第六届集创赛——北方华创杯

北方华创杯

一、杯赛题目：半导体设备的智能调度系统

二、参赛组别：A组、B组

三、赛题背景：

半导体设备作为半导体芯片加工厂的微小单元，承担了芯片制造过程中的多个重要环节。半导体设备产能的高低直接影响芯片加工厂的效益，而高效稳定的调度系统是保证最优产能的前提。由于设备内的加工存在诸多步骤和约束，从而导致了设备调度系统的设计十分复杂。与此同时，由于设备内对晶圆的调度要求实时进行，因此对系统的计算速度有着较高要求。

在众多半导体设备中，集束型设备（Cluster Tool）是具有代表性的一类设备。根据国际半导体产业协会SEMI的E21-96标准：该类设备由加工模块(Processing Module，PM)、校准模块(Aligner，AL)、冷却模块(Cool，CL)、真空锁(Load lock，LL)和搬运模块(Transfer Module，TM)构成，晶圆经过设备内各个模块以完成指定工艺。本题基于集束型设备，以此对半导体设备的智能调度系统开展研究。

*建议：建议对相关学术成果及业界信息进行调研，有助于加深赛题理解。

四、赛题描述

1. 问题一

1) 集束型设备A内部各模块说明

图2-1 集束型设备A

集束型设备A内部包括校准模块、加工模块、搬运模块等，集束型设备A如图2-1所示，各模块详细含义如下所示：

（1）LP1、LP2、LP3（Load Port）：装卸位，每个LP可以放置一个晶圆盒。一个晶圆盒有25个槽位，每个槽位可以存储一片晶圆。

（2）TM1（Transfer Module）：单臂机械手，可以抓取一片晶圆，TM1负责在LP1、LP2、LP3、AL、LLA、LLB间搬运晶圆，TM1取晶圆与放晶圆的时间均为5s，TM1有载或空载移动时间保持一致，设备内其他机械手也是如此，TM1在不同模块间的移动时间见附表4。TM1的初始位置详见附表5。

（3）AL（Aligner）：校准模块，有一个槽位，可放置一片晶圆做校准操作，每次校准需要10s。

（4）LLA、LLB（Load Lock，LL）：真空锁，每个LL有两个槽位（S1与S2），每个槽位可以放置一片晶圆，机械手只要到达LLA或LLB就可以与S1、S2进行交互。LLA与LLB可在大气状态与真空状态间转换，当LLA或LLB状态转换为大气状态，TM1才能将晶圆送入LL或将LL处的晶圆取走，当LLA或LLB状态转换为真空状态，TM2才能将晶圆送入LL或将LL处的晶圆取走。LLA与LLB从大气转换为真空状态需要15s，从真空转换为大气状态需要20s，LL一旦开始状态转换必须转换为对应状态。LLA与LLB初始状态见附表5。

（5）TM2（Transfer Module）：双臂机械手，两个手臂（R1与R2）方向呈180°且固定不变，每个手臂可以抓取一片晶圆，两手臂不能同时做取放晶圆的操作。TM2负责在LLA、LLB、PM1~6间搬运晶圆，LLA、LLB、PM1~6组成一个正八边形，TM2在相邻两个模块间移动的时间相同，TM2从某一模块出发绕行一周的时间为3.2s。TM2取晶圆与放晶圆的时间均为5s。此外，TM2的一个手臂指向某个模块时，另一个手臂刚好可以指向另外一个模块，对应关系详见附表1。TM2的初始位置详见附表5。

（6）PM1~6（Processing Module）：加工模块，每个PM有一个槽位，可放置一片晶圆加工。

2) 物料（晶圆）说明

集束型设备A加工的物料是晶圆片，晶圆盒用来存储晶圆，一般情况下，晶圆盒有25个槽位，每个槽位可以存储一片晶圆。

外部将装有晶圆的晶圆盒放在LP上，晶圆经过加工并最终全部回到晶圆盒的起始槽位，而后外部再将LP上的晶圆盒取走。

当未完成加工的晶圆都离开当前晶圆盒后，下一个晶圆盒内的晶圆才能被调度。

3) 工艺与操作说明

（1）校准

晶圆加工前须放置在AL处做校准，校准所需时间为10s，晶圆完成校准后才能被取走。

（2）加工

晶圆按照其加工工艺路径依次在PM中进行加工。

（3）冷却

晶圆完成加工后，需要到LL处进行冷却，晶圆完成冷却后才能被取走。

结合集束型设备A的物理规则和约束，请你们团队建立数学模型，设计调度算法，进而求解最优调度方案，并分析算法的有效性和复杂度，完成问题一：

现有编号为1，2，3的三个装满25片晶圆的晶圆盒分别停在LP1、LP2、LP3上，晶圆信息见附表2。依次对三个晶圆盒内的晶圆进行加工，要求晶圆只能从LLA或LLB的S2进加工区，从S1出加工区。

请结合附表3工艺路径及其他参数，计算出工艺路径全为A与工艺路径全为B的产能最优的调度方案，给出每个晶圆盒下每片晶圆在各个模块的起止运行时间，以及晶圆完成加工后在PM中的停留时间。另外，请分别以附表3中路径A和路径B为例，测算出单位时间（1h）最优产能，测算时可假设有N个LP，每个LP上放有一个装满晶圆的晶圆盒。

注：尽可能以图表形式展示提高结果可读性。

2. 问题二

1) 集束型设备B内部各模块说明

图2-2 集束型设备B

集束型设备B结构如图2-2所示，其与集束型设备A相类似，集束型设备B与集束型设备A相同模块不再赘述，其余模块含义如下所示：

（1）LLC、LLD（Load Lock，LL）：LLC与LLD有一个槽位，可以放置一片晶圆，LLC与LLD不存在状态转换。

（2）TM2和TM3（Transfer Module）：双臂机械手，两个手臂（R1与R2）方向呈180°且固定不变，每个手臂可以抓取一片晶圆，两手臂不能同时做取放晶圆的操作。TM2负责在LLA、LLB、LLC、LLD、PM7~10间搬运晶圆，LLA、LLB、LLC、LLD、PM7~10组成一个正八边形，TM2在相邻两个模块间移动的时间相同，TM2从某一模块出发绕行一周的时间为3.2s。TM3负责在LLC、LLD、PM1~6间搬运晶圆，LLC、LLD、PM1~6组成一个正八边形，TM3在相邻两个模块间移动的时间相同，TM3从某一模块出发绕行一周的时间为3.2s。TM2和TM3取晶圆与放晶圆的时间均为5s。此外，TM2和TM3的一个手臂指向某个模块时，另一个手臂刚好可以指向另外一个模块，对应关系详见附表1。TM2与TM3的初始位置详见附表5。

（3）PM1~10（Processing Module）：加工模块，每个PM有一个槽位，可放置一片晶圆加工。

2) 物料（晶圆）说明

与问题一保持一致。

3) 工艺与操作说明

与问题一保持一致。

结合集束型设备B的物理规则和约束，请你们团队建立数学模型，设计调度算法，进而求解最优调度方案，并分析算法的有效性和复杂度，完成问题二：

现有编号为4，5，6的三个装满25片晶圆的晶圆盒分别停在LP1、LP2、LP3上，晶圆信息见附表2。依次对三个晶圆盒内的晶圆进行加工，要求晶圆只能从LLA或LLB的S2进加工区，从S1出加工区。如果晶圆需要在PM4或PM5加工，则该晶圆在PM4或PM5完成加工并送入下一模块的时间不得超过25s。此外，由于晶圆加工会导致PM环境污染，因此需要对PM进行清洁。一个PM每加工完15片晶圆就需要清洁300s，进行清洁时PM中不能有晶圆。

请结合附表3的工艺路径及其他参数，计算出产能最优的调度方案，并给出每个晶圆盒下每片晶圆在各个模块的起止运行时间，每个PM进行清洁的起止时间，以及晶圆完成加工后在PM中的停留时间。另外，请分别以附表3中路径C、路径D和路径E为例，测算出单位时间（1h）最优产能，测算时可假设有N个LP，每个LP上放有一个装满晶圆的晶圆盒。

注：尽可能以图表形式展示提高结果可读性。

附录

附表1 TM手臂指向对应关系

附表2 晶圆信息

注：晶圆编号与其所在晶圆盒槽位保持一致

附表3 工艺路径及时间

附表4 TM1移动时间（秒）

附表5 不同模块的初始状态或位置

五、作品提交要求

1. 完整的建模报告Word

包括但不限于问题理解、研究现状综述、数学模型、算法设计、求解结果、算法性能分析。

2. 提供项目源代码

包括程序运行的环境说明、完整的项目源代码。

3. 作品PPT

团队介绍、项目介绍、解决问题思路介绍、模型算法介绍、求解结果与效率评价、待改进项。

六、评分准则

（请参赛团队务必添加所报名杯赛的答疑群中，以便及时获取杯赛最新通知及进展，群号码及入群方式：点击查看）