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《集束型晶圆制造装备调度及其优化算法》以半导体集束型装备为研究对象，在全面分析其调度特点的基础上，详细解剖、分析半导体集束型装备各类调度问题，建立了调度模型并运用智能化方法设计了相应的求解方案。
作者简介
李林瑛，大连外国语大学软件学院副教授。
目录
第1章绪论1
1.1半导体装备制造产业的战略意义1
1.2半导体制造工艺简介4
1.3集束型晶圆制造装备的高度复杂性8
1.4制造系统调度简介13
1.4.1车间调度14
1.4.2机器人制造单元调度16
1.4.3抓钩调度19
1.5集束型装备调度21
1.5.1基本概念21
1.5.2调度资源23
1.5.3约束条件24
1.6集束型晶圆制造装备调度分类25
1.6.1基于调度类型的分类方法25
1.6.2基于三邻域（α|β|γ）的分类方法27
1.6.3基于调度环境和任务的分类方法28
本章参考文献29
第2章集束型晶圆制造装备的建模方法36
2.1基于马尔科夫模型的集束型装备建模36
2.1.1马尔科夫模型基础理论37
2.1.2集束型装备马尔科夫建模过程38
2.2基于数学规划模型的集束型装备建模39
2.2.1数学规划模型基本理论40
2.2.2集束型装备数学规划建模过程41
2.3基于时序图模型的集束型装备建模43
2.3.1时序图模型基础理论43
2.3.2集束型装备时序图建模过程44
2.4基于Petri网模型的集束型装备建模48
2.4.1Petri网模型基础理论48
2.4.2集束型装备Petri网建模过程54
2.5基于仿真模型的集束型装备建模58
2.5.1仿真模型的基本理论59
2.5.2集束型装备仿真建模过程61
2.6小结66
本章参考文献66
第3章集束型晶圆制造装备的调度方法71
3.1基于运筹学方法的集束型装备调度71
3.1.1运筹学方法概述72
3.1.2混合整数规划在集束型装备调度中的应用79
3.1.3分支定界算法在集束型装备调度中的应用88
3.2基于多项式算法的集束型装备调度94
3.2.1多项式算法概述94
3.2.2多项式算法在集束型装备调度中的应用97
3.3基于启发式方法的集束型装备调度99
3.31启发式方法概述100
3.3.2启发式方法在集束型装备调度中的应用105
3.4基于智能优化方法的集束型装备调度107
3.4.1智能优化方法概述108
3.4.2智能优化方法在集束型装备调度中的应用118
3.5小结120
本章参考文献121
第4章集束型晶圆制造装备的重入和混流调度129
4.1引言129
4.2重入调度的混合整数规划模型130
4.2.1问题描述130
4.2.2约束条件分析132
4.2.3仿真136
4.3混流调度的混合整数规划模型138
4.3.1调度问题139
4.3.2混合整数规划模型141
4.3.3生产周期下界分析144
4.3.4仿真148
4.4小结151
本章参考文献151
第5章集束型晶圆制造装备的多机械手调度154
5.1引言154
5.2基于分解方法的两集束型装备调度155
5.2.1符号定义和问题描述155
5.2.2问题的分解分析和模型的建立157
5.2.3机械手在缓冲模块无碰撞的判断条件159
5.2.4基于分解方法和线性规划模型的搜索算法161
5.2.5仿真162
5.3有滞留时间约束的两集束型装备调度模型164
5.3.1符号定义和问题描述164
5.3.2集束型装备的混合整数规划模型166
5.3.3并行加工模块168
5.3.4仿真169
5.4求解k晶圆周期序列的多集束型装备调度173
5.4.1符号定义和问题描述174
5.4.2k序列的平均周期下界175
5.4.3k序列的构造策略177
5.4.4仿真182
5.5小结191
本章参考文献192
第6章集束型晶圆制造装备的滞留时间约束调度194
6.1引言194
6.2单臂机械手集束型装备可调度性与调度195
6.2.1问题描述195
6.2.2并行加工模块加工时间的等效性证明197
6.2.3可调度性分析199
6.2.4仿真201
6.3双臂机械手集束型装备可调度性与调度203
6.3.1符号定义和问题描述203
6.3.2有晶圆滞留时间约束的线性规划模型204
6.3.3集束型装备的可调度性分析205
6.3.4仿真207
6.4单臂机械手的集束型装备启发式搜索方法211
6.4.1问题描述212
6.4.2调度模型213
6.4.3基于线性规划模型和冲突控制策略的启发式搜索方法214
6.4.4仿真216
6.5基于分解思想的多集束型装备启发式调度方法217
6.5.1问题描述和定义217
6.5.2周期性调度过程分析218
6.5.3启发式调度方法219
6.5.4仿真220
6.6基于遗传算法的集束型装备调度方法222
6.6.1问题描述和调度问题222
6.6.2改进遗传算法224
6.6.3仿真228
6.7小结230
本章参考文献231
第7章集束型晶圆制造装备的应急调度234
7.1引言234
7.2基于PSO的启发式调度方法236
7.2.1调度问题描述和数学模型236
7.2.2基于前向和后向递归方法的内层算法237
7.2.3微粒群算法优化算法分析242
7.2.4基于微粒群算法的两层在线调度方法245
7.2.5仿真247
7.3基于量子进化算法的在线调度方法250
7.3.1在线调度问题250
7.3.2在线调度方法251
7.3.3外层量子进化算法253
7.3.4仿真256
7.4小结258
本章参考文献259
……
第8章基于SEMI标准的集束型晶圆制造装备控制平台261
序言
前言
半导体芯片制造业是一个尖端技术及高附加值产业，对国民经济的发展具有巨大的战略价值，世界各国政府都将其视为国家的骨干产业。在世界制造业中心向亚太地区转移的大背景下，在国家产业政策的推动下，中国的半导体芯片产业获得了飞速的发展。要保持我国半导体芯片制造业良好的发展势头，提升我国半导体芯片制造业国际竞争能力，不仅要扩大规模，而且要注重提高制造系统绩效。把我国的半导体芯片做大、做强，不仅需要先进的半导体芯片设计技术、制造工艺技术及装备技术，而且需要先进的生产管理技术。
半导体制造的源头是芯片制造，芯片制造的关键是其制造装备。集束型晶圆制造装备（ClusterTools）是由物料搬运机械手和若干单晶圆加工设备构成的自动化组合制造系统，代表着当今半导体制造装备的先进水平，越来越多地应用到芯片的制造中。集束型装备调度问题与生产调度问题一样具有复杂性，如建模困难（数学模型或仿真模型难以建立）、高度重入加工（半导体制造过程中晶圆多次进入相同的设备加工）、存在多约束耦合（加工能力、滞留时间、机械手能力等约束耦合）、不确定（加工时间波动、设备自动清洗、临时晶圆插入、设备故障、返工等）、多种类型机械手（单臂机械手、双臂机械手、多机械手）、多种类型晶圆混合加工（晶圆代工厂要同时生产几十种产品，生产调度要同时考虑晶圆排序和机械手搬运作业排序）、存在不同的晶圆流模式（表现为串行、并行和重入晶圆模式）、大规模（晶圆和机械手搬运作业数量庞大，解空间可能随问题规模的增大而呈指数增长等）。研究表明，绝大多数集束型装备调度问题属于NP-hard性质的问题，其研究具有重要的学术意义和工程价值。
本书力图总结作者和国内外同行在集束型晶圆制造装备调度问题方面所取得的一系列研究成果，主要讨论集束型晶圆制造装备重入和混流调度、集束型晶圆制造装备的多机械手调度、集束型晶圆制造装备的滞留时间约束调度、集束型晶圆制造装备的应急调度、集束型晶圆制造装备混合晶圆调度等问题的数学模型、问题特性及优化调度算法，以及基于SEMI标准的集束型装备控制平台的设计与验证等。全书共8章，主要内容如下：
第1章为绪论，简要介绍半导体制造产业的战略意义、半导体制造工艺、集束型装备的高度复杂性、制造系统调度、集束型装备调度资源和约束条件、集束型装备调度的分类。
第2章介绍集束型晶圆制造装备的建模方法，包括基于马尔科夫模型、数学规划模型、时序图模型、Petri网模型及仿真模型等。
第3章介绍集束型晶圆制造装备的调度方法，包括基于运筹学方法、多项式算法、启发式方法和智能优化方法等。
第4章介绍集束型晶圆制造装备的重入和混流调度的混合整数规划模型，该模型包括加工模块能力约束、机械手能力约束、重入模块约束等。
第5章论述集束型晶圆制造装备的多机械手调度，重点介绍基于分解方法和线性规划模型的搜索算法、基于LCM和Swap的k序列策略和构造算法等。
第6章围绕集束晶圆制造型装备的滞留时间约束调度展开，重点介绍单臂和双臂机械手的可调性条件、基于线性规划模型和冲突控制策略的启发式搜索方法、基于分解思想的多集束型装备启发式调度方法。
第7章介绍集束型晶圆制造装备的应急调度，依次对基于微粒群的两层在线调度方法和基于量子进化算法的在线调度方法展开介绍。
第8章介绍CTC控制软件架构及SEMI标准，论述了CTC实时调度系统框架模型，该模型分为监督控制层、模块管理层、模块控制器层；接着介绍了通信协议的分析与设计过程，包括SEMI标准SECS-I、HSMS、SECS-II和GEM四个通信协议；最后，介绍了利用“虚拟控制”思想对模型进行仿真、调度和验证的过程。
本书所涉及的研究成果是在辽宁省高等学校优秀人才支持计划（LJQ2011132）、辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2014456）、大连外国语大学科研基金项目（2014XJYB05）等的资助下取得的。另外，还要特别感谢电子工业出版社对本书的大力支持，感谢吴长莘等在书稿编辑出版过程中所给予的宝贵建议和付出的辛勤劳动。
本书可作为计算机科学与技术、管理科学与工程、机械工程等相关学科的教师、学生和研究人员的参考书。集束型晶圆制造装备研究是一类NP特征的调度问题中具有高度复杂性和挑战性的课题，随着国际上对这类问题研究的不断深入，以及我国半导体制造装备的兴起与迅速发展，有关的研究还在不断发展和完善之中，本书作为作者近年来学习和研究的一个阶段性总结，其中难免会有不当甚至错误之处，敬请广大读者批评指正。
作者
2016年11月
文摘
版权页：
插图：
集束型装备调度必须考虑设备出现意外的情况，如临时晶圆加工、作业时间波动和加工设备出现故障等。应急调度方法大多是启发式算法。半导体生产线存在着来自顾客的紧急订单或返工晶圆，这些订单（临时晶圆）的到达时间、加工时间及数量等信息，在晶圆进入集束型装备前是未知的，该订单具有小批量、多类型晶圆（工件）的特点，这种信息的不确定性使离线调度方案失去可行性，必须采用有效的应急调度方法，即在线调度方法。另外，这类问题与传统的无等待流水线调度问题的区别在于：晶圆的运输由机械手完成，运输时间不能忽略。因此，如何对多晶圆类型的集束型装备进行在线调度，即在满足晶圆滞留时间约束的前提下，最小化所有晶圆的完工时间，对半导体制造厂提高产能、保证晶圆加工质量具有十分重要的作用。目前，合理处理临时晶圆加工等意外情况的方法是在线调度方法，该方法能够适应混合晶圆加工情况，能够为每一个新进入的晶圆安排机械手的搬运路径。若出现加工模块故障，在线调度方法首先用死锁检测算法判断是否发生死锁，并采用死锁恢复算法解决死锁。然后确定系统是否需要重调度，以便产生新的加工活动和机械手搬运活动，使生产继续进行下去。
《集束型晶圆制造装备调度及其优化算法》以半导体集束型装备为研究对象，在全面分析其调度特点的基础上，详细解剖、分析半导体集束型装备各类调度问题，建立了调度模型并运用智能化方法设计了相应的求解方案。
作者简介
李林瑛，大连外国语大学软件学院副教授。
目录
第1章绪论1
1.1半导体装备制造产业的战略意义1
1.2半导体制造工艺简介4
1.3集束型晶圆制造装备的高度复杂性8
1.4制造系统调度简介13
1.4.1车间调度14
1.4.2机器人制造单元调度16
1.4.3抓钩调度19
1.5集束型装备调度21
1.5.1基本概念21
1.5.2调度资源23
1.5.3约束条件24
1.6集束型晶圆制造装备调度分类25
1.6.1基于调度类型的分类方法25
1.6.2基于三邻域（α|β|γ）的分类方法27
1.6.3基于调度环境和任务的分类方法28
本章参考文献29
第2章集束型晶圆制造装备的建模方法36
2.1基于马尔科夫模型的集束型装备建模36
2.1.1马尔科夫模型基础理论37
2.1.2集束型装备马尔科夫建模过程38
2.2基于数学规划模型的集束型装备建模39
2.2.1数学规划模型基本理论40
2.2.2集束型装备数学规划建模过程41
2.3基于时序图模型的集束型装备建模43
2.3.1时序图模型基础理论43
2.3.2集束型装备时序图建模过程44
2.4基于Petri网模型的集束型装备建模48
2.4.1Petri网模型基础理论48
2.4.2集束型装备Petri网建模过程54
2.5基于仿真模型的集束型装备建模58
2.5.1仿真模型的基本理论59
2.5.2集束型装备仿真建模过程61
2.6小结66
本章参考文献66
第3章集束型晶圆制造装备的调度方法71
3.1基于运筹学方法的集束型装备调度71
3.1.1运筹学方法概述72
3.1.2混合整数规划在集束型装备调度中的应用79
3.1.3分支定界算法在集束型装备调度中的应用88
3.2基于多项式算法的集束型装备调度94
3.2.1多项式算法概述94
3.2.2多项式算法在集束型装备调度中的应用97
3.3基于启发式方法的集束型装备调度99
3.31启发式方法概述100
3.3.2启发式方法在集束型装备调度中的应用105
3.4基于智能优化方法的集束型装备调度107
3.4.1智能优化方法概述108
3.4.2智能优化方法在集束型装备调度中的应用118
3.5小结120
本章参考文献121
第4章集束型晶圆制造装备的重入和混流调度129
4.1引言129
4.2重入调度的混合整数规划模型130
4.2.1问题描述130
4.2.2约束条件分析132
4.2.3仿真136
4.3混流调度的混合整数规划模型138
4.3.1调度问题139
4.3.2混合整数规划模型141
4.3.3生产周期下界分析144
4.3.4仿真148
4.4小结151
本章参考文献151
第5章集束型晶圆制造装备的多机械手调度154
5.1引言154
5.2基于分解方法的两集束型装备调度155
5.2.1符号定义和问题描述155
5.2.2问题的分解分析和模型的建立157
5.2.3机械手在缓冲模块无碰撞的判断条件159
5.2.4基于分解方法和线性规划模型的搜索算法161
5.2.5仿真162
5.3有滞留时间约束的两集束型装备调度模型164
5.3.1符号定义和问题描述164
5.3.2集束型装备的混合整数规划模型166
5.3.3并行加工模块168
5.3.4仿真169
5.4求解k晶圆周期序列的多集束型装备调度173
5.4.1符号定义和问题描述174
5.4.2k序列的平均周期下界175
5.4.3k序列的构造策略177
5.4.4仿真182
5.5小结191
本章参考文献192
第6章集束型晶圆制造装备的滞留时间约束调度194
6.1引言194
6.2单臂机械手集束型装备可调度性与调度195
6.2.1问题描述195
6.2.2并行加工模块加工时间的等效性证明197
6.2.3可调度性分析199
6.2.4仿真201
6.3双臂机械手集束型装备可调度性与调度203
6.3.1符号定义和问题描述203
6.3.2有晶圆滞留时间约束的线性规划模型204
6.3.3集束型装备的可调度性分析205
6.3.4仿真207
6.4单臂机械手的集束型装备启发式搜索方法211
6.4.1问题描述212
6.4.2调度模型213
6.4.3基于线性规划模型和冲突控制策略的启发式搜索方法214
6.4.4仿真216
6.5基于分解思想的多集束型装备启发式调度方法217
6.5.1问题描述和定义217
6.5.2周期性调度过程分析218
6.5.3启发式调度方法219
6.5.4仿真220
6.6基于遗传算法的集束型装备调度方法222
6.6.1问题描述和调度问题222
6.6.2改进遗传算法224
6.6.3仿真228
6.7小结230
本章参考文献231
第7章集束型晶圆制造装备的应急调度234
7.1引言234
7.2基于PSO的启发式调度方法236
7.2.1调度问题描述和数学模型236
7.2.2基于前向和后向递归方法的内层算法237
7.2.3微粒群算法优化算法分析242
7.2.4基于微粒群算法的两层在线调度方法245
7.2.5仿真247
7.3基于量子进化算法的在线调度方法250
7.3.1在线调度问题250
7.3.2在线调度方法251
7.3.3外层量子进化算法253
7.3.4仿真256
7.4小结258
本章参考文献259
……
第8章基于SEMI标准的集束型晶圆制造装备控制平台261
序言
前言
半导体芯片制造业是一个尖端技术及高附加值产业，对国民经济的发展具有巨大的战略价值，世界各国政府都将其视为国家的骨干产业。在世界制造业中心向亚太地区转移的大背景下，在国家产业政策的推动下，中国的半导体芯片产业获得了飞速的发展。要保持我国半导体芯片制造业良好的发展势头，提升我国半导体芯片制造业国际竞争能力，不仅要扩大规模，而且要注重提高制造系统绩效。把我国的半导体芯片做大、做强，不仅需要先进的半导体芯片设计技术、制造工艺技术及装备技术，而且需要先进的生产管理技术。
半导体制造的源头是芯片制造，芯片制造的关键是其制造装备。集束型晶圆制造装备（ClusterTools）是由物料搬运机械手和若干单晶圆加工设备构成的自动化组合制造系统，代表着当今半导体制造装备的先进水平，越来越多地应用到芯片的制造中。集束型装备调度问题与生产调度问题一样具有复杂性，如建模困难（数学模型或仿真模型难以建立）、高度重入加工（半导体制造过程中晶圆多次进入相同的设备加工）、存在多约束耦合（加工能力、滞留时间、机械手能力等约束耦合）、不确定（加工时间波动、设备自动清洗、临时晶圆插入、设备故障、返工等）、多种类型机械手（单臂机械手、双臂机械手、多机械手）、多种类型晶圆混合加工（晶圆代工厂要同时生产几十种产品，生产调度要同时考虑晶圆排序和机械手搬运作业排序）、存在不同的晶圆流模式（表现为串行、并行和重入晶圆模式）、大规模（晶圆和机械手搬运作业数量庞大，解空间可能随问题规模的增大而呈指数增长等）。研究表明，绝大多数集束型装备调度问题属于NP-hard性质的问题，其研究具有重要的学术意义和工程价值。
本书力图总结作者和国内外同行在集束型晶圆制造装备调度问题方面所取得的一系列研究成果，主要讨论集束型晶圆制造装备重入和混流调度、集束型晶圆制造装备的多机械手调度、集束型晶圆制造装备的滞留时间约束调度、集束型晶圆制造装备的应急调度、集束型晶圆制造装备混合晶圆调度等问题的数学模型、问题特性及优化调度算法，以及基于SEMI标准的集束型装备控制平台的设计与验证等。全书共8章，主要内容如下：
第1章为绪论，简要介绍半导体制造产业的战略意义、半导体制造工艺、集束型装备的高度复杂性、制造系统调度、集束型装备调度资源和约束条件、集束型装备调度的分类。
第2章介绍集束型晶圆制造装备的建模方法，包括基于马尔科夫模型、数学规划模型、时序图模型、Petri网模型及仿真模型等。
第3章介绍集束型晶圆制造装备的调度方法，包括基于运筹学方法、多项式算法、启发式方法和智能优化方法等。
第4章介绍集束型晶圆制造装备的重入和混流调度的混合整数规划模型，该模型包括加工模块能力约束、机械手能力约束、重入模块约束等。
第5章论述集束型晶圆制造装备的多机械手调度，重点介绍基于分解方法和线性规划模型的搜索算法、基于LCM和Swap的k序列策略和构造算法等。
第6章围绕集束晶圆制造型装备的滞留时间约束调度展开，重点介绍单臂和双臂机械手的可调性条件、基于线性规划模型和冲突控制策略的启发式搜索方法、基于分解思想的多集束型装备启发式调度方法。
第7章介绍集束型晶圆制造装备的应急调度，依次对基于微粒群的两层在线调度方法和基于量子进化算法的在线调度方法展开介绍。
第8章介绍CTC控制软件架构及SEMI标准，论述了CTC实时调度系统框架模型，该模型分为监督控制层、模块管理层、模块控制器层；接着介绍了通信协议的分析与设计过程，包括SEMI标准SECS-I、HSMS、SECS-II和GEM四个通信协议；最后，介绍了利用“虚拟控制”思想对模型进行仿真、调度和验证的过程。
本书所涉及的研究成果是在辽宁省高等学校优秀人才支持计划（LJQ2011132）、辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2014456）、大连外国语大学科研基金项目（2014XJYB05）等的资助下取得的。另外，还要特别感谢电子工业出版社对本书的大力支持，感谢吴长莘等在书稿编辑出版过程中所给予的宝贵建议和付出的辛勤劳动。
本书可作为计算机科学与技术、管理科学与工程、机械工程等相关学科的教师、学生和研究人员的参考书。集束型晶圆制造装备研究是一类NP特征的调度问题中具有高度复杂性和挑战性的课题，随着国际上对这类问题研究的不断深入，以及我国半导体制造装备的兴起与迅速发展，有关的研究还在不断发展和完善之中，本书作为作者近年来学习和研究的一个阶段性总结，其中难免会有不当甚至错误之处，敬请广大读者批评指正。
作者
2016年11月
文摘
版权页：
插图：
集束型装备调度必须考虑设备出现意外的情况，如临时晶圆加工、作业时间波动和加工设备出现故障等。应急调度方法大多是启发式算法。半导体生产线存在着来自顾客的紧急订单或返工晶圆，这些订单（临时晶圆）的到达时间、加工时间及数量等信息，在晶圆进入集束型装备前是未知的，该订单具有小批量、多类型晶圆（工件）的特点，这种信息的不确定性使离线调度方案失去可行性，必须采用有效的应急调度方法，即在线调度方法。另外，这类问题与传统的无等待流水线调度问题的区别在于：晶圆的运输由机械手完成，运输时间不能忽略。因此，如何对多晶圆类型的集束型装备进行在线调度，即在满足晶圆滞留时间约束的前提下，最小化所有晶圆的完工时间，对半导体制造厂提高产能、保证晶圆加工质量具有十分重要的作用。目前，合理处理临时晶圆加工等意外情况的方法是在线调度方法，该方法能够适应混合晶圆加工情况，能够为每一个新进入的晶圆安排机械手的搬运路径。若出现加工模块故障，在线调度方法首先用死锁检测算法判断是否发生死锁，并采用死锁恢复算法解决死锁。然后确定系统是否需要重调度，以便产生新的加工活动和机械手搬运活动，使生产继续进行下去。
| ISBN | 7121312271,9787121312274 |
|---|---|
| 出版社 | 电子工业出版社 |
| 作者 | 李林瑛 |
| 尺寸 | 16 |