Performance of a Serial-Batch Processor System with Incompatible Job Families under Simple Control Policies

A typical example of a batch processor is the diffusion furnace used in wafer fabrication facilities (otherwise known as wafer fabs). In diffusion, silicon wafers are placed inside the furnace, and dopant is flown through the wafers via nitrogen gas. The higher the temperature, the faster the dopant penetrates the wafer surface. Then, a thin layer of silicon dioxide is grown, to help the dopant diffuse into the silicon. This operation can take 10 hours or more to finish processing, as compared to one or two hours for other wafer fab operations, according to Uzsoy [8]. Diffusion furnaces typically can process six to eight lots concurrently; we call the lots processed concurrently a batch. The quantity of lots loaded into the furnace does not affect the processing time. Only lots that require the same chemical recipe and temperature may be batched together at the diffusion furnace. We wish to control the production of a manufacturing system, comprised of a serial processor feeding the batch processor. The system produces different job types, and each job can only be batched together with jobs of the same type. More specifically, we explore the idea of controlling the production of the serial processor, based on the wip found in front of the batch processor. We evaluate the performance of our manufacturing system under several simple control policies under a range of loading conditions and determine which control policies perform better under which conditions. It is hoped that the results obtained from this small system could be extended to larger systems involving a batch processor, with particular emphasis placed on the applicability of such policies in wafer fabrication.Singapore-MIT Alliance (SMA

Intelligent production control for time-constrained complex job shops

Im Zuge der zunehmenden Komplexität der Produktion wird der Wunsch nach einer intelligenten Steuerung der Abläufe in der Fertigung immer größer. Sogenannte Complex Job Shops bezeichnen dabei die komplexesten Produktionsumgebungen, die deshalb ein hohes Maß an Agilität in der Steuerung erfordern. Unter diesen Umgebungen sticht die besonders Halbleiterfertigung hervor, da sie alle Komplexitäten eines Complex Job-Shop vereint. Deshalb ist die operative Exzellenz der Schlüssel zum Erfolg in der Halbleiterindustrie. Diese Exzellenz hängt ganz entscheidend von einer intelligenten Produktionssteuerung ab. Ein Hauptproblem bei der Steuerung solcher Complex Job-Shops, in diesem Fall der Halbleiterfertigung, ist das Vorhandensein von Zeitbeschränkungen (sog. time-constraints), die die Transitionszeit von Produkten zwischen zwei, meist aufeinanderfolgenden, Prozessen begrenzen. Die Einhaltung dieser produktspezifischen Zeitvorgaben ist von größter Bedeutung, da Verstöße zum Verlust des betreffenden Produkts führen. Der Stand der Technik bei der Produktionssteuerung dieser Dispositionsentscheidungen, die auf die Einhaltung der Zeitvorgaben abzielen, basiert auf einer fehleranfälligen und für die Mitarbeiter belastenden manuellen Steuerung. In dieser Arbeit wird daher ein neuartiger, echtzeitdatenbasierter Ansatz zur intelligenten Steuerung der Produktionssteuerung für time-constrained Complex Job Shops vorgestellt. Unter Verwendung einer jederzeit aktuellen Replikation des realen Systems werden sowohl je ein uni-, multivariates Zeitreihenmodell als auch ein digitaler Zwilling genutzt, um Vorhersagen über die Verletzung dieser time-constraints zu erhalten. In einem zweiten Schritt wird auf der Grundlage der Erwartung von Zeitüberschreitungen die Produktionssteuerung abgeleitet und mit Echtzeitdaten anhand eines realen Halbleiterwerks implementiert. Der daraus resultierende Ansatz wird gemeinsam mit dem Stand der Technik validiert und zeigt signifikante Verbesserungen, da viele Verletzungen von time-constraints verhindert werden können. Zukünftig soll die intelligente Produktionssteuerung daher in weiteren Complex Job Shop-Umgebungen evaluiert und ausgerollt werden

Cycle Time Estimation in a Semiconductor Wafer Fab: A concatenated Machine Learning Approach

Die fortschreitende Digitalisierung aller Bereiche des Lebens und der Industrie lässt die Nachfrage nach Mikrochips steigen. Immer mehr Branchen – unter anderem auch die Automobilindustrie – stellen fest, dass die Lieferketten heutzutage von den Halbleiterherstellern abhängig sind, was kürzlich zur Halbleiterkrise geführt hat. Diese Situation erhöht den Bedarf an genauen Vorhersagen von Lieferzeiten von Halbleitern. Da aber deren Produktion extrem schwierig ist, sind solche Schätzungen nicht einfach zu erstellen. Gängige Ansätze sind entweder zu simpel (z.B. Mittelwert- oder rollierende Mittelwertschätzer) oder benötigen zu viel Zeit für detaillierte Szenarioanalysen (z.B. ereignisdiskrete Simulationen). Daher wird in dieser Arbeit eine neue Methodik vorgeschlagen, die genauer als Mittelwert- oder rollierende Mittelwertschätzer, aber schneller als Simulationen sein soll. Diese Methodik nutzt eine Verkettung von Modellen des maschinellen Lernens, die in der Lage sind, Wartezeiten in einer Halbleiterfabrik auf der Grundlage einer Reihe von Merkmalen vorherzusagen. In dieser Arbeit wird diese Methodik entwickelt und analysiert. Sie umfasst eine detaillierte Analyse der für jedes Modell benötigten Merkmale, eine Analyse des genauen Produktionsprozesses, den jedes Produkt durchlaufen muss – was als "Route" bezeichnet wird – und entwickelte Strategien zur Bewältigung von Unsicherheiten, wenn die Merkmalswerte in der Zukunft nicht bekannt sind. Zusätzlichwird die vorgeschlagene Methodik mit realen Betriebsdaten aus einerWafer-Fabrik der Robert Bosch GmbH evaluiert. Es kann gezeigt werden, dass die Methodik den Mittelwert- und Rollierenden Mittelwertschätzern überlegen ist, insbesondere in Situationen, in denen die Zykluszeit eines Loses signifikant vom Mittelwert abweicht. Zusätzlich kann gezeigt werden, dass die Ausführungszeit der Methode signifikant kürzer ist als die einer detaillierten Simulation

Analysis of production control methods for semiconductor research and development fabs using simulation

The importance of semiconductor device fabrication has been rising steadily over many years. Integrated circuit technology and innovation depends on successful research and development (R&D). R&D establishes the direction for prevailing technology in electronics and computers. To be a leader in the semiconductor industry, a company must bring technology to the market as soon as its application is deemed feasible. Using suitable production control methods for wafer fabrication in R&D fabs ensures reduction in cycle times and planned inventories, which in turn help to more quickly, transfer the new technology to the production fabs, where products are made on a commercial scale. This helps to minimize the time to market. The complex behavior of research fabs produces varying results when conventional production control methodologies are applied. Simulation modeling allows the study of the behavior of the research fab by providing statistical reports on performance measures. The goal of this research is to investigate production control methods in semiconductor R&D fabs. A representative R&D fab is modeled, where an appropriate production load is applied to the fab by using a representative product load. Simulation models are run with different levels of production volume, lot priorities, primary and secondary dispatching strategies and due date tightness as treatment combinations in a formally designed experiment. Fab performance is evaluated based on four performance measures, which include percent on time delivery, average cycle time, standard deviation of cycle time and average work-in-process. Statistical analyses are used to determine the best performing dispatching rules for given fab operating scenarios. Results indicate that the optimal combination of dispatching rules is dependent on specific fab characteristics. However, several dispatching rules are found to be robust across performance measures. A simulation study of the Semiconductor & Microsystems Fabrication Laboratory (SMFL) at the Rochester Institute of Technology (RIT) is used to verify the results

The NASA SBIR product catalog

The purpose of this catalog is to assist small business firms in making the community aware of products emerging from their efforts in the Small Business Innovation Research (SBIR) program. It contains descriptions of some products that have advanced into Phase 3 and others that are identified as prospective products. Both lists of products in this catalog are based on information supplied by NASA SBIR contractors in responding to an invitation to be represented in this document. Generally, all products suggested by the small firms were included in order to meet the goals of information exchange for SBIR results. Of the 444 SBIR contractors NASA queried, 137 provided information on 219 products. The catalog presents the product information in the technology areas listed in the table of contents. Within each area, the products are listed in alphabetical order by product name and are given identifying numbers. Also included is an alphabetical listing of the companies that have products described. This listing cross-references the product list and provides information on the business activity of each firm. In addition, there are three indexes: one a list of firms by states, one that lists the products according to NASA Centers that managed the SBIR projects, and one that lists the products by the relevant Technical Topics utilized in NASA's annual program solicitation under which each SBIR project was selected

Working Notes from the 1992 AAAI Spring Symposium on Practical Approaches to Scheduling and Planning

The symposium presented issues involved in the development of scheduling systems that can deal with resource and time limitations. To qualify, a system must be implemented and tested to some degree on non-trivial problems (ideally, on real-world problems). However, a system need not be fully deployed to qualify. Systems that schedule actions in terms of metric time constraints typically represent and reason about an external numeric clock or calendar and can be contrasted with those systems that represent time purely symbolically. The following topics are discussed: integrating planning and scheduling; integrating symbolic goals and numerical utilities; managing uncertainty; incremental rescheduling; managing limited computation time; anytime scheduling and planning algorithms, systems; dependency analysis and schedule reuse; management of schedule and plan execution; and incorporation of discrete event techniques

Entwicklung und Einführung von Produktionssteuerungsverbesserungen für die kundenorientierte Halbleiterfertigung

Production control in a semiconductor production facility is a very complex and timeconsuming task. Different demands regarding facility performance parameters are defined by customer and facility management. These requirements are usually opponents, and an efficient strategy is not simple to define. In semiconductor manufacturing, the available production control systems often use priorities to define the importance of each production lot. The production lots are ranked according to the defined priorities. This process is called dispatching. The priority allocation is carried out by special algorithms. In literature, a huge variety of different strategies and rules is available. For the semiconductor foundry business, there is a need for a very flexible and adaptable policy taking the facility state and the defined requirements into account. At our case the production processes are characterized by a low-volume high-mix product portfolio. This portfolio causes additional stability problems and performance lags. The unstable characteristic increases the influence of reasonable production control logic. This thesis offers a very flexible and adaptable production control policy. This policy is based on a detailed facility model with real-life production data. The data is extracted from a real high-mix low-volume semiconductor facility. The dispatching strategy combines several dispatching rules. Different requirements like line balance, throughput optimization and on-time delivery targets can be taken into account. An automated detailed facility model calculates a semi-optimal combination of the different dispatching rules under a defined objective function. The objective function includes different demands from the management and the customer. The optimization is realized by a genetic heuristic for a fast and efficient finding of a close-to-optimal solution. The strategy is evaluated with real-life production data. The analysis with the detailed facility model of this fab shows an average improvement of 5% to 8% for several facility performance parameters like cycle time per mask layer. Finally the approach is realized and applied at a typical high-mix low-volume semiconductor facility. The system realization bases on a JAVA implementation. This implementation includes common state-of-the-art technologies such as web services. The system replaces the older production control solution. Besides the dispatching algorithm, the production policy includes the possibility to skip several metrology operations under defined boundary conditions. In a real-life production process, not all metrology operations are necessary for each lot. The thesis evaluates the influence of the sampling mechanism to the production process. The solution is included into the system implementation as a framework to assign different sampling rules to different metrology operations. Evaluations show greater improvements at bottleneck situations. After the productive introduction and usage of both systems, the practical results are evaluated. The staff survey offers good acceptance and response to the system. Furthermore positive effects on the performance measures are visible. The implemented system became part of the daily tools of a real semiconductor facility.Produktionssteuerung im Bereich der kundenorientierten Halbleiterfertigung ist heutzutage eine sehr komplexe und zeitintensive Aufgabe. Verschiedene Anforderungen bezüglich der Fabrikperformance werden seitens der Kunden als auch des Fabrikmanagements definiert. Diese Anforderungen stehen oftmals in Konkurrenz. Dadurch ist eine effiziente Strategie zur Kompromissfindung nicht einfach zu definieren. Heutige Halbleiterfabriken mit ihren verfügbaren Produktionssteuerungssystemen nutzen oft prioritätsbasierte Lösungen zur Definition der Wichtigkeit eines jeden Produktionsloses. Anhand dieser Prioritäten werden die Produktionslose sortiert und bearbeitet. In der Literatur existiert eine große Bandbreite verschiedener Algorithmen. Im Bereich der kundenorientierten Halbleiterfertigung wird eine sehr flexible und anpassbare Strategie benötigt, die auch den aktuellen Fabrikzustand als auch die wechselnden Kundenanforderungen berücksichtigt. Dies gilt insbesondere für den hochvariablen geringvolumigen Produktionsfall. Diese Arbeit behandelt eine flexible Strategie für den hochvariablen Produktionsfall einer solchen Produktionsstätte. Der Algorithmus basiert auf einem detaillierten Fabriksimulationsmodell mit Rückgriff auf Realdaten. Neben synthetischen Testdaten wurde der Algorithmus auch anhand einer realen Fertigungsumgebung geprüft. Verschiedene Steuerungsregeln werden hierbei sinnvoll kombiniert und gewichtet. Wechselnde Anforderungen wie Linienbalance, Durchsatz oder Liefertermintreue können adressiert und optimiert werden. Mittels einer definierten Zielfunktion erlaubt die automatische Modellgenerierung eine Optimierung anhand des aktuellen Fabrikzustandes. Die Optimierung basiert auf einen genetischen Algorithmus für eine flexible und effiziente Lösungssuche. Die Strategie wurde mit Realdaten aus der Fertigung einer typischen hochvariablen geringvolumigen Halbleiterfertigung geprüft und analysiert. Die Analyse zeigt ein Verbesserungspotential von 5% bis 8% für die bekannten Performancekriterien wie Cycletime im Vergleich zu gewöhnlichen statischen Steuerungspolitiken. Eine prototypische Implementierung realisiert diesen Ansatz zur Nutzung in der realen Fabrikumgebung. Die Implementierung basiert auf der JAVA-Programmiersprache. Aktuelle Implementierungsmethoden erlauben den flexiblen Einsatz in der Produktionsumgebung. Neben der Fabriksteuerung wurde die Möglichkeit der Reduktion von Messoperationszeit (auch bekannt unter Sampling) unter gegebenen Randbedingungen einer hochvariablen geringvolumigen Fertigung untersucht und geprüft. Oftmals ist aufgrund stabiler Prozesse in der Fertigung die Messung aller Lose an einem bestimmten Produktionsschritt nicht notwendig. Diese Arbeit untersucht den Einfluss dieses gängigen Verfahrens aus der Massenfertigung für die spezielle geringvolumige Produktionsumgebung. Die Analysen zeigen insbesondere in Ausnahmesituationen wie Anlagenausfällen und Kapazitätsengpässe einen positiven Effekt, während der Einfluss unter normalen Produktionsbedingungen aufgrund der hohen Produktvariabilität als gering angesehen werden kann. Nach produktiver Einführung in einem typischen Vertreter dieser Halbleiterfabriken zeigten sich schnell positive Effekte auf die Fabrikperformance als auch eine breite Nutzerakzeptanz. Das implementierte System wurde Bestandteil der täglichen genutzten Werkzeuglandschaft an diesem Standort

Index to 1984 NASA Tech Briefs, volume 9, numbers 1-4

Short announcements of new technology derived from the R&D activities of NASA are presented. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This index for 1984 Tech B Briefs contains abstracts and four indexes: subject, personal author, originating center, and Tech Brief Number. The following areas are covered: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences

The Commercial Application of Missile/Space Technology, Parts 1 and 2

This report is concerned with the transfer of technology from missile and space programs to non-missile/space applications in the United States. It presents the findings of a University of Denver Research Institute study sponsored by a National Aeronautics and Space Administration (NASA) grant awarded in November 1961. Initial stimulation for the unsolicited proposal leading to this study came from a 1960 Brookings Institution report to NASA, Proposed Studies on the Implications of Peaceful Space Activities for Human Affairs