資料驅動的半導體製造系統調度

第1章　半導體製造系統調度

　　半導體是許多工業整機設備的核心，普遍應用於電腦、消費電子、網路通訊、汽車、工業、醫療、軍事以及政府等核心領域。隨著「智慧化」概念的深入人心，晶片產業的重要性日趨顯著。為擺脫「缺晶之痛」，中國已從政策和資金兩方面出發，大力支持中國半導體產業，爭取實現自主替代。本章主要介紹半導體製造系統調度及其發展趨勢，其中包括調度流程、調度特點、調度類型與調度方法、評價指標以及調度問題的研究現狀。

1.1半導體製造流程

　　半導體產業作為電子元件產業中最重要的組成部分，主要由四個部分組成：集成電路（約占81％）、光電裝置（約占10％）、分立裝置（約占6％）和感測器（約占3％）。考慮到集成電路在半導體產業中所占的比重，通常將半導體和集成電路等價。集成電路按照產品種類主要分為四大類：

　　邏輯裝置（約占27％）、儲存器（約占23％）、微處理器（約占18％）、模擬裝置（約占13％）。半導體產業是以需要推進市場的，在過去四十年中，推動半導體產業成長的驅動力已由傳統的PC及相關產業轉向移動產品市場（包括智慧型手機及平板電腦等），未來則可能向可穿戴設備和VR/AR設備轉移。2000～2015年，中國半導體市場年均增速領跑全球，高達21.4％（全球半導體年均增速為3.6％，其中亞太約13％，美國將近5％，歐洲和日本都較低）；就全球市場占有率而言，中國半導體市場占有率從5％提升到50％，成為全球半導體產業核心市場。

　　2015年集成電路三大領域均呈成長態勢。設計業增速最快，銷售額為215.7億美元，同比成長26.55％；晶片製造業銷售額為146.7億美元，同比成長26.54％；封裝測試銷售額為225.2億美元，同比成長10.19％。從產業鏈比重來看，中國設計業占比成長最快，封裝測試比重有所下滑，製造占比保持穩定。受益於政策扶持和中國經濟的發展，集成電路三大結構逐步趨於優化：2015年中國集成電路的設計占比達36.70％、製造占比為24.95％、封裝測試占比為38.34％；晶片銷售額為900.8億元，增速達26.5％，比2014年的增速高出了8個百分點。

　　集成電路產業鏈可以大致分為電路設計、晶片製造和封裝測試三大領域。集成電路生產流程以電路設計為主導，需要多種高精設備和高純度材料，其大致流程為：設計公司提供集成電路設計方案、晶片製造廠生產晶圓、封裝廠進行集成電路封裝和測試、向電子產品企業進行銷售。

　　半導體製造流程可以簡單劃分為晶圓製造和集成電路製造。其中，晶圓製造大致包含了普通矽砂（石英砂）→純化→分子拉晶→晶柱（圓柱形晶體）→晶圓（把晶柱切割成圓形薄片）幾個步驟。其中，分子拉晶是指：將所獲得的高純多晶矽熔化，形成液態矽，以單晶的矽種和液體表面接觸，一邊旋轉一邊緩慢地向上拉起。最後，待離開液面的矽原子凝固後，排列整齊的單晶矽柱便完成了，其矽純度高達99.999999％。切割晶圓是指：從單晶矽棒上切割一片確定規格的矽晶片，這些矽晶片將經過洗滌、拋光、清潔、人眼檢測和機器檢測，最後透過雷射掃描檢查表面缺陷及雜質，合格的晶圓片將交付給晶片生產廠商。

　　集成電路製造工藝是本書的重點關注對象，它由多種單項工藝組合而成，主要包含三個步驟：薄膜製備工藝、圖形轉移工藝和摻雜工藝。

（1）薄膜製備工藝
　　薄膜製備即在晶圓片的表面上生長出數層材質不同、厚度不同的薄膜，其工藝主要有氧化、化學氣相沉積（CVD）和物理氣象沉積（PVD）三種方法。
　　①氧化：晶圓片與含氧物質（氧氣或者水氣等氧化劑）在高溫下進行反應，從而生成二氧化矽薄膜。
　　②CVD：把一種或幾種含有構成薄膜元素的化合物或單質氣體通入放有基材的反應室，借助空間氣相化學反應，在基體表面沉積固態薄膜。
　　③PVD：採用物理方法將材料源電離成離子，並透過低壓氣體或等離子體的作用，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜。

（2）圖形轉移工藝
　　集成電路（Integrated Circuit, IC）製造工藝中的氧化、沉積擴散、離子注入等流程對晶圓片沒有選擇性，都是對整個矽晶圓片進行處理，不涉及任何圖形。IC製造的核心是透過圖形轉移工藝（主要是光刻工藝）將所設計圖形轉移到矽晶圓片上。作為半導體最重要的工藝步驟之一，光刻工藝是將掩模板上的圖形複製到矽片上，光刻的成本約為整個矽片製造工藝成本的1/3，所需時間約占整個矽片製造工藝的40％～60％，其工藝步驟如下：
　　①在矽晶圓片上塗上光刻膠，蓋上預先製作好的有一定圖形的光刻掩模板；
　　②對塗有光刻膠的晶圓片進行曝光（光刻膠感光後其特性將會發生改變，正膠的感光部分變得容易溶解，而負膠則相反）；
　　③對晶圓片進行顯影（正膠經過顯影後被溶解，只留下未受光照部分的圖形；負膠相反，受到光照的部分不容易溶解）；
　　④對晶圓片進行刻蝕，將沒有被光刻膠覆蓋的部分去除，進而將光刻膠上的圖形轉移到其下層材料；
　　⑤用去膠法把塗在晶圓片上的感光膠去掉。

（3）摻雜工藝
　　摻雜工藝是將可控數量的雜質摻入晶圓的特定區域中，從而改變半導體的電學性能。擴散和離子注入是半導體摻雜的兩種主要工藝。
　　①擴散：原子、分子或離子在高溫驅動下（900～1200℃）由高濃度區向低濃度區運動的過程。雜質的濃度從表面到體內呈單調下降且雜質分布由溫度和擴散時間來決定。
　　②離子注入：在真空系統中，透過電場對離子進行加速，並利用磁場使其改變運動方向，從而使離子以一定的能量注入晶圓片，在固定區域形成具有特殊性質的注入層，達到摻雜的目的。

　　與其他製造系統相比，半導體製造系統具有以下三個明顯特徵。

（1）工藝流程複雜
　　生產工藝流程是指在生產過程中，勞動者利用生產工具將各種原材料、半成品透過一定的設備、按照一定的順序連續進行加工，最終使之成為成品的方法與過程，也就是產品從原材料到成品的製作過程中所有要素的組合。矽片在生產線上的平均加工週期比較長，一般為1個月左右。矽片的工藝流程會因產品的不同而有所差異，短的加工流程包含幾十步，長的則達數百步，這也導致了矽片加工週期的分散性。典型的工藝流程一般有250～600步，使用的設備達60～80種。此外，生產線上可能會存在不同的訂單和產品種類。生產線上生產的產品多達幾十種，且工藝流程存在大量重入現象，這會導致在製品對線上設備使用權的競爭很激烈。

（2）多重入加工流程
　　在半導體製造業，重入是系統的本質，不同加工階段的同類工件可能在同一設備前同時等待加工，工件在加工過程中的不同階段可能重複訪問某些設備。這主要有兩個原因：一是半導體元件是層次化的結構，每一層都是以相同的方式生產，只是加入的材料不同或精度有所差異；二是半導體加工設備昂貴，需要對其進行最大化利用，造成多重入加工流程的出現。總之，重入現象使得每臺設備需加工的工件數大大增加，再加上產品種類、數量及其組合，以及各產品工藝流程的複雜程度不同，使得半導體生產線的調度與控制問題變得極為複雜。

（3）混合加工方式
　　由於半導體生產線設備類型各異，加工方式也呈現多樣化。按照設備的加工方式主要分為單片加工、串行批量加工、單卡並行批量加工和多卡並行批量加工。混合加工方式的存在，進一步增大了半導體生產線調度的複雜性。目前大量的研究都是基於簡化的加工方式（單卡加工和批加工）進行的。

第1章　半導體製造系統調度

　　半導體是許多工業整機設備的核心，普遍應用於電腦、消費電子、網路通訊、汽車、工業、醫療、軍事以及政府等核心領域。隨著「智慧化」概念的深入人心，晶片產業的重要性日趨顯著。為擺脫「缺晶之痛」，中國已從政策和資金兩方面出發，大力支持中國半導體產業，爭取實現自主替代。本章主要介紹半導體製造系統調度及其發展趨勢，其中包括調度流程、調度特點、調度類型與調度方法、評價指標以及調度問題的研究現狀。

1.1半導體製造流程

　　半導體產業作為電子元件產業中最重要的組成部分，主要由四個...

第1章 半導體製造系統調度
　　1.1 半導體製造流程
　　1.2 半導體製造系統調度
　　　　1.2.1 調度特點
　　　　1.2.2 調度類型
　　　　1.2.3 調度方法
　　　　1.2.4 評價指標
　　1.3 半導體製造系統調度發展趨勢
　　　　1.3.1 複雜製造資料預處理
　　　　1.3.2 基於資料的調度建模
　　　　1.3.3 基於資料的調度優化
　　　　1.3.4 存在問題
　　1.4 本章小結
　　參考文獻
第2章 資料驅動的半導體製造系統調度框架
　　2.1 資料驅動的半導體製造系統調度框架設計
　　2.2 基於資料的複雜製造系統調度體系結構
　　　　2.2.1 DSACMS概述
　　　　2.2.2 DSACMS的形式化描述
　　　　2.2.3 DSACMS的對複雜製造系統調度建模與優化的支持
　　　　2.3.4 DSACMS中的關鍵技術
　　2.3 應用實例
　　　　2.3.1 FabSys概述
　　　　2.3.2 FabSys的面向對象仿真模型
　　　　2.3.3 FabSys的資料驅動預測模型
　　2.4 本章小結
　　參考文獻
第3章 半導體製造系統資料預處理
　　3.1 概述
　　3.2 資料規範化
　　　　3.2.1 資料規範化規則
　　　　3.2.2 變數異常值校正
　　3.3 資料缺失值填補
　　　　3.3.1 資料缺失值填補方法
　　　　3.3.2 Memetic演算法和Memetic計算
　　　　3.3.3 基於高斯變異和深度優先搜尋的屬性加權 K近鄰缺失值填補方法（GS-MPSO-KNN）
　　　　3.3.4 數值驗證
　　3.4 基於資料聚類分析的異常值探測
　　　　3.4.1 基於資料聚類的異常值探測
　　　　3.4.2 K 均值聚類
　　　　3.4.3 基於GS-MPSO和K均值聚類的資料聚類演算法（GS-MPSO-KMEANS）
　　　　3.4.4 數值驗證
　　3.5 基於變數聚類的冗餘變數檢測
　　　　3.5.1 主成分分析
　　　　3.5.2 基於K均值聚類和PCA的變數聚類
　　　　3.5.3 基 於MCLPSO 的 變 數 聚 類 演 算 法（MCLPSO-KMEANSVAR）
　　　　3.5.4 數值驗證
　　3.6 本章小結
　　參考文獻
第4章 半導體生產線性能指標相關性分析
　　4.1 半導體製造系統性能指標
　　4.2 半導體生產線性能指標的統計分析
　　　　4.2.1 短期性能指標
　　　　4.2.2 長期性能指標
　　4.3 基於相關係數法的性能指標相關性分析
　　　　4.3.1 相關性分析框圖
　　　　4.3.2 考慮工況的性能指標相關性分析
　　　　4.3.3 考慮派工規則的性能指標相關性分析
　　　　4.3.4 綜合考慮工況以及派工規則的性能指標相關性分析
　　　　4.3.5 長期性能指標和短期性能指標相關性分析
　　　　4.3.6 基於 MIMAC生產線的性能指標相關性分析
　　4.4 基於皮爾遜係數的性能指標相關性分析
　　　　4.4.1 日在製品數-日移動步數
　　　　4.4.2 日排隊隊長-日移動步數
　　　　4.4.3 日設備利用率-日移動步數
　　4.5 半導體製造系統性能指標資料集
　　　　4.5.1 加工週期和對應短期性能指標的訓練集
　　　　4.5.2 準時交貨率和對應短期性能指標的訓練集
　　　　4.5.3 等待時間和對應短期性能指標的訓練集
　　4.6 本章小結
　　參考文獻
第5章 資料驅動的半導體製造系統投料控制
　　5.1 半導體製造系統常用投料控制策略
　　　　5.1.1 常用投料控制
　　　　5.1.2 改進的投料控制策略
　　　　5.1.3 現階段投料控制策略的侷限性
　　5.2 基於極限學習機的投料控制策略
　　　　5.2.1 基於極限學習機確定投料時刻的投料控制策略
　　　　5.2.2 基於極限學習機確定投料順序的投料控制策略
　　5.3 基於屬性選擇的投料控制策略優化
　　　　5.3.1 投料相關屬性集
　　　　5.3.2 屬性選擇
　　　　5.3.3 經過屬性選擇後的仿真
　　5.4 本章小結
　　參考文獻
第6章 資料驅動的半導體製造系統動態調度
　　6.1 動態派工規則
　　　　6.1.1 參數與變數定義
　　　　6.1.2 問題假設
　　　　6.1.3 決策流程
　　　　6.1.4 仿真驗證
　　6.2 基於資料探勘的演算法參數優化
　　　　6.2.1 總體設計
　　　　6.2.2 演算法設計
　　　　6.2.3 優化流程
　　　　6.2.4 仿真驗證
　　6.3 本章小結
　　參考文獻
第7章 性能驅動的半導體製造系統動態調度
　　7.1 性能指標預測方法
　　　　7.1.1 單瓶頸半導體生產模型長期性能指標預測方法
　　　　7.1.2 多瓶頸半導體生產模型長期性能指標預測方法
　　7.2 基於負載均衡的半導體生產線動態調度
　　　　7.2.1 總體設計
　　　　7.2.2 負載均衡技術
　　　　7.2.3 參數選取
　　　　7.2.4 負載均衡預測模型
　　　　7.2.5 基於負載均衡的動態調度演算法
　　　　7.2.6 仿真驗證
　　7.3 性能指標驅動的半導體生產線動態調度
　　　　7.3.1 性能指標驅動的調度模型結構
　　　　7.3.2 動態派工演算法
　　　　7.3.3 預測模型搭建
　　　　7.3.4 仿真驗證
　　7.4 本章小結
　　參考文獻
第8章 大數據環境下的半導體製造系統調度發展趨勢
　　8.1 工業4.0
　　8.2 工業大數據
　　8.3 大數據環境下半導體製造調度發展趨勢
　　　　8.3.1 基於資料的Petri網
　　　　8.3.2 動態仿真
　　　　8.3.3 預測模型
　　8.4 應用實例：複雜製造系統大數據驅動預測模型
　　8.5 本章小結
　　參考文獻

第1章 半導體製造系統調度
　　1.1 半導體製造流程
　　1.2 半導體製造系統調度
　　　　1.2.1 調度特點
　　　　1.2.2 調度類型
　　　　1.2.3 調度方法
　　　　1.2.4 評價指標
　　1.3 半導體製造系統調度發展趨勢
　　　　1.3.1 複雜製造資料預處理
　　　　1.3.2 基於資料的調度建模
　　　　1.3.3 基於資料的調度優化
　　　　1.3.4 存在問題
　　1.4 本章小結
　　參考文獻
第2章 資料驅動的半導體製造系統調度框架
　　2.1 資料驅動的半導體製造系統調度框架設計
　　2.2 基於資料的複雜製造系統調度體系結構
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