（机械电子工程专业论文）单臂组合设备调度及故障响应的petri网建模和仿真.pdf

i i i iiiii ii i i iii ii iiiil y 17 4 612 2 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y p e t r in e tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f s i n g l e - a r m c l u s t e rt o o l sf o rs c h e d u l i n ga n dm o d u l ef a i l u r e r e s p o n s e p h d c a n d i d a t e ：p a nc h u n r o n g s u p e r v i s o r ：p r o f w un a i q u p e r v i s o rn a i q i i m a y2 0 10 s c h o o lo fe l e c t r o - - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 随着半导体晶圆直径变得越来越大， 加工工艺已经不能满足晶圆的加工需求， 加工工艺变得越来越复杂，传统的批处理 因此，晶圆制造厂越来越多地采用组合设 备( c l u s t e r t 0 0 1 ) 进行加工。高自动化的组合设备处于真空密闭的环境中，由多个加工 模块及一个传输模块组成。一些晶圆加工工艺存在严格的逗留时间约束，并且在加 工模块之间除机械手外没有任何的缓冲空间，使得组合设备的调度非常困难。正因 为如此，调度可行性是组合设备系统运行控制的关键。在实际加工中，晶圆的加工 时间和机械手的操作时间存在一定的波动，使得在时间确定下的可行调度可能变得 不可行，因此，考虑组合设备的时间波动，系统的调度变得更为困难。直到现在， 还没有解析的方法能够解决这一调度问题。另外，组合设备中的加工模块常会出现 故障，当出现故障时甚至可能持续几个小时，因此，如果故障后存在可行调度的话， 那么故障响应使得组合设备继续完成加工是非常重要的。本文研究具有时间波动的 条件下单臂组合设备的动态过程建模、仿真、调度和故障响应。 组合设备的晶圆加工存在逗留时问约束及时间波动，它的调度问题还没有解析 法能解决，仿真是一个有效的解决方法。p e t r i 网描述离散事件动态系统的并行、异 步和冲突，是一种事件驱动系统模型的有效工具，也是数学和图形的建模工具，它 广泛用于离散事件的仿真、分析和控制。本文建立了单臂组合设备的p e t d 网模型， 利用该模型能够描述晶圆加工的逗留时间及机械手从加工模块或者真空锁卸载晶圆 之前的等待时间。调节机械手等待时间就确定了系统的不同稳态调度。利用所建立 的p e t d 网模型能够在时间确定的条件下分析系统的可调度性，在时间波动的条件下 进行调度可行性验证。该模型还能同时描述晶圆加工的初始暂态、稳态及终止暂态。 对于存在逗留时间约束的晶圆加工，虽然研究人员能够利用建立的p e t r i 网模型 进行可调度性分析，但是，对于工程技术人员来说，p e t r i 网作为数学工具，较抽象 和难理解的问题。为了解决这个问题，本文利用e m p l a n t 平台，建立了虚拟单臂组 合设备系统，该虚拟系统实现了p e t r i 网模型的运行逻辑，以可视化的方式重现了组 合设备的晶圆加工过程。晶圆的类型不同，晶圆流模式的加工工序、工序的加工模 块数及加工时间也不同，建立的系统能够适应该晶圆流模式的变化，是一个参数化 广东工业大学博士学位论文 的系统，包括结构参数化、加工流程参数化及加工时间参数化。只要输入晶圆流模 式及其参数，相应的系统便自动生成。因此，该系统是高度可重用的。 通过虚拟单臂组合设备系统不仅能够验证时间确定的调度可行性，而且能够验 证加工时间波动和机械手操作时间波动的调度可行性。对于有些不可行的调度，通 过该系统和本文提出的稳态调度的设计方法，调节机械手的等待时间，如果可行调 度存在的话可以找到可行调度。例子验证了该方法是可行的。这对于实现组合设备 进行大直径晶圆加工并满足逗留时间约束具有重要的现实意义。 组合设备的加工工序存在并行模块，当其中一个模块出现故障时，系统继续完 成加工是可能的。但是，故障出现后，如何运行控制系统的问题仍没解决。通过建 立的p e t r i 网模型，分析了并行模块中一个模块出现故障前后可行调度的问题。并行 模块出现故障后，如果组合设备不正确地运行控制，会造成晶圆违反逗留时间约束， 使得晶圆质量受到影响，甚至出现报废。事实上，故障响应的关键在于组合设备如 何从故障前的稳态过渡到故障后的稳态。对于不同的故障情形，本文提出了相应的 控制策略，使得系统能够继续完成晶圆的加工，保证在加工的晶圆满足质量要求。 这是本领域研究的重要进展。通过仿真实验表明响应策略的正确性。 最后，本文给出了将来进一步的研究方向。 关键词：组合设备；p e t r i 网；仿真；调度；故障响应 玎 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fw a f e rs i z ei ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g ，w a f e rf a b r i c a t i o n b e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e ds u c ht h a tt r a d i t i o n a lb a t c hp r o c e s s i n gc a n n o tm e e t t h er e q u i r e m e n t t h u s ，t h e r ei sa l li n c r e a s i n gu s eo fc l u s t e rt o o l sf o rm o s tw a f e r f a b r i c a t i o np r o c e s s e s c l u s t e rt o o li sa ne x p e n s i v e , a u t o m a t e d ，a n d t i g h t l yc o u p l e d e q u i p m e n tt h a to p e r a t e si n av a c u u me n v i r o n m e n t ac l u s t e rt o o l i n t e g r a t e ss e v e r a l p r o c e s s i n gm o d u l e sa n dam a t e r i a lh a n d l i n gr o b o t w a hw a f e rr e s i d e n c yc o n s t r a i n ta n d t h a tt h e r ei sr i oi n t e r m e d i a t eb u f f e rb e t w e e nt h ep r o c e s sm o d u l e s ，t h es c h e d u l eo fac l u s t e r t o o li sv e r yd i f f i c u l t w i t hw a f e rr e s i d e n c yc o n s t r a i n t ，s c h e d u l ef e a s i b i l i t yi se s s e n t i a lf o r s c h e d u l i n gac l u s t e rt 0 0 1 f u r t h e r m o r e ，i np r a c t i c e ，w a f e rp r o c e s s i n gt i m ea n dr o b o t a c t i v i t yt i m ea r es u b j e c tt ov a r i a t i o n a c t i v i t yt i m ev a r i a t i o nc a nm a k eaf e a s i b l es c h e d u l e o b t a i n e du n d e rd e t e r m i n i s t i ca c t i v i t yt i m ei n f e a s i b l e t h u s ，i ti sam o r ec h a l l e n g et o s c h e d u l eac l u s t e rt o o lw i t ha c t i v i t yt i m ev a r i a t i o nb e i n gt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n u pt o n o w , t h e r ei sn oa n a l y t i c a lm e t h o df o rc o p i n gw i t ht h i sp r o b l e m ap r o c e s s i n gm o d u l ei n ac l u s t e rt o o li sp r o n et oe r r o ra n dw h e nap r o c e s s i n gm o d u l ei sb r o k e nd o w n , i tm a yl a s t f o rs e v e r a lh o u r s h e n c e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o r r e c t l yr e s p o n dt os u c he v e n t ss u c ht h a t ac l u s t e rt o o lc a nc o n t i n u ei t s o p e r a t i o ni fs c h e d u l i n gi s s t i l lp o s s i b l e t h i sp a p e r a d d r e s s e st h es c h e d u l i n gp r o b l e mw i t ha c t i v i t yt i m ev a r i a t i o na n dt h er e s p o n s ep r o b l e m t op r o c e s s i n gm o d e lf a i l u r ef o rs i n g l e - a r mc l u s t e rt o o l si nw a f e rf a b r i c a t i o n b e c a u s et h e r ei sn oa n a l y t i c a lm e t h o df o rs c h e d u l i n gc l u s t e rt o o l sw i t hw a f e r r e s i d e n c yt i m ec o n s t r a i n ta n da c t i v i t yt i m ev a r i a t i o n , s i m u l a t i o ni sa na l t e r n a t i v es e l e c t i o n p e t r in e ti sw i d eu s e da ss i m u l a t i o n ，a n a l y s i s ，a n dc o n t r o lo fd i s c r e t ee v e n ts y s t e m s t h u s ， f o rt h ep u r p o s eo fc l u s t e rt o o ls i m u l a t i o n , ap e t r in e tm o d e li sd e v e l o p e df o rs i n g l e a r m c l u s t e rt o o l s t od e s c r i b eac l u s t e rt o o lw i t hw a f e rr e s i d e n c yt i m ec o n s t r a i n t ，r o b o t w a i t i n ge v e n t sb e f o r et h er o b o tu n l o a d i n gaw a f e rf r o map r o c e s s i n gm o d u l eo rl o a d l o c k a r em o d e l e di nt h ep e t r in e t b yd o i n gs o ，t os c h e d u l eac l u s t e rt o o li st oa d j u s tt h er o b o t w a i t i n gt i m e s t h u s ，b yt h i sp e t r in e tm o d e l ，s c h e d u l ef e a s i b i l i t yc a nb ec h e c k e di ft h e a c t i v i t yt i m e sa r ed e t e r m i n i s t i ca n a l y t i c a l l y i ft h ea c t i v i t yt i m e sa r es u b j e c tt ov a r i a t i o n , i i i - 一 广东工业大学博士学位论文 s c h e d u l ef e a s i b i l i t yc a nb ec h e c k e db ys i m u l a t i o nw i t ht h em o d e l t h i sm o d e lc a l l d e s c r i b ei n i t i a lt r a n s i e n ts t a t e ，s t e a d ys t a t e ，a n df i n a lt r a n s i e n ts t a t e t h i sp r o p e r t yi s e s s e n t i a lt op r o c e s s i n gm o d u l ef a i l u r er e s p o n s e a l t h o u g ht h ed e v e l o p e dp e t r in e tm o d e lc a nb eu s e dt oc h e c ks c h e d u l ef e a s i b i l i t y w i t hw a f e rr e s i d e n c yt i m ec o n s t r a i n ta n da c t i v i t yt i m ev a r i a t i o nf o rr e s e a r c h e r s ，i ti sn o t e a s yt od os ob ye n g i n e e r si np r a c t i c e t os o l v et h i sp r o b l e m , av i r t u a lc l u s t e rt o o lt h a t c a n r u n j u s tl i k et h ep e t r in e tm o d e li su s e f u l h e n c e , w i t he m p l a n tav i r t u a ls i n g l e - a r m c l u s t e rt o o li sd e v e l o p e d ac l u s t e rt o o ln e e d st os w i t c hf r o mp r o c e s s i n go n e t y p eo f w a f e r t oa n o t h e r f o rd i f f e r e n tw a f e rt y p e s ，t h ew a f e rf l o wp a t t e r n sa r ed i f f e r e n ti nt h en u m b e r o f p r o c e s s i n gs t e p s ，t h en u m b e ro f p r o c e s s i n gm o d u l e sf o ras t e p ，a n dt h ep r o c e s s i n gt i m e f o re a c hs t e p t om a k eav i r t u a lc l u s t e rt o o lr e u s a b l e , i ts h o u l db ea b l et oa d a p tt ot h e w a f e rf l o w p a t t e r nv a r i a t i o n t h i sp r o b l e m i s s u c c e s s f u l l y s o l v e db ys t r u c t u r e p a r a m e t e r i z a t i o r t , p r o c e s sp a r a m e t e r i z a t i o n , a n dp r o c e s s i n gt i m ep a r a m e t e r i z a t i o n b y d o i n gs o ，w en e e dt oi n p u to n l yt h ep a r a m e t e r sf o raw a f e rf l o wp a t t e r n t h e nt h e c o r r e s p o n d i n gs y s t e mc a nb ec r e a t e da u t o m a t i c a l l y w i t ht h ev i r t u a ls i n g l e - a r mc l u s t e rt o o t , o n ec a ne a s i l yc h e c kt h ef e a s i b i l i t yo fa g i v e ns c h e d u l en om a t t e rw h e t h e rt h ea c t i v i t yt i m e sa r es u b j e c tt ov a r i a t i o no rn o t f u r t h e r m o r e ，w i t ht h eh e l po ft h ev i r t u a ls i n g l e a r mc l u s t e rt o o l , i fas c h e d u l ei sc h e c k e d t ob ei n f e a s i b l e i tc a l la d j u s tt h er o b o tw a i t i n gs u c ht h a taf e a s i b l es c h e d u l ec a nb ef o u n d i fi ti sp o s s i b l e am e t h o di sp r e s e n t e df o rh o wt h i sc a nb ed o n e i l l u s t r a t i v ee x a m p l e sa r e g i v e nt os h o wt h ea p p l i c a t i o no f t h e m e t h o d i t i sk n o w nt h a tw h e nt h e r ea r em u l t i p l ep r o c e s s i n gm o d u l e sf o rap r o c e s s i n gs t e p a n dw h e no n eo fs u c ham o d u l ef a i l s ，i ti sp o s s i b l et h a tt h ec l u s t e rt o o lc a l lc o n t i n u ei t s o p e r a t i o n h o w e v e r , i td o e sn o tk n o wh o wt h ec l u s t e rt o o ls h o u l do p e r a t ew h e no n eo f s u c ham o d u l ef a i l s b yu s i n gt h ep e t r in e tm o d e l , w es h o wt h a tt h ef e a s i b l es c h e d u l e b e f o r et h ef a i l u r eo fam o d u l ei sd i f f e r e n tf r o mt h a ta f t e rt h ef a i l u r e t h u s ，i ft h ec l u s t e r t o o li sn o ta p p r o p r i a t e l yc o n t r o l l e d ，w a f e rr e s i d e n c yt i m ec o n s t r a i n tm a yb ev i o l a t e d i n f a c t ，t h ec l u s t e rt o o ls h o u l db ep r o p e r l yc o n t r o l l e ds u c ht h a ti tc a nh et r a n s f e r r e df r o mt h e s t e a d y - s t a t eb e f o r ef a i l u r et ot h es t e a d y - s t a t ea f t e rf a i l u r e c o n t r o lp o l i c i e sa r ep r e s e n t e d t os o l v et h i sp r o b l e m ，s ot h a tac l u s t e rt o o lc a nc o n t i n u ei t so p e r a t i o na f t e rf a i l u r eo fa t v a b s t r a c t p a r a l l e lp r o c e s s i n gm o d u l ei fi ti sp o s s i b l e f i n a l l y , t h ed i s c u s s i o ni sg i v e na n dt h ef u t u r ew o r ki sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：c l u s t e rt o o l ；p e t r in e t ；s i m u l a t i o n ；s c h e d u l i n g ；f a i l u r er e s p o n s e v 【一 1 1 3 研究目的。1 1 1 4 研究意义2 1 2 组合设备调度问题概述2 1 2 1 半导体制造发展概况2 1 2 2 组合设备4 1 2 3 组合设备调度研究现状7 1 2 4 组合设备调度发展趋势l l 1 3 研究内容和组织结构1 3 1 3 1 研究内容1 3 1 3 2 主要贡献1 4 1 3 - 3 组织结构15 1 4 本章小结1 6 第二章相关研究综述17 2 1 一般车间调度1 7 2 1 1 调度问题17 2 1 2 方法和进展1 7 2 1 3 研究现状1 9 2 2 机器人单元调度2 3 v i i 广东工业大学博士学位论文 2 2 1 机器人单元2 3 2 2 2 研究现状2 5 2 3 吊车调度2 7 2 3 1 吊车2 7 2 3 2 研究现状2 8 2 4 本章小结2 9 第三章组合设备的建模和可调度性分析3 0 3 1 引言3 0 3 2 单臂组合设备的加工过程3 0 3 3p e t r i 网组合设备建模31 3 3 1p e t r i 网定义及其特性3l 3 3 2 赋时p e t r i 网组合设备建模3 4 3 4 组合设备可调度性分析3 8 3 4 1 组合设备可调度性条件3 8 3 4 2 验证一4 l 3 5 本章小结4 5 第四章虚拟组合设备系统构建4 6 4 1 引言4 6 4 2 系统构建4 7 4 2 1 离散事件系统4 7 4 2 2e m p l a n t 介绍。4 9 4 2 3 参数化虚拟组合设备系统构建5 0 4 2 4 虚拟组合设备中初、稳态的过渡6 9 4 - 3 虚拟组合设备系统验证7 0 4 4 本章小结7 4 第五章组合设备的可行性验证和仿真调度7 5 5 1 引言7 5 5 2 作业时间确定的调度可行性7 5 5 3 作业时间波动的调度可行性7 7 v l l i 目录 5 3 1 随机时间设置及产生7 7 5 3 2 时间波动的调度可行性7 9 5 4 作业时间波动下组合设备的调度8 7 5 5 仿真结果输出与分析9 5 5 6 本章小结9 7 第六章故障响应与验证9 8 6 1 引言9 8 6 2 并行模块故障的可调度分析9 9 6 3 并行模块故障的响应策略1 0 1 6 3 1 情形一响应1 0 2 6 3 2 情形二响应1 0 7 6 3 3 情形三响应1 1 2 6 4 实验验证1 1 4 6 5 本章小结1 2 4 第七章结论与展望1 2 5 7 1 结论1 2 5 7 2 展望1 2 6 参考文献1 2 8 攻读学位期间从事科研项目及发表的论文1 4 4 独创性声明1 4 5 致谢1 4 7 i x 广东工业大学博士学位论文 c o n t e n t s a 】b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t ( c h i n e s e ) v i i c o n t e n t ( e n g l i s h ) x c h a p t e r1o v e r v i e w 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 1s u p p o r t i n gp r o j e c t 1 1 1 2b a c k g r o u n d l 1 1 3g o a l 1 1 1 4s i g n i f i c a n c e 2 1 2s t a t eo f a r tf o rc l u s t e rt i d 0 ls c h e d u l i n g 2 1 2 1w a f e rf a b r i c a t i o n 2 1 2 2c l u s t e rt o o l 4 1 2 3a d v a n c e m e n to f c l u s t e rt 1 0 0 ls c h e d u l i n g 7 1 2 4t r e n d so f c l u s t e rt o o ls c h e d u l i n g 11 1 3r e s u l t sa n do r g a n i z a t i o n 13 1 3 1t h ew r o r ki nt h et h e s i s 1 3 1 3 2r e s u l t so b t a i n e d 1 4 1 3 3o r g a n i z a t i o n 15 1 4s u m m a r y 16 c h a p t e r 2l i t e r a t u r er e v i e wo fg e n e r a ls c h e d u l i n gp r o b l e m 1 7 2 1g e n e r a lj o bs c h e d u l i n gp r o b l e m 1 7 2 1 1s c h e d u l i n gp r o b l e m 1 7 2 1 2m e t h o d o l o g y 1 7 2 1 3a d v a n c e m e n t 1 9 2 2r o b o t i cc e l ls c h e d u l i n g 2 3 2 2 1r o b o t i cc e l l 2 3 x c o n t e n t s 2 2 2a d v a n c e m e n t 2 5 2 3h o i s ts c h e d u l i n g 2 7 2 ：；1h o i s t 2 7 2 3 2a d v a n c e m e n t 2 8 2 4s u m m a r y ：1 9 c h a p t e r 3c l u s t e rt o o lm o d e l i n ga n d s c h e d u l a b i l i t ya n a l y s i s 3 0 ：；1i n t r o d u c t i o n 3 0 3 2s i n g l e a r l nc l u s t e rt o o l 3 0 3 3p e t r in e tm o d e l i n go f c l u s t e rt b o l 3l 3 3 1i n t r o d u c t i o nt op e t r in e t s 31 3 3 2c l u s t e rt o o l sm o d e l i n gb yt i m ep e t r in e t s 3 4 3 4s c h e d u l a b i l i t y 3 8 3 4 1c l u s t e rt o o l ss c h e d u l a b l i t yc o n d i t i o n 3 8 3 4 2v e r i f i c a t i o n 4 1 ：；5s u m m a r y 4 5 c h a p t e r 4d e v e l o p m e n to fv i r t u a l c l u s t e rt o o l 4 6 4 1i n t r o d u c t i o n 4 6 4 2s y s t e mc o n s t r u c t i o n 4 7 4 2 1d i s c r e t ee v e n ts y s t e m 4 7 4 2 2i n t r o d u c t i o nt oe m p l a n t 4 9 4 2 3v n u a lc l u s t e rt o o lp a r a m e t e r i z a t i o n 5 0 4 2 4t r a n s i e n ts t a t et os t e a d ys t a t ef o rv i r t u a lc l u s t e r1 o o l 6 9 4 3s c h e d u l ef e a s i b i l i t yv e r i f i c a t i o no f v i r t u a lc l u s t e rt o o l 7 0 4 4s u m m a r y 7 4 c h a p t e r5s c h e d u l ef e a s i b i l i t ya n ds c h e d u l i n gw i t ha c t i v i t yt i m ev a r i a t i o n 7 5 5 1i n t r o d u c t i o n 7 5 5 2s c h e d u l ef e a s i b i l i t yw i t hd e t e r m i n a t ea c t i v i t yt i m e 7 5 5 3s c h e d u l ef e a s i b i l i t yw i t ha c t i v i t yt i m ev a r i a t i o n 7 7 5 3 1g e n e r a t i o no f r a n d o m a c t i v i t yt i m e 7 7 5 3 2s c h e d u l ef e a s i b i l i t yv e r i f i c a t i o n 7 9 x i