淺析晶圓制造自動化物料運輸系統調度研究現狀

宋昊舉，吳立輝，王維豪

（河南工業大學機電工程學院，河南鄭州450007）

淺析晶圓制造自動化物料運輸系統調度研究現狀

宋昊舉，吳立輝，王維豪

（河南工業大學機電工程學院，河南鄭州450007）

自動化物料運輸系統（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具有運輸任務規模龐大、運輸需求隨機、任務實時性要求高等特點，通過調度優化可顯著提高AMHS及晶圓制造系統運行效率。對晶圓制造AMHS調度方法研究現狀進行了簡單總結，并指出了AMHS調度進一步的研究方向。

晶圓制造；自動化物料運輸系統；調度方法

隨著半導體集成電路的飛速發展，晶圓制造業迎來快速發展的黃金時期。為適應市場需求、提高企業效益，晶圓制造企業面臨著提高生產效率，降低生產成本的雙重壓力。AMHS（Automatic Material Handling System，自動化物料運輸系統）作為晶圓制造的重要組成部分，對其優化調度具有重要意義。

1 AMHS調度問題描述

自動化物料運輸系統調度是指在滿足晶舟搬運約束條件的前提下，安排物料運輸小車搬運晶舟的先后順序和時間，從而提高AMHS運行效率[1]。晶圓制造AMHS調度問題具有大規模、隨機性、實時性等特點，是典型的NP-hard問題[2]，因此國內外學者對其進行了廣泛、深入研究。

2 AMHS調度方法研究現狀

目前，晶圓制造AMHS調度方法研究趨于復雜化和多元化，AMHS調度方法有：運籌學求解的方法、啟發式規則的方法、仿真優化方法、人工智能方法。其中，運籌學求解方法包含整數規劃、線性規劃、動態規劃等，當物料運輸調度規模較小時，該方法可以獲得調度問題的最優解或次優解，但是由于數學規劃模型求解計算量大、計算時間長，對于復雜、大規模和隨機的晶圓物料運輸調度問題很難滿足實時調度的需求；啟發式規則方法包含單一啟發式規則和復合啟發式規則，該方法計算量小、效率高、實行性好，在物料運輸調度中廣泛使用，但是由于啟發式規則根據經驗來建立，缺少數學理論基礎。因此，對于動態、隨機變化的物料運輸系統無法進行實時優化；仿真優化方法包含實時仿真、連續仿真等，由于實際半導體車間存在成本高、不支持迅速測試等特點，因此，利用仿真的方法可以對實際生產提供技術轉換的指導方針；人工智能方法包含人工神經網絡、模糊邏輯、智能Agent等。人工智能調度方法雖然可以有效解決運籌學和啟發式規則的缺點，但仍然無法滿足晶圓運輸調度中大規模、具有復雜約束以及多目標優化的實時動態調度需要。

2.1 基于運籌學求解方法

針對晶圓制造AMHS調度問題，Desaultniers等[3]考慮運輸小車對晶圓調度的影響，以減少運輸小車堵塞率為目標，將小車指派問題轉化為數學規劃問題，并采用分支界定法和列生成法對其求解，最終獲得較優的物料運輸調度方案；Wang等[4]以減少晶圓加工周期為優化目標，將晶圓制造物料運輸指派問題轉化為整數規劃問題，并運用拉格朗日松弛法對問題進行求解獲得物料運輸的優化結果；Correa等[5]以減少工件運輸時間為目標，綜合考慮運輸小車和晶圓指派問題，運用約束規劃方法和混合整數規劃方法來分別求解晶圓任務分配問題和小車路徑優化問題。Nakamura等[6]考慮運輸小車派工問題和路徑規劃問題，建立了一個混合模型并轉化為二進制整數線性規劃（Binary Integer Linear Programming，BILP）問題進行求解。

2.2 基于啟發式規則方法

針對晶圓制造AMHS調度問題，Yamashita等[7]提出一種改進的先到先服務規則對物料運輸系統實現實時指派，有效減少晶圓的等待時間；Kuo等[8]綜合晶圓卡等待時間、搬運時間及運輸小車位置等參數，提出了一種基于模糊邏輯方法的動態選取物料調度規則，雖然此方法具有動態適應性，但是本質仍屬于啟發式規則；Jang等[9]考慮系統中晶圓的當前位置及未來運輸信息，針對物料運輸系統調度提出一種面向前饋的復合啟發式規則；Bilge等[10]將運輸小車的調度和晶圓加工調度相結合，綜合考慮運輸時間、設備緩沖區中物料數量等因素，提出基于多參數的復合啟發式方法，實現物料運輸調度的全局優化。

2.3 基于仿真優化方法

仿真優化方法被廣泛應用于對AMHS中晶圓產出率、在制品數量、加工設備利用率等性能指標的分析，從而對系統采用合適的控制策略和調度方法以提高產品準時交貨率。以300 mm晶圓生產線為研究對象，Lin等[11]根據瓶頸設備的實時情況運用計算機仿真方法進行調度，提出了一種基于推/拉結合的運行規則，并運用e M-Plant進行離散時間仿真，得出：當wafer到達率足夠高時，AMHS性能將大幅提高，晶圓在制品數量和加工周期也將大幅降低；對于多目標優化下的半導體制造生產調度問題，Lee等[12]建立以時間響應為觸發，面向對象的Petri網的仿真模型，并對其方法的有效性進行驗證。

2.4 基于人工智能方法

對于AMHS中分層協調控制、重調度控制等運用人工智能的方法能很好得到解決。Min等[13]根據系統狀態運用神經網絡進行控制規則的選擇，將傳統基于規則面向設備或面向工件單一方式的控制策略轉化為動態變化的控制策略，滿足了AMHS動態調度的要求；對于AMHS動態調度問題，Kuo等[14]綜合復雜的產品組合和工藝路線，提出了一種基于模糊邏輯的滿足生產目標和制造指標的多目標智能OHT調度器，該調度器可以根據生產的實時數據對AMHS調度規則進行動態調整，并通過模型驗證多目標智能調度器的結果優于單一規則調度結果；以單閉環Interbay系統為背景，Wang等[15]綜合工件加工時間、等待時間和小車運輸時間等，運用Agent技術提出三種啟發規則，對多時間調度采用競標方式，并驗證此方法在全局性能掌控方面比傳統啟發規則更具優勢。

3 AMHS調度研究發展趨勢

隨著晶圓尺寸從300 mm向450 mm發展，整體式AMHS的運用也會越來越廣泛。對于AMHS調度方法的研究也有了新的發展方向。對于運籌學方法而言，雖然可以獲得調度問題的最優解或者次優解，但隨物料運輸調度規模增大，計算效率將迅速下降，無法對大規模、復雜的AMHS進行有效調度。而將運籌學方法與智能方法等相結合是AMHS調度研究的發展方向之一。啟發式規則方法由于自身簡單實用易操作的特點，在AMHS調度中研究最為廣泛，但由于現有啟發式規則方法需要根據實際生產經驗來設計規則，方法設計缺少數學理論基礎，且無法對動態、隨機的物料運輸系統進行動態優化。因此，設計更加高效可靠的啟發式規則將成為下一步的研究趨勢。人工智能調度方法雖然可以有效解決運籌學和啟發式規則的缺點，但現有研究仍屬于動態多啟發式規則方法范疇，AMHS的多目標整體優化能力欠佳。因此，如何更好地結合啟發式調度規則和智能方法，是人工智能調度方法的研究方向。綜上所述，AMHS調度研究至今尚未形成一套系統的理論和方法，而通過剖析AMHS運行的特征和規律，設計相應的調度方法，從而實現AMHS和晶圓制造系統全局優化也是AMHS調度研究的研究發展趨勢之一。

4 結束語

信息化產業的快速發展使得晶圓制造業發展迅速，AMHS作為晶圓制造工廠的重要一環，其目的是在晶圓制造中能夠最大程度地發揮作用，從而提高晶圓制造性能指標。因此，通過晶圓制造AMHS調度方法的研究，將進一步提高晶圓加工企業的生產效率和市場競爭力，具有重要的工程意義和使用價值。

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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：1

1672-545X（2017）05-0047-03

2017-02-25

河南省高等學校青年骨干教師資助計劃項目（2015GGJS-036）；河南工業大學科技創新人才計劃項目（2014CXRC02）

宋昊舉（1993-），男，河南安陽人，在讀碩士，研究方向：晶圓制造物料運輸系統建模、調度。