生产管理知识_半导体晶圆生产线调度的性能指标探讨

收稿日期: 2005 - 09 - 06 基金项目:国家自然科学基金资助项目(F0531020 ,60374005) ;国家 “九七三” 重点基础研究发展计划资助项目(2002CB312202) ;上海市 博士后基金资助项目 作者简介:乔 非(1967 - ) ,女,安徽马鞍山人,教授,管理学博士. E2mail :fqiao mail. 半导体晶圆生产线调度的性能指标体系研究 乔 非,许潇红,方 明,吴启迪 (同济大学 电子与信息工程学院,上海 200092) 摘要:针对半导体晶圆生产线调度,提出了由用于日生产计划的调度方案对比的短期性能指标,和用于每日投料计 划的、 实施分析的长期性能指标组成的半导体晶圆生产制造系统的性能指标体系.其中,短期性能指标分为与产品 有关的在制品值、 移动步数和移动速率,以及与设备有关的设备利用率、 负载程度、 排队队长和瓶颈率;长期性能指 标主要包括产品的加工周期、 流程参数和生产率.在此基础上,设计并实现了半导体晶圆生产线调度性能评价系 统,以指导半导体车间的实际生产.该系统已经在工厂中得到应用. 关键词:半导体晶圆生产线;性能指标;甘特图;瓶颈预测 中图分类号: TP 273 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 374X(2007)04 - 537 - 06 Performance Evaluation System for Scheduling Semiconductor Wafer Product Line QIAO Fei , XU Xiaohong , FAN G Ming , WU Qidi (School of Electronics and Information Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092 ,China) Abstract : A performance evaluation system ,which consists of short - term performance indices and long - term performance indices ,is presented for scheduling semiconductor wafer production line. The short - term performance indices aim to evaluate the daily production plans ,and include two types ,i. e. product - related performances indices (such as Work In Process ,movement and step) and equipment - related performances indices (such as the rate of utilize of equipment ,load ,queue and the rate of bot2 tleneck) . The long - term performance indices help to analyze the daily order release plan ,and are com2 posed of average cycle time and productive rate. A Performance - Evaluation System for scheduling semiconductor wafer production line was then designed and implemented to guide the actual production in semiconductor wafer shop. This developed sub - system has been well applied in factories. Key words : semiconductor wafer production line ; performance index ;Gantt chart ; bottleneck forecasting 半导体晶圆生产线是公认的最为复杂的生产线 之一,产品更新换代快、 市场竞争激烈、 设备繁多并 且昂贵.半导体晶圆生产线的生产调度优化和性能 评价,是半导体晶圆生产制造系统关于系统优化理 论体系的重要组成部分.目前,关于半导体晶圆生产 调度优化方面的文章已出现不少,但尚未见有系统 第35卷第4期 2007年4月 同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版) JOURNAL OF TONG J I UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) Vol. 35 No. 4 Apr. 2007 的关于性能评价方面研究工作的报告.但是,其他制 造业有一些这方面的研究,如李培根1提到制造系 统的性能指标包括生产率、 生产能力、 生产均衡性、 在制品、 通过时间、 等待队长、 等待时间、 设备利用 率、 设备有效利用率、 设备完好率、 设备可维修性、 使 用方便性、 可靠性、 柔性和集成度等,Park E等提出 用循环时间作为可重构生产线的性能指标2,蔡宗 琰提出生产资源利用率、 作业完成时间、 零件生产能 力、 最大完成时间、 停工时间和维修率等作为可重构 制造系统的性能指标3.笔者在参考这些性能指标 分析的理论研究和半导体优化调度研究所提到的一 些性能指标以及对半导体生产车间的实际调查研究 的基础上,通过归纳总结,提出了针对调度的半导体 晶圆生产制造系统的性能指标体系.同时,基于对半 导体晶圆生产制造系统建模和调度,通过记录仿真 过程中的相关数据,开发实现了半导体晶圆生产线 调度性能评价系统.这对于评价调度方法和投料方 法的优劣具有指导意义,是建立关于半导体晶圆生 产制造系统的系统优化理论体系的关键工作之一. 1 性能指标体系 针对半导体晶圆生产调度,笔者提出的性能指 标体系如图1所示.按照反应灵敏度以及用途的不 同,可以分为两类,一类是短期性能指标,用于日生 产计划的调度方案对比.它可进一步分为两类,一是 与产品有关的,即在制品值、 移动步数、 移动速率;二 是与设备有关的,即设备利用率、 负载程度、 排队队 长和瓶颈率.另一类是长期性能指标,用于每日投料 计划的实施分析,主要包括产品的平均加工周期、 产 品的流程参数、 准时交货率和生产率. 在进一步讨论之前,首先针对半导体生产线的 特殊性,介绍一下加工区的概念.在实际的生产过程 中,整个生产线按照完成的工序操作可以分成不同 的加工区,如自动光刻区、 氮化硅刻蚀区、 涂胶区等 等;而设备唯一对应于其中的一个加工区.同一个加 工区的设备可以功能互替或者部分互替.所以,通常 当一个工件完成某一加工步骤以后,往往被送往另 一个加工区,等待该区的空闲机器来选择它加工,而 不是在某台固定的机器前面等待加工.这样可以充 分提高设备的利用率和生产效益.所以,这里有一些 性能指标 在制品值、 负载程度、 排队队长、 瓶颈 率,都涉及到加工区的概念. 图1 半导体晶圆生产线性能指标体系图 Fig. 1 Performance evaluation system for semiconductor wafer product line 1. 1 短期性能指标 短期性能指标反应比较灵敏,可以用于日生产 计划的调度方案对比,也可以用于每日投料计划的 实施分析. 1. 1. 1 与产品相关的性能指标 (1)在制品(work in process ,WIP)值 在制品(WIP)是指某一时刻所有已投入生产线 但尚未完成最后加工步骤的硅片.对于一般的制造 系统,往往只考虑整个生产线的在制品,但是对于半 导体晶圆生产线,由于复杂,产品往往要经过多道加 工工序才能够完成.而各个加工区的负荷往往不均 衡,所以,只通过生产线总在制品值不能很好地衡量 一个系统的性能.半导体晶圆生产线,根据各个设备 加工工艺的不同,可以划分为不同的加工区.所以, 按照关心的范围不同,将在制品值分为各个加工区 的在制品值和总在制品值.各个加工区的在制品包 括加工区内所有设备上正在加工的硅片和相应的缓 冲区内等待加工的硅片(见式(1) .而总在制品不仅 包括生产车间所有加工区在制品,还包括在运输途 中的在制品(见式(2) . Wi= ni j =1 Wi , j+ Wi ,wait(1) Wf= n i =1 Wi+ Wb(2) 式中: Wi表示加工区i的在制品值; Wi , j表示加工 区i中设备j在加工的在制品值; ni表示加工区i中 设备的台数; Wi ,wait表示加工区i中缓冲区内等待 加工的在制品值; Wf表示生产线上总在制品值; Wb表示在运输途中的在制品值. 对于整个生产线来说,在制品不能太少,也不能 太多.太少,会使很多机器处于空闲状态,不能很好 地利用资源;太多,会降低生产效率,导致产品的加 835 同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第35卷 工周期变长. (2)移动步数(movement) 移动步数是指在调度区间内,生产线上所有硅 片移动的步数之和.所谓移动,也就是生产线上的工 件在某台设备上完成一个加工步骤. 从物理意义上说,硅片每移动一步就意味着相 应的设备发生一次结束加工的事件.所以,移动步数 和设备发生的结束事件之间存在如下关系: mo= i j ijPij(3) 式中:mo表示硅片在仿真时间内所有硅片总的移 动步数;ij表示调度结束时,第i台设备第j次加工 完成状况:结束为1,未结束为0; Pij表示第i台设备 第j次加工所加工的硅片数. 在一定时间内,在W不变的情况下,移动的步 数越大,意味着工件等待的时间越短,相应的加工周 期越短.但是这个关系并不是线性的,因为半导体生 产线上各个加工步骤的加工时间参差不齐,有的甚 至相差很大. (3)移动速率(step) 移动速率指调度区间内平均每片晶圆移动的步 数,可以由调度区间内的移动步数和生产线上总在 制品获得.由于在制品值随着时间的变化而改变,所 以,这里的在制品值取调度区间内总在制品值的平 均值 vs= mo/ Wf(4) 式中:vs表示移动速率; Wf表示生产线上在调度时 间内的平均总在制品值.显然,对于相同的调度区 间,该值越大,表示调度方案越优越. 1. 1. 2 与设备有关的性能指标 (1)设备利用率(utilization) 设备利用率指设备在开机状态下用于实际加工 硅片的时间占开机时间的比例.即 Pu= m h =1 ThTop100%(5) 式中:Pu表示设备利用率; Th表示设备在调度区间 内第h次操作所消耗的时间; m表示设备在调度区 间内共进行了m次操作; Top表示设备在调度区间 内的开机时间. 设备利用率反映系统的忙闲情况.半导体晶圆 生产属于资本密集型产业,设备投资庞大,运作成本 高昂,使得投资者极为重视投资效益,不愿任何一台 设备闲置而浪费产能,于是不断追求所有设备的完 全利用4.同时,设备使用率的提高可增加产量. (2)负载程度 负载程度是指加工设备前等待工件所需的加工 时间.对于按片加工的设备,负载程度是设备前所有 等待加工的晶圆所需时间的总和;但是对于多批加 工的设备,由于可以同时加工多片晶圆,其负载程度 不是各个工件加工时间的简单相加,而是把排队的 工件按一定的算法并批,然后将每次加工所需的时 间相加. 由于在实际的半导体晶圆生产过程中,同一个 加工区的设备可以功能互替或者部分互替,所以这 个概念又可以引申到加工区上. 这里引出另一个概念:可用产能4.从整体设 备效率(overall equipment efficiency ,OEE)角度而 言,对产能有影响的除了宕机、 预防保养时间外,对 于非正常产品的加工,例如工程卡的处理时间、 档控 片的处理时间等,均属于无法利用产能的损失时间, 因此必须从可用的产能中扣除.此外,为了维持排程 的稳定性,必须再保留一部分保护性产能,也必须从 可用产能中扣除.某机台某天的可用产能Ac可以 用下式表示5: Ac = ( 1-Dt-Pm-Eg-Md-Pc)1 440 式中:Dt为宕机的时间比例; Pm为预防保养的时间 比例; Eg为处理工程卡的时间比例; Md为处理档 控片的时间比例; Pc为保护性产能的时间比例.单 位皆为min 当负载程度大于可用产能时,则认为设备或加 工区处于超负载状态;为零时,设备或加工区处于欠 负载状态;处于二者之间时,设备或加工区处于均衡 负载状态. (3)排队队长 排队队长是指加工设备前等待加工工件数.这 个概念与负载程度有相似之处.对于按片加工的设 备,排队队长是设备前所有等待加工的晶圆数;而对 于多批加工的设备,则是排队的工件按一定的算法 分批后所得到的批次. 同样,排队队长的概念也可以引申到加工区上. 这里相应地也引出一个概念:可用产能队长.它 与可用产能之间的关系如下: Ac= Aqt - pro (6) 式中:Aq表示可用产能队长; t - pro表示排队工件加 工的平均时间. (4)瓶颈率 所谓瓶颈,即在整个生产系统中相对于其他设 备或加工区生产能力明显较弱,或者由于工件访问 935 第4期乔 非,等:半导体晶圆生产线调度的性能指标体系研究 该处的次数频繁且时间较久,导致产品大量堆积的 设备或加工区.在这种情况下,产品的加工时间很大 程度上取决于瓶颈设备(区)拥挤情况及其采用的调 度算法以及产品访问瓶颈设备(区)的次数.由于在 实际生产过程中,往往大部分设备(区)都处于欠负 载状态或者均衡状态,所以瓶颈即等同于那些处于 过负载状态的设备和加工区.由于瓶颈的产生常常 伴随着设备利用的不均衡和产品加工周期的延长, 所以应该尽可能避免设备出现瓶颈.瓶颈可以用下 面的公式来表示: B ( t) = 1LAc 0L Ac (7) 式中:1表示设备或加工区在t时刻时是瓶颈,0表 示设备或加工区在t时刻为非瓶颈. 瓶颈率就是设备或加工区是瓶颈的时间比例. 即 Pb= t1 0 B ( t)dt ( t 1- t0)100%(8) 式中:Pb总是小于等于1.当Pb= 1时,该设备或加 工区称为永久瓶颈;当Pb 1时,该设备或加工区 称为瞬时瓶颈.半导体晶圆生产过程是复杂的,又加 上一些设备(如光刻机)价格昂贵且加工时间较久, 所以这些设备经常会成为永久瓶颈.对这些设备应 该尽量缓和其瓶颈状态,而对于一些瞬时瓶颈(有时 是,有时不是 ) , 则应该通过调度算法来尽量避免. 1. 2 长期性能指标 (1)产品的加工周期(cycle time) 系指硅片从 投入生产线到完成所有的加工步骤所需要的时间. 对于不同的产品,加工周期各不相同.由于产品在系 统中加工时,不可避免地存在等待加工时间,所以实 际加工周期往往是其净加工周期的几倍甚至几十 倍.晶圆制造产品周期的长短对产品成本起到了非 常重要的作用,也是企业在市场中保持竞争力的关 键.因此,晶圆制造厂会努力降低生产周期时间3. 在选择不同的日投料计划和调度算法时,显然也希 望能够缩短产品的加工周期.由于一般半导体晶圆 产品的生产周期都在一个月以上,所以这个指标具 有长期意义. 半导体生产线上,相同的版本加工流程相同.所 以,对于加工周期考虑两个值:平均值和方差. 产品的加工周期作为长期性能指标,受每日投 料计划的影响.一般情况下,随着每日投片数目的减 少而减少.但是这是有一定前提条件的,即产品需求 足够多,使机台保持一定的利用率.当产品很少,即 周期时间与净加工时间大致相同,制造厂的经济原 则就会发挥作用,工厂就会精简一部分生产能力(机 台和人力资源 ) , 用以节省费用.此时的周期不但不 会减少反而增加.这是因为机台的冗余度减少了.宕 机和瓶颈机台的利用率是影响周期时间的主要因 素,而机台的冗余度愈是低,宕机、 批量加工对生产 周期的影响愈大.当一台设备没有冗余(没有备用机 台 ) , 可以预见到产品的周期是很长的;当增加一台 备用机台使其由无备用机台变为有备用机台时,周 期的降低最明显.随着设备组中设备数目的增加,周 期的减少会变得不太明显.这符合边际效用递减规 律.这也就是小规模生产厂的产品生产周期比大厂 长的原因.制造厂的规模越大,机台冗余度越大,周 期就越短3.这方面的优化工作还有待进一步研 究. (2)产品的流程参数 这是实际加工周期与净 加工周期的比值.它可以由下面的公式获得: F = Tpro p l =1 Tl(9) 式中:F是产品的流程参数; Tpro是产品的实际加工 时间; Tl是产品第l步加工所需要的时间; p是产 品总的加工步骤. 显然,F1. F越小,产品加工等待的时间越 短.通过调度算法的选择,应使得F越小越好. (3)生产率(throughput rate) 生产率指每天 流出生产线的硅片数.生产率的大小直接反映日投 料计划的好坏.它可以由下式获得: Pp= PoutTd(10) 式中: Pp表示生产率; Pout表示仿真时间内生产出 来的晶圆片数; Td为调度区间,单位为d. 尽管短时间内也可得到生产率这一性能指标, 但是如果调度区间较短,工件的许多加工并不在调 度区间内完成,因此不能将之看作短期能够获得的 指标;同时,硅片完工的事件是离散的、 非均匀的,所 以,应将生产率看作长期性能指标. 生产率的提高是以牺牲周期为代价的,也就是 说,生产率的提高与周期的缩短是不可同时获得的. 而管理者所追求的设备利用率的提高可以使生产率 提升,因此,随着生产率的增加,设备利用率和周期 将随之增加.对于管理者来说,需要选择一个合适的 折衷方案使生产率和周期达到最优,即选择最优的 负载.潘峰等提出利用效用函数和多目标决策的方 法对生产率和加工周期优化选择3.同时,根据 Little公式 平均在制品值=平均生产率 平均 045 同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第35卷 加工周期,还应考虑降低在制品的数量.关于这个问 题,潘峰等提出了建立多目标函数的方法,将它转化 为非线性规划中的约束极值问题3. 2 系统实现 性能评价可分为事前评价和事后评价.事前评 价用于寻优,找到最佳的投料方法和调度方法,用来 指导现场生产.它通常是基于仿真模型或者是数学 模型.而事后生产是用来评定一段生产时间内的半 导体晶圆生产制造系统的性能的,相对来说,它考虑 了一些不可预见的事情,经过多次的统计实践,也可 以得出一些比较好的调度方法来指导以后的生产. 它通常是基于实际的生产线的. 本文实现的是事前性能评价系统,是基于对半 导体晶圆生产线的建模仿真而实现的.该系统实现 了这些指标,帮助生产管理人员从整体上把握调度 的结果,确定合适的调度方案以及投料计划,安排恰 当的时间维修设备,从而指导半导体车间的实际生 产.这个系统的实现如图2所示. 图2 性能评价系统实现图 Fig. 2 Realization of performance evaluation system 2. 1 短期性能指标的实现 2. 1. 1 与产品相关的性能指标 (1)W值的实现 由于在制品随着时间的变化而变化,所以针对 现场的实际需要,系统着重关注仿真结束时的在制 品值以及平均在制品值.同时,为了表现各个区采用 不同的调度算法对本区或者其他区造成的不同影 响,系统采用定时采样的方法采集到各个加工区的 W值,从而绘制出以时间轴为横坐标,在制品值为 纵坐标的W值变化曲线图.由于半导体晶圆生产 本身的周期相对比较长,每个工艺步骤的加工时间 也比较长,一般在几十分钟以上,所以采集周期不必 取得很小.本系统采用的周期为30 min.本系统所 实现的某一加工区的在制品在12 h内的变化曲线 如图3所示.这样,平均的W值可以由图中各W值 取平均值后得到. (2)移动步数的实现 在仿真过程中,设备每发生一次结束加工的事 件,就记录一条,同时记录加工的硅片数,这样就可 以获得移动步数了. (3)移动速率的实现 根据前面两步得到的平均在制品值以及移动步 数,由式(4)即得. 图3 某一加工区某天的W变化曲线 Fig. 3 Wgraph in some certain process area 2. 1. 2 与设备有关的性能指标 (1)设备利用率的实现 计算设备利用率需要获取两个参数,即式(5)中 的 m h= 1 Th与Top. m h= 1 Th的获得 将设备加工工件的各个时 段(开始加工到结束加工之间的时间)相加,就得到 设备总加工时间.由于在仿真开始时刻有很多设备 正在加工,在计算利用率时,一次的加工时间只能是 仿真开始时刻至加工结束时刻.同理,在仿真结束时 有很多设备还未完成的加工,那么,该次加工的时间 应该是该次加工开始时刻至仿真结束时刻. Top的取值 设备的开机时间,对于仿真来 说,是一个预期值.由于设备故障的发生是不可预测 的,这时候不可避免地要重新调度,所以,计算开机 时间可以完全不考虑设备发生故障的情况,只需将 仿真的时间减去计划中要定期维护设备的时间即 可.由于各个设备维护的时间以及间隔都可能不相 同,所以,各开机时间也可能不一样. 由上获得了设备的加工时间以及设备的开机时 间,然后根据式(5)可以很容易计算出设备利用率. (2)负载程度的实现 对于按片加工的设备,只需计算工件等待加工 所需的时间即可.对于多批加工的设备,一方面和一 145 第4期乔 非,等:半导体晶圆生产线调度的性能指标体系研究 次加工的最大批量有关,另一方面还和设备的并批 算法有关.按照这两个方面计算出设备加工完工件 所需的实际时间,即根据算法在等待的工件中选出 下一次加工的工件集合,再在剩下的工件中选出下 下批加工的工件集,以此类推,即得到加工完这些工 件的相应时间.对于这些值,本系统同样采取定时采 样的方法. (3)排队队长的实现 对于按片加工的设备,只需计算加工设备前等 待的工件数即可.与负载程度类似,对于多批加工的 设备,按照设备的最大批量和并批算法,计算出设备 加工完这些工件所需的实际次数,即根据算法在等 待的工件中选出下一次加工的工件集合,再在剩下 的工件中选出下下批加工的工件集,以此类推,即得 到加工完这些工件的总次数.本系统采取定时采样 的方法来得到这个值. (4)瓶颈率的实现 由于系统是基于仿真模型的,对于未来发生的 宕机事件等无法预测,所以,在实现时令Dt=Eg= Md=Pc= 0.这样,可用产能的计算就简化为Ac= (1 -Pm)1 440,根据定时采样得到的负载程度, 很容易得到B ( Tl ) . 而由于该值是定期获得的,所以在计算瓶颈率 时,可以将式(8)近似为下面的式子: Pb= f -1 v =0 B ( t0+ v T) f (11) 式中:T为采样周期; f为采样次数. 2. 2 长期性能指标的实现 (1)产品加工周期的实现 各个工件的加工周期是出线时间和进线时间之 差.对相同版本的工件,加工周期取平均值,就可以 得到仿真时段内各个版本的平均加工时间.同理可 以得到产品的加工周期方差. (2)产品流程参数的实现 产品的净加工周期可以根据产品流程表及其各 个工序所需要的时间计算后得到.然后,根据计算得 到的产品加工周期即可得产品的流程参数. (3)生产率的实现 这个性能指标比较简单,只要将仿真结束时出 线的各个产品的片数相加即得到式(10)中的Pout, 然后除以时间即得. 3 结语 半导体晶圆生产线的性能评价,是评价半导体 晶圆生产制造系统调度方法与投料方法优劣的关键 手段,是选择合适调度方法的重要依据,是计算机辅 助半导体晶圆生产制造系统设计的基本组成部分之 一.本文提出了比较完整的性能指标评价系统,并给 出了实例实现方法.该性能评价系统已作为先进制 造车间调度软件在工厂应用.带班经理、 生产部经 理、 计划专员使用这些指标来调整生产,例如使硅片 尽量往设备利用率低的加工区域流动,缓和设备利 用率很高的设备的瓶颈状态,调整投片结构,等等, 并通过甘特图来指导生产和安排设备的定期维护. 需进一步研究的方向是:研究其他体现半导 体晶圆生产可重入性本质的性能指标;研究与考 虑维修调度相关