浅析晶圆制造自动化物料运输系统调度研究现状

宋昊举，吴立辉，王维豪

（河南工业大学机电工程学院，河南郑州450007）

浅析晶圆制造自动化物料运输系统调度研究现状

宋昊举，吴立辉，王维豪

（河南工业大学机电工程学院，河南郑州450007）

自动化物料运输系统（Automatic Material Handling System，AMHS）在晶圆制造中扮演着非常重要的角色，已成为晶圆制造工厂不可或缺的组成部分。晶圆制造AMHS具有运输任务规模庞大、运输需求随机、任务实时性要求高等特点，通过调度优化可显著提高AMHS及晶圆制造系统运行效率。对晶圆制造AMHS调度方法研究现状进行了简单总结，并指出了AMHS调度进一步的研究方向。

晶圆制造；自动化物料运输系统；调度方法

随着半导体集成电路的飞速发展，晶圆制造业迎来快速发展的黄金时期。为适应市场需求、提高企业效益，晶圆制造企业面临着提高生产效率，降低生产成本的双重压力。AMHS（Automatic Material Handling System，自动化物料运输系统）作为晶圆制造的重要组成部分，对其优化调度具有重要意义。

1 AMHS调度问题描述

自动化物料运输系统调度是指在满足晶舟搬运约束条件的前提下，安排物料运输小车搬运晶舟的先后顺序和时间，从而提高AMHS运行效率[1]。晶圆制造AMHS调度问题具有大规模、随机性、实时性等特点，是典型的NP-hard问题[2]，因此国内外学者对其进行了广泛、深入研究。

2 AMHS调度方法研究现状

目前，晶圆制造AMHS调度方法研究趋于复杂化和多元化，AMHS调度方法有：运筹学求解的方法、启发式规则的方法、仿真优化方法、人工智能方法。其中，运筹学求解方法包含整数规划、线性规划、动态规划等，当物料运输调度规模较小时，该方法可以获得调度问题的最优解或次优解，但是由于数学规划模型求解计算量大、计算时间长，对于复杂、大规模和随机的晶圆物料运输调度问题很难满足实时调度的需求；启发式规则方法包含单一启发式规则和复合启发式规则，该方法计算量小、效率高、实行性好，在物料运输调度中广泛使用，但是由于启发式规则根据经验来建立，缺少数学理论基础。因此，对于动态、随机变化的物料运输系统无法进行实时优化；仿真优化方法包含实时仿真、连续仿真等，由于实际半导体车间存在成本高、不支持迅速测试等特点，因此，利用仿真的方法可以对实际生产提供技术转换的指导方针；人工智能方法包含人工神经网络、模糊逻辑、智能Agent等。人工智能调度方法虽然可以有效解决运筹学和启发式规则的缺点，但仍然无法满足晶圆运输调度中大规模、具有复杂约束以及多目标优化的实时动态调度需要。

2.1 基于运筹学求解方法

针对晶圆制造AMHS调度问题，Desaultniers等[3]考虑运输小车对晶圆调度的影响，以减少运输小车堵塞率为目标，将小车指派问题转化为数学规划问题，并采用分支界定法和列生成法对其求解，最终获得较优的物料运输调度方案；Wang等[4]以减少晶圆加工周期为优化目标，将晶圆制造物料运输指派问题转化为整数规划问题，并运用拉格朗日松弛法对问题进行求解获得物料运输的优化结果；Correa等[5]以减少工件运输时间为目标，综合考虑运输小车和晶圆指派问题，运用约束规划方法和混合整数规划方法来分别求解晶圆任务分配问题和小车路径优化问题。Nakamura等[6]考虑运输小车派工问题和路径规划问题，建立了一个混合模型并转化为二进制整数线性规划（Binary Integer Linear Programming，BILP）问题进行求解。

2.2 基于启发式规则方法

针对晶圆制造AMHS调度问题，Yamashita等[7]提出一种改进的先到先服务规则对物料运输系统实现实时指派，有效减少晶圆的等待时间；Kuo等[8]综合晶圆卡等待时间、搬运时间及运输小车位置等参数，提出了一种基于模糊逻辑方法的动态选取物料调度规则，虽然此方法具有动态适应性，但是本质仍属于启发式规则；Jang等[9]考虑系统中晶圆的当前位置及未来运输信息，针对物料运输系统调度提出一种面向前馈的复合启发式规则；Bilge等[10]将运输小车的调度和晶圆加工调度相结合，综合考虑运输时间、设备缓冲区中物料数量等因素，提出基于多参数的复合启发式方法，实现物料运输调度的全局优化。

2.3 基于仿真优化方法

仿真优化方法被广泛应用于对AMHS中晶圆产出率、在制品数量、加工设备利用率等性能指标的分析，从而对系统采用合适的控制策略和调度方法以提高产品准时交货率。以300 mm晶圆生产线为研究对象，Lin等[11]根据瓶颈设备的实时情况运用计算机仿真方法进行调度，提出了一种基于推/拉结合的运行规则，并运用e M-Plant进行离散时间仿真，得出：当wafer到达率足够高时，AMHS性能将大幅提高，晶圆在制品数量和加工周期也将大幅降低；对于多目标优化下的半导体制造生产调度问题，Lee等[12]建立以时间响应为触发，面向对象的Petri网的仿真模型，并对其方法的有效性进行验证。

2.4 基于人工智能方法

对于AMHS中分层协调控制、重调度控制等运用人工智能的方法能很好得到解决。Min等[13]根据系统状态运用神经网络进行控制规则的选择，将传统基于规则面向设备或面向工件单一方式的控制策略转化为动态变化的控制策略，满足了AMHS动态调度的要求；对于AMHS动态调度问题，Kuo等[14]综合复杂的产品组合和工艺路线，提出了一种基于模糊逻辑的满足生产目标和制造指标的多目标智能OHT调度器，该调度器可以根据生产的实时数据对AMHS调度规则进行动态调整，并通过模型验证多目标智能调度器的结果优于单一规则调度结果；以单闭环Interbay系统为背景，Wang等[15]综合工件加工时间、等待时间和小车运输时间等，运用Agent技术提出三种启发规则，对多时间调度采用竞标方式，并验证此方法在全局性能掌控方面比传统启发规则更具优势。

3 AMHS调度研究发展趋势

随着晶圆尺寸从300 mm向450 mm发展，整体式AMHS的运用也会越来越广泛。对于AMHS调度方法的研究也有了新的发展方向。对于运筹学方法而言，虽然可以获得调度问题的最优解或者次优解，但随物料运输调度规模增大，计算效率将迅速下降，无法对大规模、复杂的AMHS进行有效调度。而将运筹学方法与智能方法等相结合是AMHS调度研究的发展方向之一。启发式规则方法由于自身简单实用易操作的特点，在AMHS调度中研究最为广泛，但由于现有启发式规则方法需要根据实际生产经验来设计规则，方法设计缺少数学理论基础，且无法对动态、随机的物料运输系统进行动态优化。因此，设计更加高效可靠的启发式规则将成为下一步的研究趋势。人工智能调度方法虽然可以有效解决运筹学和启发式规则的缺点，但现有研究仍属于动态多启发式规则方法范畴，AMHS的多目标整体优化能力欠佳。因此，如何更好地结合启发式调度规则和智能方法，是人工智能调度方法的研究方向。综上所述，AMHS调度研究至今尚未形成一套系统的理论和方法，而通过剖析AMHS运行的特征和规律，设计相应的调度方法，从而实现AMHS和晶圆制造系统全局优化也是AMHS调度研究的研究发展趋势之一。

4 结束语

信息化产业的快速发展使得晶圆制造业发展迅速，AMHS作为晶圆制造工厂的重要一环，其目的是在晶圆制造中能够最大程度地发挥作用，从而提高晶圆制造性能指标。因此，通过晶圆制造AMHS调度方法的研究，将进一步提高晶圆加工企业的生产效率和市场竞争力，具有重要的工程意义和使用价值。

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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">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0047-03

2017-02-25

河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目（2015GGJS-036）；河南工业大学科技创新人才计划项目（2014CXRC02）

宋昊举（1993-），男，河南安阳人，在读硕士，研究方向：晶圆制造物料运输系统建模、调度。