CN100527378C - 硅片加工过程中的调度方法 - Google Patents

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CN100527378C CNB2006101144693A CN200610114469A CN100527378C CN 100527378 C CN100527378 C CN 100527378C CN B2006101144693 A CNB2006101144693 A CN B2006101144693A CN 200610114469 A CN200610114469 A CN 200610114469A CN 100527378 C CN100527378 C CN 100527378C
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Abstract

本发明公开了一种硅片加工过程中的调度方法,用于调度多个硅片的多个加工工序在硅片加工设备中的进行顺序,该方法以工序为单位进行调度,所述工序指一个工艺任务中的任一个硅片在任一个腔室中的加工步骤,首先对多个工序根据腔室的利用情况进行队列排序,然后按照所述队列依次进行工序加工。进行队列排序时,根据每个工序的腔室准备时间、切换时间、进行完工艺过程后还可以在腔室中闲置的时间及工序的相对紧急程度,运用多分类支持向量机的方法排序。腔室利用率高、工序的平均加工时间短、生产效率高。主要适用于硅片加工设备的加工工序,也可以用于其它设备的加工工序的调度。

Description

硅片加工过程中的调度方法
技术领域
本发明涉及一种生产工艺调度方法,具体涉及一种半导体硅片加工过程中的调度方法。
背景技术
对半导体硅片进行加工需要多道工序,硅片加工设备包含多个对硅片进行加工的腔室,如对硅片进行刻蚀工艺的反应腔室;还包括一个或两个Loadport(片仓),用于存放工艺任务中的硅片;还包括一个传输腔室,传输腔室中设有一个单臂ROBOT(机械手),用于实现硅片从Loadport到腔室之间以及在不同的腔室之间的传输。每个工艺任务包含一个Cassette(硅片盒),Cassette置于Loadport中,每个Cassette中最多有25片硅片,最少有1片硅片。每片硅片最多经过8步工艺步骤,最少1步工艺步骤,因此硅片加工系统中最多存在25×8×2=400个工序,最少存在1*1*1=1个工序,这里的工序是指一片硅片的一个工艺步骤。
硅片加工过程中,机械手从Cassette中依次取片,经过传输腔室,将硅片按照定义传入每步工艺步骤对应的反应腔室,进行刻蚀工艺处理或其它加工工艺。在这个过程中,上述的传输腔室由TMC(传输控制系统)控制,反应腔室由PMC(工艺模块控制系统)控制,CTC(集群设备控制系统)对PMC和TMC进行统一的调度和控制。
目前,一般情况是当前正在加工的硅片的所有工艺步骤完成后,再传入下一片,也就是说,是以硅片为单位进行调度的。这样就存在腔室空闲的情况,腔室利用率较低,工序的平均加工时间较长,生产效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种腔室利用率高、工序的平均加工时间短、生产效率高的硅片加工过程中的调度方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
本发明的硅片加工过程中的调度方法,用于调度多个硅片的多个加工工序在硅片加工设备中的进行顺序,所述硅片加工设备包括片仓、传输装置和多个腔室,所述硅片在腔室中进行加工,所述传输装置用于在片仓与腔室之间及多个腔室相互之间传输硅片,该方法以工序为单位进行调度,所述工序指一个工艺任务中的任一个硅片在任一个腔室中的加工步骤,首先对多个工序根据腔室的利用情况进行队列排序,然后按照所述队列依次进行工序加工。
对多个工序进行队列排序时包括以下步骤:
A、比较每个工序的腔室准备时间,选择腔室准备时间最小的工序Zi,j排在队列的第一位,其中Zi,j指第i片硅片的第j步工序,所述腔室准备时间指前一工序进行完毕后,进行下一工序之前腔室需准备的时间;
B、比较进行完工序Zi,j后进行其它工序所需的切换时间,选择切换时间最小的工序Zi′j′排列在第二位,其中Zi′j′指第i′片硅片的第j′步工序,所述切换时间指前一工序进行完毕后,进行下一工序时,硅片由片仓或一个腔室转入另一个腔室的时间;
C、比较进行完工序Zi′j′后进行其它工序所需的切换时间,选择切换时间最小的工序排列在第三位;并依次类推,将所有待进行的工序排序完毕。
所述步骤C之后,还包括以下步骤:
D、计算队列中每一个工序Zi,j的m(Zi,j)和s(Zi,j),
所述m(Zi,j)=γii,j-ti,j:第i片硅片在第j步还可以等待的最长时间,指第i片硅片在第j步时,进行完工艺过程后还可以在腔室中闲置的最长时间;
所述s(Zi,j)=σ-ξi,j:第i片硅片在第j步的相对紧急程度;
其中,ti,j:第i片硅片在第j步已进入腔室的时间;
ξi,j:第i片硅片在第j步时还需要的剩余加工时间;
γi:第i片硅片可以在每一步所花费的最长时间,此数据由工艺人员确定;
σ:工艺任务全部完成还需要的剩余时间。
E、根据队列中每一个工序Zi,j的m(Zi,j)和s(Zi,j)的值,按照m(Zi,j)越小该工序越需先进行,且s(Zi,j)越小该工序越需先进行的原则,重新安排工序Zi′j′在队列中的位置d(Zi,j);
之后,从工序Zi′j′开始,对后面的工序依次进行步骤A、B、C,重新排序;
F、当硅片从片仓中首次进入腔室进行一个工序时,根据各工序的切换时间及m(Zi,j)和s(Zi,j)确定该工序在队列中的具体位置。
所述步骤E和/或F中,确定工序Zi′j′在队列中的位置d(Zi,j)时,运用多分类支持向量机的方法确定。
运用多分类支持向量机的方法确定工序Zi′j′在队列中的位置d(Zi,j)时,具体包括步骤:
E1、将所有的m(Zi,j)按从小到大排序,
Figure C200610114469D00061
E2、将所有的s(Zi,j)按从小到大排序,
Figure C200610114469D00062
E3、将Ki,j和Ri,j作为二维向量(Ki,j,Ri,j)输入多分类支持向量机,由多分类支持向量机输出结果d(Zi,j)。
对多个工序进行队列排序后,间隔预定的时间对多个工序重新进行队列排序。
所述一个工艺任务包含1~400个工序。
由上述本发明提供的技术方案可以看出,本发明所述的硅片加工过程中的调度方法,由于首先对多个硅片的多个工序根据腔室的利用情况进行队列排序,然后按照所述队列依次进行工序加工。以工序为单位进行调度可以避免以硅片以硅片为单位进行调度造成的腔室空闲,腔室利用率高、工序的平均加工时间短、生产效率高。
又由于进行队列排序时,根据每个工序的腔室准备时间、切换时间、进行完工艺过程后还可以在腔室中闲置的时间及工序的相对紧急程度,运用多分类支持向量机的方法排序,排序合理、计算方便。
主要适用于硅片加工设备的加工工序,也可以用于其它设备的加工工序的调度。
附图说明
图1为硅片加工设备的平面布置示意图;
图2为支持向量机中中最优分类面示意图;
图3为支持向量机中中线性不可分的样空间;
图4为图3经过非线性映射后成为线性可分的新空间;
图5为层次结构的多分类支持向量机分类方式示意图。
具体实施方式
本发明硅片加工过程中的调度方法,用于调度多个硅片的多个加工工序在硅片加工设备中的进行顺序,也可以用于其它设备的加工工序的调度。
如图1所示,所述硅片加工设备包括片仓、传输装置和多个腔室,所述硅片在腔室中进行加工,所述传输装置包括机械手,用于在片仓与腔室之间及多个腔室相互之间传输硅片,片仓用于存放工艺任务中的硅片。
其较佳的具体实施方式是,以工序为单位进行调度,所述工序指一个工艺任务中的任一个硅片在任一个腔室中的加工步骤,首先对多个工序根据腔室的利用情况进行队列排序,然后按照所述队列依次进行工序加工。一个工艺任务一般包含1~400个工序,也可以更多。
现在假设有n片硅片等待处理,第i片硅片有Pi个工艺步骤,则共有
Figure C200610114469D00081
个工艺步骤(工序)。硅片在每个腔室中的加工时间根据硅片的工艺步骤不同而不同,而工艺步骤之间的切换时间则依赖于传输装置的相关参数和集簇设备调度系统的调度策略。衡量集簇设备生产效率的因素主要有以下两个:
制造周期(Cycle-Time):工艺任务进入集簇设备到离开集簇设备的总时间,也就是从工艺任务中所包含的任一硅片进入集簇设备到工艺任务中所包含的所有硅片离开集簇设备的时间。
腔室利用率(utilization):在制造周期内,腔室处于加工状态的时间占总时间的比例。
采用本发明对硅片加工过程中进行调度可以提高腔室利用率、缩短制造周期,提高生产率。
对多个工序进行队列排序时包括以下步骤:
步骤11、比较每个工序的腔室准备时间,选择腔室准备时间最小的工序Zi,j排在队列的第一位,其中Zi,j指第i片硅片的第j步工序,所述腔室准备时间指前一工序进行完毕后,进行下一工序之前腔室需准备的时间;
步骤12、比较进行完工序Zi,j后进行其它工序所需的切换时间,选择切换时间最小的工序Zi′j′排列在第二位,其中Zi′j′指第i′片硅片的第j′步工序,所述切换时间指前一工序进行完毕后,进行下一工序时,硅片由片仓或一个腔室转入另一个腔室的时间;
步骤13、比较进行完工序Zi′j′后进行其它工序所需的切换时间,选择切换时间最小的工序排列在第三位;并依次类推,将所有待进行的工序排序完毕。
进行完步骤13之后,根据需要还可以进行以下步骤:
步骤14、计算队列中每一个工序Zi,j的m(Zi,j)和s(Zi,j),
所述m(Zi,j)=γii,j-ti,j:第i片硅片在第j步还可以等待的最长时间,指第i片硅片在第j步时,进行完工艺过程后还可以在腔室中闲置的最长时间,m(Zi,j)越小越需要优先处理该步工序;
所述s(Zi,j)=σ-ξi,j:第i片硅片在第j步的相对紧急程度,s(Zi,j)越小越紧急,越需要优先处理该步工序;
其中,ti,j:第i片硅片在第j步已进入腔室的时间;
ξi,j:第i片硅片在第j步时还需要的剩余加工时间;
γi:第i片硅片可以在每一步所花费的最长时间,此数据由工艺人员确定;
σ:工艺任务全部完成还需要的剩余时间。
步骤16、根据队列中每一个工序Zi,j的m(Zi,j)和s(Zi,j)的值,按照m(Zi,j)越小该工序越需先进行,且s(Zi,j)越小该工序越需先进行的原则,重新安排工序Zi′j′在队列中的位置d(Zi,j);
之后,从工序Zi′j′开始,对后面的工序依次进行步骤A、B、C,重新排序。
步骤17、当硅片从片仓中首次进入腔室进行一个工序时,根据各工序的切换时间及m(Zi,j)和s(Zi,j)确定该工序在队列中的具体位置。
进行步骤16和步骤17时,确定工序Zi′j′在队列中的位置d(Zi,j)时,运用多分类支持向量机的方法确定。
具体包括步骤:
步骤21、将所有的m(Zi,j)按从小到大排序,
Figure C200610114469D00091
步骤22、将所有的s(Zi,j)按从小到大排序,
Figure C200610114469D00092
步骤23、将Ki,j和Ri,j作为二维向量(Ki,j,Ri,j)输入多分类支持向量机,由多分类支持向量机输出结果d(Zi,j)。
由于ti,j会随着工序在队列中等待时间的加长而增大,m(Zi,j)随之改变,因而每隔一段时间要对队列重新进行排序。
本发明的队列排序中运用多分类支持向量机的方法:
支持向量机(Support Vector Machines,简称SVM方法)是实现统计学习理论的一种具体方法,它是统计学习理论中最年轻的部分,其主要内容在1992年-1995年间才基本完成,目前仍处在不断发展阶段。可以说,统计学习理论之所以从20世纪90年代以来受到越来越多的重视,很大程度上是因为它发展出了支持向量机这一通用学习方法。因为从某种意义上它可以表示成类似神经网络的形式,支持向量机起初也叫支持向量网络。
下面对支持向量机方法做简单的介绍:
支持向量机是从线性可分情况下的最优分类面(Optimal Hyperplane)提出的。
如图2所示,二维两类线性可分情况,图中的两类点分别表示两类训练样本,H为把两类没有错误分开的分类线,H1,H2分别为过各类样本中离分类线最近的点且平行于分类线的直线,H1和H2之间的距离叫做两类的分类空隙或分类间隔(margin)。所谓最优分类线就是要求分类线不但能将两类无错误地分开,而且要使两类的分类空隙最大。前者保证经验风险最小,而分类空隙最大实际上就是使置信范围最小,从而使真实风险最小。
设线性可分样本为(xi,yi),i=1,...,n,x∈Rd,y∈{+1,-1}是类别标号。d维空间中线性判别函数的一般形式为g(x)=w·x+b,分类面方程为:
w·x+b=0   (1-1)
将判别函数归一化,使两类所有样本都满足g(x)≥1,这样,离分离面最近的样本的|g(x)|=1,这样分类间隔就等于2/‖w‖,因此间隔最大等价于使‖ω‖(或‖ω‖2)最小;而要求分类线对所有样本正确分类,就是要求它满足
yi[(w·xi)+b]-1≥0   i=1,2,...,n   (1-2)
因此,满足上述条件且使‖ω‖2最小的分类面就是最优分类面。过两类样本中离分类面最近的点且平行于最优分类面的超平面H1、H2上的训练样本就是式(1-2)中使等号成立的那些样本,它们叫做支持向量(SupportVectors)。因为它们支撑了最优分类面,最优分类面的示意图如图2所示,图中用圆圈标出的点为支持向量。
最优分类面的问题可以表示成如下的约束优化问题,求函数
φ ( w ) = 1 2 | | w | | 2 = 1 2 ( w · w ) - - - ( 1 - 3 )
的最小值。为此,定义如下拉各朗日函数:
L ( w , b , α ) = 1 2 ( w · w ) - Σ i = 1 n α i { y i [ ( w · x i ) + b ] - 1 } - - - ( 1 - 4 )
其中,αi>0为拉各朗日系数,对w和b求拉各朗日函数的极小值。
把式(1-4)分别对w和b求偏微分并令它们等于0,就可以把原问题转化为如下这种较简单的对偶问题:在约束条件
Σ i = 1 n y i α i = 0 - - - ( 1 - 5 a )
αi>0,i=1,...,n   (1-5b)
之下对αi求解下列函数的最大值:
Q ( α ) = Σ i = 1 n α i - 1 2 Σ i , j = 1 n α i α j y i y j ( x i · x j ) . - - - ( 1 - 6 )
Figure C200610114469D0011104047QIETU
为最优解,则
w * = Σ i = 1 n α i * y i x i - - - ( 1 - 7 )
即最优分类面的权系数向量是训练样本向量的线性组合。
这是一个不等式约束下的二次函数极值问题,存在唯一解。且根据Kühn-Tucker条件,这个优化问题的解须满足
αi(yi(w·xi+b)-1)=0   (1-8)
因此,对多数样本
Figure C200610114469D0011104047QIETU
将为零,取值不为零的
Figure C200610114469D0011104047QIETU
对应于使式(1-2)等号成立的样本即支持向量,它们通常只是全体样本中的很少一部分。
求解上述问题后得到的最优分类函数是
f ( x ) = sgn { ( w * · x ) + b * } = sgn { Σ i = 1 n α i * y i ( x i · x ) + b * } - - - ( 1 - 9 )
由于非支持向量对应的
Figure C200610114469D0011104047QIETU
均为零,因此式中的求和实际上只对支持向量进行。而b*是分类的阈值,可以由任意一个支持向量用式(1-2)求得,或通过两类中任意一对支持向量取中值求得。
上面讨论的最优分类面仅限于样本线性可分的情况,分类函数(1-9)中只包括待分样本与训练样本中的支持向量的内积运算(x·xi),同样,它的求解过程式(1-5)~(1-7)也只涉及训练样本之间的内积运算(xi·xj),可见,要解决一个特征空间的最优线性分类问题,只要知道该空间的内积运算即可。
如果问题定义的空间不是线性可分的,则必须通过非线性变换来解决这些样本的分类问题。于是,定义非线性变换Φ:Rd→F,将原空间Rd映射到另一个高维空间F,将原空间的向量x=[x1,x2,...,xd]映射成新空间的向量Φ(x)=[Φ1(x),Φ2(x),...,ΦN(x)],使经过映射之后的样本在新的高维空间中变得线性可分,并在空间F中求最优分类面。经过映射之后,内积运算变成如下形式Φ(x)·Φ(xi)。此时的优化函数(1-6)变为
Q ( α ) = Σ i = 1 n α i - 1 2 Σ i , j = 1 n α i α j y i y j Φ ( x i ) · Φ ( x j ) - - - ( 1 - 10 )
相应的判别函数(1-9)变为
f ( x ) = sgn ( Σ i = 1 n α i * y i Φ ( x i ) · Φ ( x ) + b * ) - - - ( 1 - 17 )
非线性映射的理论基础是Cover关于样本可分性的理论,该理论指出,一个线性不可分多维样本空间可以映射到一个全新的线性可分的高维空间进行处理。这种映射必须满足两个条件,首先,映射是非线性的;其次,特征空间的维数必须相当高。这种非线性变换可以解决实际操作中的高维空间计算问题,可以使某些高维映射的内积运算变得简单。
如图3、图4所示,为非线性映射示意图,其中,图3为线性不可分的样空间;图4为经过非线性映射后成为线性可分的新空间
根据泛函理论中的Hilbert-Schmidt原理,只要一种核函数K(x,y)满足Mercer条件,它就对应某一变换空间的内积,核函数的定义如下:
K(x,y)=Φ(x)·Φ(y)(1-12)
这样的话,只要选择合适的核函数,然后用内积函数代替分类函数中的内积,就构成了支持向量机。其建立过程不考虑非线性映射的具体形式,而只需进行核函数的计算。
f ( x ) = sgn ( Σ i = 1 n α i * y i K ( x i · x ) + b * ) - - - ( 1 - 13 )
支持向量机求得的分类函数形式上类似于一个神经网络,其输出是若干中间层节点的线性组合,而每个中间层节点对应于输入样本与一个支持向量的内积(非线性样本可用核函数代替)。由于最终的判别函数实际只包含支持向量的内积和求和,因此识别时的计算复杂度取决于支持向量的个数。
核函数有多种形式,现列出常用的几种:
K(x,y)=(x·y+1)q              (1-14)
K ( x , y ) = e - | | x - y | | 2 / 2 σ 2 - - - ( 1 - 15 )
K(x,y)=tanh(κx·y-δ)           (1-16)
统计学习理论和支持向量机的算法之所以从20世纪90年代以来受到很大的重视,在于它们对有限样本情况下模式识别中的一些根本性的问题进行了系统的理论研究,并且在此基础上建立了一种较好的通用学习算法。以往很多困扰机器学习方法的问题,在这里都得到了一定程度的解决。而且,很多的传统的机器学习方法都可以看作是支持向量机的一种实现,因而统计学习理论和支持向量机被很多人看作研究机器学习问题的一个基本框架。
本发明应用的多分类支持向量机是:
SVM本来是针对两类分类问题的,并没有考虑到多类分类问题,本发明采用层次策略来解决这个问题。
这种方法对N分类问题构建若干个支持向量机,但是它们之间不是平行的关系,而是有层次地连接成一个有向无环图的结构。分类的结果要按照这个图经过若干个支持向量机的判别得到。
如图5所示,是层次结构的多分类支持向量机的一个例子。图中的每一个字母(A、B、C、D、E、F)代表的就是在本发明的方案中的一个二维向量(Ki,j,Ri,j)。图代表的意思是,首先将样本分为前和后(排序对列中的序号)两部分,然后又在每一部分中再依次划分,直到每个向量被单独分离出来(如图最后一行),图中最后一行从左至右就是代表的各个二维向量(Ki,j,Ri,j)的排列顺序。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种硅片加工过程中的调度方法,用于调度多个硅片的多个加工工序在硅片加工设备中的进行顺序,所述硅片加工设备包括片仓、传输装置和多个腔室,所述硅片在腔室中进行加工,所述传输装置用于在片仓与腔室之间及多个腔室相互之间传输硅片,其特征在于,该方法以工序为单位进行调度,所述工序指一个工艺任务中的任一个硅片在任一个腔室中的加工步骤,首先对多个工序根据腔室的利用情况进行队列排序,然后按照所述队列依次进行工序加工;对多个工序进行队列排序时包括以下步骤:
A、比较每个工序的腔室准备时间,选择腔室准备时间最小的工序zi,j排在队列的第一位,其中Zi,j指第i片硅片的第j步工序,所述腔室准备时间指前一工序进行完毕后,进行下一工序之前腔室需准备的时间;
B、比较进行完工序Zi,j后进行其它工序所需的切换时间,选择切换时间最小的工序Zi,j排列在第二位,其中Zi,j指第i′片硅片的第j′步工序,所述切换时间指前一工序进行完毕后,进行下一工序时,硅片由片仓或一个腔室转入另一个腔室的时间;
C、比较进行完工序Zi,j后进行其它工序所需的切换时间,选择切换时间最小的工序排列在第三位;并依次类推,将所有待进行的工序排序完毕。
2、根据权利要求1所述的硅片加工过程中的调度方法,其特征在于,所述步骤C之后,还包括以下步骤:
D、计算队列中每一个工序Zi,j的m(Zi,j)和s(Zi,j),
所述m(Zi,j)=γii,j-ti,j:第i片硅片在第j步还可以等待的最长时间,指第i片硅片在第j步时,进行完工艺过程后还可以在腔室中闲置的最长时间;
所述s(Zi,j)=σ-ξi,j:第i片硅片在第j步的相对紧急程度;
其中,ti,j:第i片硅片在第j步已进入腔室的时间;
ξi,j:第i片硅片在第j步时还需要的剩余加工时间;
γi:第i片硅片可以在每一步所花费的最长时间,此数据由工艺人员确定;
σ:工艺任务全部完成还需要的剩余时间。
E、根据队列中每一个工序Zi,j的m(Zi,j)和s(Zi,j)的值,按照m(Zi,j)越小该工序越需先进行,且s(Zi,j)越小该工序越需先进行的原则,重新安排工序Zi,j在队列中的位置;
之后,从工序Zi,j开始,对后面的工序依次进行步骤A、B、C,重新排序;
F、当硅片从片仓中首次进入腔室进行一个工序时,根据各工序的切换时间及m(Zi,j)和s(Zi,j)确定该工序在队列中的具体位置。
3、根据权利要求2所述的硅片加工过程中的调度方法,其特征在于,所述步骤E和/或F中,确定工序Zi,j在队列中的位置时,运用多分类支持向量机的方法确定。
4、根据权利要求2所述的硅片加工过程中的调度方法,其特征在于,运用多分类支持向量机的方法确定工序Zi,j在队列中的位置时,具体包括步骤:
E1、将所有的m(Zi,j)按从小到大排序,
Figure C200610114469C00031
E2、将所有的s(Zi,j)按从小到大排序,
Figure C200610114469C00032
E3、将Ki,j和Ri,j作为二维向量(Ki,j,Ri,j)输入多分类支持向量机,由多分类支持向量机输出结果。
5、根据权利要求1至4任一项所述的硅片加工过程中的调度方法,其特征在于,对多个工序进行队列排序后,间隔预定的时间对多个工序重新进行队列排序。
6、根据权利要求1至4任一项所述的硅片加工过程中的调度方法,其特征在于,所述一个工艺任务包含1~400个工序。
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