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