Cycle Time Analysis For Photolithography Tools In Semiconductor Manufacturing Industry With Simulation Model : A Case Study [TR940. S618 2008 f rb].

Perkembangan industri semikonduktor dalam bidang fabrikasi biasanya melibatkan kos pelaburan yang tinggi terutamanya dalam alatan photolithography. The industry of semiconductor wafer fabrication (“fab”) has invested a huge amount of capital on the manufacturing equipments particular in photolithograph

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

Multi-variate time-series for time constraint adherence prediction in complex job shops

One of the most complex and agile production environments is semiconductor manufacturing, especially wafer fabrication, as products require more than several hundred operations and remain in Work-In-Progress for months leading to complex job shops. Additionally, an increasingly competitive market environment, i.e. owing to Moore’s law, forces semiconductor companies to focus on operational excellence, resiliency and, hence, leads to product quality as a decisive factor. Product-specific time constraints comprising two or more, not necessarily consecutive, operations ensure product quality at an operational level and, thus, are an industry-specific challenge. Time constraint adherence is of utmost importance, since violations typically lead to scrapping entire lots and a deteriorating yield. Dispatching decisions that determine time constraint adherence are as a state of the art performed manually, which is stressful and error-prone. Therefore, this article presents a data-driven approach combining multi-variate time-series with centralized information to predict time constraint adherence probability in wafer fabrication to facilitate dispatching. Real-world data is analyzed and different statistical and machine learning models are evaluated

Adaptive Order Dispatching based on Reinforcement Learning: Application in a Complex Job Shop in the Semiconductor Industry

Heutige Produktionssysteme tendieren durch die Marktanforderungen getrieben zu immer kleineren Losgrößen, höherer Produktvielfalt und größerer Komplexität der Materialflusssysteme. Diese Entwicklungen stellen bestehende Produktionssteuerungsmethoden in Frage. Im Zuge der Digitalisierung bieten datenbasierte Algorithmen des maschinellen Lernens einen alternativen Ansatz zur Optimierung von Produktionsabläufen. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen eine hohe Leistungsfähigkeit von Verfahren des Reinforcement Learning (RL) in einem breiten Anwendungsspektrum. Im Bereich der Produktionssteuerung haben sich jedoch bisher nur wenige Autoren damit befasst. Eine umfassende Untersuchung verschiedener RL-Ansätze sowie eine Anwendung in der Praxis wurden noch nicht durchgeführt. Unter den Aufgaben der Produktionsplanung und -steuerung gewährleistet die Auftragssteuerung (order dispatching) eine hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Produktionsabläufe, um eine hohe Kapazitätsauslastung und kurze Durchlaufzeiten zu erreichen. Motiviert durch komplexe Werkstattfertigungssysteme, wie sie in der Halbleiterindustrie zu finden sind, schließt diese Arbeit die Forschungslücke und befasst sich mit der Anwendung von RL für eine adaptive Auftragssteuerung. Die Einbeziehung realer Systemdaten ermöglicht eine genauere Erfassung des Systemverhaltens als statische Heuristiken oder mathematische Optimierungsverfahren. Zusätzlich wird der manuelle Aufwand reduziert, indem auf die Inferenzfähigkeiten des RL zurückgegriffen wird. Die vorgestellte Methodik fokussiert die Modellierung und Implementierung von RL-Agenten als Dispatching-Entscheidungseinheit. Bekannte Herausforderungen der RL-Modellierung in Bezug auf Zustand, Aktion und Belohnungsfunktion werden untersucht. Die Modellierungsalternativen werden auf der Grundlage von zwei realen Produktionsszenarien eines Halbleiterherstellers analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass RL-Agenten adaptive Steuerungsstrategien erlernen können und bestehende regelbasierte Benchmarkheuristiken übertreffen. Die Erweiterung der Zustandsrepräsentation verbessert die Leistung deutlich, wenn ein Zusammenhang mit den Belohnungszielen besteht. Die Belohnung kann so gestaltet werden, dass sie die Optimierung mehrerer Zielgrößen ermöglicht. Schließlich erreichen spezifische RL-Agenten-Konfigurationen nicht nur eine hohe Leistung in einem Szenario, sondern weisen eine Robustheit bei sich ändernden Systemeigenschaften auf. Damit stellt die Forschungsarbeit einen wesentlichen Beitrag in Richtung selbstoptimierender und autonomer Produktionssysteme dar. Produktionsingenieure müssen das Potenzial datenbasierter, lernender Verfahren bewerten, um in Bezug auf Flexibilität wettbewerbsfähig zu bleiben und gleichzeitig den Aufwand für den Entwurf, den Betrieb und die Überwachung von Produktionssteuerungssystemen in einem vernünftigen Gleichgewicht zu halten

Data analytics for time constraint adherence prediction in a semiconductor manufacturing use-case

Semiconductor manufacturing represents a challenging industrial environments, where products require more than several hundred operations, each representing the technical state-of-the-art. Products vary greatly in volume, design and required production processes and, additionally, product portfolios and technologies change rapidly. Thus, technologically restricted rapid product development, stringent quality related clean room requirements and high precision manufacturing equipment application enforce operational excellence, in particular time constraints adherence. Product specific time constraints between two or more successive process operations are an industry-specific challenge, as violations lead to additional scrapping or reworking costs. Time constraint adherence is linked to dispatching and currently manually assessed. To overcome this error-prone manual task, this article presents a data-based decision process to predict time constraint adherence in semiconductor manufacturing. Real-world historical data is analyzed and appropriate statistical models and scoring functions derived. Compared to other relevant literature regarding time constraint violations, the central contribution of this article is the design, generation and validation of a model for product quality-related time constraint adherence based on a real-world semiconductor plant

Simulation and optimization techniques applied in semiconductor assembly and test operations

The importance of back-end operations in semiconductor manufacturing has been growing steadily in the face of higher customer expectations and stronger competition in the industry. In order to achieve low cycle times, high throughput, and high utilization while improving due-date performance, more effective tools are needed to support machine setup and lot dispatching decisions. In previous work, the problem of maximizing the weighted throughput of lots undergoing assembly and test (AT), while ensuring that critical lots are given priority, was investigated and a greedy randomized adaptive search procedure (GRASP) developed to find solutions. Optimization techniques have long been used for scheduling manufacturing operations on a daily basis. Solutions provide a prescription for machine setups and job processing over a finite the planning horizon. In contrast, simulation provides more detail but in a normative sense. It tells you how the system will evolve in real time for a given demand, a given set of resources and rules for using them. A simulation model can also accommodate changeovers, initial setups and multi-pass requirements easily. The first part of the research is to show how the results of an optimization model can be integrated with the decisions made within a simulation model. The problem addressed is defined in terms of four hierarchical objectives: minimize the weighted sum of key device shortages, maximize weighted throughput, minimize the number of machines used, and minimize makespan for a given set of lots in queue, and a set of resources that includes machines and tooling. The facility can be viewed as a reentrant flow shop. The basic simulation was written in AutoSched AP (ASAP) and then enhanced with the help of customization features available in the software. Several new dispatch rules were developed. Rule_First_setup is able to initialize the simulation with the setups obtained with the GRASP. Rule_All_setups enables a machine to select the setup provided by the optimization solution whenever a decision is about to be made on which setup to choose subsequent to the initial setup. Rule_Hotlot was also proposed to prioritize the processing of the hot lots that contain key devices. The objective of the second part of the research is to design and implement heuristics within the simulation model to schedule back-end operations in a semiconductor AT facility. Rule_Setupnum lets the machines determine which key device to process according to a machine setup frequency table constructed from the GRASP solution. GRASP_asap embeds a more robust selection features of GRASP in the ASAP model through customization. This allows ASAP to explore a larger portion of the feasible region at each decision point by randomizing machine setups using adaptive probability distributions that are a function of solution quality. Rule_Greedy, which is a simplification of GRASP_asap, always picks the setup for a particular machine that gives the greatest marginal improvement in the objective function among all candidates. The purpose of the third part of the research is to statistically validate the relative effectiveness of our top six dispatch rules by comparing their performance on 30 real and randomly generated data sets. Using both GRASP and our ASAP discrete event simulation model, we have (1) identified the general order of dispatch rule performance, (2) investigated the impact of having setups installed on machines at time zero on rule performance, (3) determined the conditions under which restricting the maximum number of changeover affects the rule performance, and (4) studied the factors that might simultaneously affect rule performance with the help of a common random numbers experimental design. In the analysis, the first two objectives, weighted key device shortages and weighted throughput, are used to measure outcomes.Operations Research and Industrial Engineerin