PDF《半导体晶圆制造厂黄光区派工法则之研究》

Vol.

6, No. 6, Dec

2003 WEB JOURNAL OF 半导体晶圆制造厂黄光区派工法则之研究 A Study of Dispatching Rule for Photolithography Area in Wafer Fabrication Factories 林於杏 Yu-Hsin Lin 蔡志弘 Chih-Hung Tsai 徐光宏 Kuang-Hung Hsu 李庆恩 Ching-En Lee Printed by http://www.cmr.tuan.com Vol. 6, No.6, Dec 2003, 中华管理评论

98 半导体晶圆制造厂黄光区派工法则之研究 A Study of Dispatching Rule for Photolithography Area in Wafer Fabrication Factories 林於杏

1 蔡志弘

2 徐光宏

3 李庆恩

4 Yu-Hsin Lin Chih-Hung Tsai Kuang-Hung Hsu Ching-En Lee

1 明新科技大学工业工程与管理系 Ming-Hsin University of Science &

Technology

2 大华技术学院工业工程与管理系 Ta-Hwa Institute of Technology

3 台湾积体电路股份有限公司Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation

4 国立交通大学工业工程与管理系 National Chiao-Tung University E-mail: [email protected] 摘要本研究针对晶圆制造厂瓶颈区域 (黄光区) 之瓶颈机台发展一派工演算法 ~~ PADR (Photolithography Area Dispatching Rule),以改善生产系统之整体绩效.同时以园区某晶圆 厂之实际资料为基础,配合两种投片法则 ~ 固定在制品量法 (Fixed-WIP, FW) 和均匀投 片法 (Uniform Loading, UL) 进行模拟验证,并探讨黄光区机台派工演算法 (PADR) 中各 因子对系统绩效之影响程度.模拟结果显示,本研究所提出之 PADR 瓶颈机台派工法则, 利用权重和门槛值的观念,将各影响因子做一整体考量的派工方式,对晶圆制造厂的绩效 提N (如系统的产出量、良率、平均生产周期时间等) 有正面及显著性的改善. 关键字:投料,派工法则,晶圆制造 Abstract An effective production control policy is the most important issue in wafer fabrication factories. Most of past researches focus on the input regulation of wafer fabrication. There are also many releasing policies have been proven to be effective for wafer fabrication manufacturing. However, in practical, there is a need to help operators decide which lots should be pulled in the right time, to develop a systematic way to alleviate the long queues at the bottleneck workstation to smooth the sporadic workflow to the other areas. The purpose of this paper is to construct a dispatching rule for bottleneck workstation (photolithography area). A dispatching rule (Photolithography Area Dispatching Rule, PADR) is designed for bottleneck workstation in wafer fabrication factory. A simulation model is also constructed to demonstrate the effect of PADR dispatching rule. In this simulation model, two kinds of releasing policies: Fixed-WIP (FW) and Uniform Loading (UL), and dispatching rules for Furnance and Implanter are considered. The PADR performs well in throughput, yield rate, and mean cycle time than FIFO and SPT do. Therefore, considering all affecting factors and utilizing weight and threshold value to design a hierarchical priority rule is an efficiency method. Keywords: Wafer Releasing, Dispatching Rule, Wafer Fabrication

99 半导体晶圆制造厂黄光区派工法则之研究 壹、前言 半导体工业是一个资本密集与技术密集兼具的产业,已成为国内目前最具竞争力的产 业,也是台湾高科技发展的重点产业之一 (如两兆双星计划),在我国产业结构中扮演的 角色亦日形重要.半导体工业中之半导体制造工业可细分为晶圆制造、晶圆针测、晶圆切 割与包装、分级测试及最后测试等.晶圆制造是一项以制造流程为导向的高度复杂技术, 许多异於传统的加工特性,如制程步骤繁复、工件再回流 (Reentry)、批量分割、成批作 业、加工等候时限等,使得晶圆制造的生产排程工作十分困难.而制造晶圆的机器不仅昂 贵且非常不稳定,容易发生不可预期的当机及随机地制造出不良品,更加深了生产管制的 复杂度,所以如何发展出有效的生产管制策略来控制晶圆制造,为目前值得研究的重要课 题.晶圆制造系於晶圆上重复构建数层电路,每一层电路之制作均需经过一光罩制版 (Photolithography) 步骤,而执行此一步骤的黄光区域 (Photolithography area) 机台常是系 统瓶颈所在,其机台的派工对於协调全厂其它区域与平衡工作负荷,有著极重大的影响. 根拗评砺 (Theory of Constraint, TOC) [Goldratt 1986] 指出,系统限制资源为决定系统 生产绩效的主要因素,因此如何充分利用限制资源以发挥最大产能,平衡系统工作负荷, 并降低在制品存量及增加产出使系统绩效达到最高,成为晶圆制造生产管制的重要目标. 目前与晶圆制造生产排程相关的文献,主要皆集中在现场生产作业控制 (Production Activity Control, PAC) 方面,特别是投料法则的建立 [黄1995],而所选取的派工法则主 要作为搭配投料法则之用,多为十分简易的优序选择或牵涉复杂的数学计算,并未针对制 程及机台特性做深入的分析;

然而,派工法则的优劣对系统绩效仍有重要的影响 [Kim 1990],好的派工法则或许对系统绩效的改善不如投料法则明显,但一优良的投料法则若 无合适的派工法则予以配合,则亦事倍功半无法发挥其功效.派工法则的绩效和投料法则 及瓶颈机台数目有高度的相关性 [Wein 1988].Ovacik and Uzsoy [1992] 发现,当派工法 则配合考虑整厂的启发式方法时,可将系统绩效提高 15%.因此,本研究发展以瓶颈机台 为中心之派工法则,以提高晶圆制造厂之整体绩效. 贰、文献探讨 2.1 晶圆制造厂排程及派工相关文献 Atherton and Dayhoff [1986a, 1986b] 曾利用特徵分析 (Signature analysis),评估黄光区 之派工法则之绩效,结果显示后制程先处理法则具有较短的周期时间 (Cycle time) 及较大 的产出 (Throughput),并能把在制品量维持在一合理的水准.Lozinski and Glassey [1988] 提出避免饥饿法 (Starvation Avoid, SA),其目的在於保持低在制品量下,尽量提高瓶颈机 台的使用率,当瓶颈机台有缺料危机时,此派工法优先处理预备供应给瓶颈机台的工件. 和避免饥饿法保护瓶颈资源相似,Pravin [1989] 在以减少重要设备闲置时间的目的下,计 算各重要机台的预定到达工作负荷 (Arriving work) 和可用产能间之差值,再依此计算每 一批晶圆到下一个重要设备进行加工步骤时,不会造成下一个重要设备闲置的最大等候时 间,称为 (Slack time,以和浮时法有所区别).由於痹叫〉墓ぜ娇赡茉斐上乱 个重要机台闲置,故其派工法则给予毙〉墓ぜ细叩挠畔戎. Vol. 6, No.6, Dec 2003, 中华管理评论

100 Lou and Kager [1989] 及Yan et al. [1992] 提出一流率 (Flow rate) 控制方法,称为双 界法 (Two-Boundary, TB).该法利用第

一、二制程步骤间之实际存货水准与计划存货水准 (WIP 门槛值) 之差距,及第一制程步骤之实际累积生产量与累积需求 (Surplus 门槛值) 的差异作为投料的依,并利用存货水准差值、产品权重与层级权重三者的乘积来决定投 料优序.双界法亦将此观念用来控制瓶颈资源的派工,并强调在复杂系统中只需针对主要 工作站 (Key station) 实行双界法生产控制策略,对於非瓶颈资源之派工则皆采用先进先出 法.另一与双界法十分相似的在制品控制法 (WIP Control, WC) [Yan et al. 1992],系以各 订单第

一、二制程步骤间之实际存货水准与门槛值的差异作为投料之依,并以相邻两制 程步骤间实际与计划存货水准的差值和产品权重的乘积来决定瓶颈资源的派工优序,其和 双界法的差别在於在制品控制法只比较一种门槛值,派工时亦不考虑层级权重. 由於半导体晶圆制造厂的高度复杂性,许多针对晶圆制造所发展的生产控制理论常被 限制於研究十分简化的模型,以发展其演算法.就派工而言,由於各区域的主要机台加工 特性有相当大的差异,加上机台本身的不确定因素,若单纯将全部机台采用同一种派工法 则,并不能达到最佳的绩效改善 [Wein 1988],因此,具有不同加工特性的机台应选择适 合其加工特性的派工法则.在成批加工机台的加工时机判断方面,由於现行半导体工厂多 有电脑化的现场监控系统以获得现场的即时资讯,Glassey and Weng [1991] 之动态成批法 则(Dynamic Batching Heuristic, DBH),即利用前面加工站各等待加工工件之资料,来预测 下一个批量将抵达成批加工机器的时间,并以之作为工作站判断成批加工时机之决策依 ,以使得晶圆的等候时间能最小化.Flower et al. [1992] 将动态成批法则加以修正以适 合多产品的情况,并引进滚动幅度 (Rolling horizon) 排程的观念,在每一晶圆批到来时, 即作一次预测,以修正原预测资料,期能有效避免预测误差. 从上述诸多研究中不难发现: 发展创新实用的排程及派工法则仍属必要 [Pravin 1994],因为此一主题虽然已有数百篇的论文发表,但只有少数能实际应用在工作现场, 大部分的晶圆制造厂仍迫........