应用统计过程控制（SPC）方法监测设备和过程（May and Spanos 2006）。由于FDC数据实际上是与配方设置相关的时间序列和非平稳数据，工程师通常根据他们的工程知识，使用时间窗口内的统计信息将其归纳为几个指标，例如斜坡阶段的温度斜率或稳定阶段的平均压力。然后，使用SPC图（如指数加权移动平均图和累积和控制图）对每个晶圆的这些总结指数进行监控（Montgomery 2009）。随着计算技术的进步，工程师们尝试采用多元SPC方法，如Hotelling的T2分布或主成分分析，来同时处理多个指标。
当一个晶圆在设备中完成其加工时，可以使用计量设备对其进行取样和测量其物理特性。再次，通过SPC方法对收集到的各晶圆的计量测量进行监控，不仅检查晶圆的质量，还检查设备的状况。由于测量单个晶圆非常耗时，在某些关键工艺之后，对非常有限数量的晶圆进行采样以进行测量。由于有限的样本量和先前过程的混杂交互作用，分析计量数据是一项非常具有挑战性的任务。
在反馈回路中，R2R控制器将目标与实际测量值进行比较，并根据根据物理和数学模型设计的算法（2006年5月和Spanos）计算出所需的调整量。例如，CMP设备中的抛光垫会随着时间的推移而磨损，这会影响后续晶圆压模的抛光质量。（2012年）；Sarfaty等人。（2002年）。然后，反馈回路补偿下一次运行的配方设置中的漂移。在前馈回路中，R2R控制器接收来自前一过程的信息，并计算当前过程中的必要调整，以便补偿前一过程引起的变化。
例如，化学气相沉积（CVD）工艺后的厚度测量代表了CMP工艺中抛光时间设置的关键信息。
前面提到的其他功能，如OEE和e-Diagnostic，更多的是与监视/执行系统的设计和实现相关，本文不讨论这些功能。在APC框架内，集成工艺设备晶圆取样调度决策的研究近年来非常活跃。这主要是由于计量设备的测量时间较长，因此测量对于后续分析（如工艺评定、R2R控制机制和设备状态评估）至关重要。此外，APC信息对于进程间调度或调度的决策非常重要。然而，很少有研究明确讨论利用APC信息，例如设备的状态和设备分组，或分析waferequipment适合度和golden（最佳性能）设备/路由以进行综合调度/调度决策。
3 调度决策与APC集成的文献综述
从调度的角度来看，APC可以被视为一个约束，它可能会延迟甚至损害一个预定的生产计划，以保持可接受的质量水平。一旦APC回路中的产品质量或设备状况未达到令人满意的水平，将触发警告警报，并且由于检查和评估产品质量的额外动作而延迟生产流程。APC越好，注意到的与给定生产规范的偏差越小，纠正所需的返工就越少（Engell和Harjunkoski，2012年）。
从APC的角度来看，调度计划扮演着物料贡献者的角色，组织队列并将批次输入APC循环。这对于APC回路的运行非常重要，因为与过程特性和产品质量相关的所有数据都可以被收集、分析、监控和控制。在实际操作中，如果APC回路中触发失控行动计划，则除了重新安排生产计划外别无选择。APC对调度计划的单边影响促使我们在本文中讨论了调度计划与pcinformation的集成以及对高效生产控制的约束。
制造技术越来越复杂技术模式的进步，不考虑APC的要求和局限性的调度计划是不可行的。在不遵守计划进度的情况下，专注于APC回路以提高产品质量可能会干扰工厂级计划。例如，调度计划可以考虑异构产品之间的设置和转换，以减轻APC中的负载。调度也可以使APC信息，如设备状态和产品测量，可用于更新R2R控制模型或提高产品质量。另一方面，先进的制造信息是从当代对APC回路的研究中推断出来的，如EHF、R2R控制模型和先进的统计过程控制图，可纳入到生产计划决策中，以保持生产效率，同时不造成产品质量损失。因此，由于现代半导体制造环境的以下特性和要求，在制定调度计划时，集成APC回路的输入/输出至关重要：
–产品变得越来越复杂。
–调度计划应避免昂贵的设置和转换，并减少周期时间和废弃产品。
–利用APC中最全面的信息帮助实现生产控制的精确性。
–以智能方式管理维护，减少非生产性时间。
–避免导致操作问题的调度。
表1研究和分类了集成调度和调度函数的迭代，其目的是研究调度问题（单机、并行机和作业车间问题）的特性和APC框架中的功能模块（FDC、设备鉴定、EHF、EHF）之间的交叉点，预防性维护（PM）、计量、SPC和R2R控制器。
总之，fewmanyworks包含了两个域（APC和scheduling）的特性。表1显示了两个域上的以下问题：
–单机调度问题。
在Purdy（2007）的计量分析工作中，作者对一台设备的多个重叠抽样规则的管理进行了评价。他提出了一种整数线性规划方法来解决这个问题。Detienne等人（2012年）研究了在给定生产计划下生产的许多不同产品类型的问题。目标是在测量设备上安排有限数量的批次，以将风险降至最低。每批待计量的产品都有一组到期日和相关风险，对应于生产中每种产品类型的开始时间
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表1关于调度和APC信息集成的文章
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时间表。比较了不同整数线性规划公式的线性松弛和拉格朗日松弛得到的上下界。
蔡等人（2009）讨论了一台设备的合格运行问题。更准确地说，作者研究了调度和APC之间的交互作用，特别是在R2R控制中。考虑了单机多任务型makespan和R2R约束。采用整数规划方法求解该问题，并对生成的实例进行了启发式检验。
–并行机调度问题。
Johnzen Johnzegrave;n等人（2008）建议通过优化晶圆厂的产能分配来对半导体制造设施（在高混合生产的情况下）进行建模。所提出的方法支持晶圆晶圆制造厂（工具上产品的鉴定）的有效鉴定管理，并增加工具的灵活性。Johnzen研究了柔性对调度决策的影响。该研究是
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