Modellbasiertes Verfahren zur Online-Leistungsbewertung von automatisierten Transportsystemen in der Halbleiterfertigung

Abstract

In Halbleiterfabriken ist derzeit eine Zunahme des automatisierten Lostransports zu Fertigungsgeräten und zwischen Fertigungsbereichen zu verzeichnen. Hierfür kommen reinraumtaugliche Deckenfördersysteme zum Einsatz, welche Fertigungslose über mehrstufige Transport-, Lager und Umhordeprozesse unter Berücksichtigung unterschiedlicher Reinheitsklassen befördern. Beim automatisierten Transport werden hohe Anforderungen an ein stabiles Durchsatz- und Lieferzeitverhalten gestellt. Dies erfordert im turbulenten Umfeld der Halbleiterfertigung mit sich verkürzenden Technologielebenszyklen und stark schwankenden Auftragsvolumina pro Halbleiterprodukt eine kontinuierliche Anpassung der Transportsysteme an sich lokal verändernde Transportintensitäten. Vor diesem Hintergrund gewinnt eine adaptive und kontinuierliche Leistungsbewertung von Transportprozessen zunehmend an Bedeutung. Eine sofortige Engpassdetektion im Transportprozess ist somit zwingend erforderlich, was durch ein modellbasiertes Verfahren zur Online-Leistungsbewertung möglich wird. Die heutige Situation in Halbleiterfabriken zeigt, dass keine kontinuierliche Extraktion von Leistungsdaten der mehrstufigen Transportprozesse erfolgt. Ebenso ist eine Bewertung für verschiedene Gruppierungsebenen von Transportsystemkomponenten aufgrund fehlender Zeit- und Ortsdaten zu den Transportprozessen derzeit nicht realisierbar. In der Halbleiterfertigung ist daher eine durchgängige Online-Leistungsbewertung nicht bekannt. Ansätze zur Leistungsbewertung von Materialfluss , Logistik oder Transportprozessen aus anderen Bereichen durch direkte oder indirekte Leistungsmessung erfüllen auch nicht die Kernanforderungen hinsichtlich einer frei konfigurierbaren und adaptiven Online-Erfassung von Zeit- und Ortsdaten zur lückenlosen Verfolgung von mehrstufigen Transportprozessen. Hauptbestandteil dieser Arbeit ist die Konzeption und Entwicklung eines modellbasierten Verfahrens zur Online-Leistungsbewertung von automatisierten Transportsystemen in Halbleiterfabriken. Im Kern der vorliegenden Dissertation steht die Erarbeitung eines Datenextraktionsmodells, welches eine Verfolgung von mehrstufigen Transportprozessen ermöglichen soll. Dafür werden aus den Kommunikationsereignissen der Transport- und Materialflusssteuerung die relevanten Zeit- und Ortsdaten der Transportprozesse online extrahiert sowie in ein Datenhaltungsmodell überführt. Ebenso werden Konfigurationsparameter der Transportsysteme online erfasst und im Datenhaltungsmodell abgelegt. Die Leistungsbewertung erfolgt in einem weiteren Modell basierend auf den extrahierten Leistungsdaten durch die Berechnung von zu entwickelnden Leistungskennzahlen auf unterschiedlichen Verdichtungsstufen von Einzelkomponenten bis zum Gesamtsystem der Transportautomatisierung. Zum Nachweis der Anwendbarkeit wurde das entwickelte modellbasierte Verfahren in die Steuerungsarchitektur einer Halbleiterfertigung integriert. Die Untersuchung hat gezeigt, dass durch das modellbasierte Verfahren eine operative Online-Leistungsbewertung der mehrstufigen Transportprozesse ermöglicht wurde. Durch Kennzahlen des Liefer-, Transport- und Auslastungsverhaltens über mehrstufige Transportprozesse konnte eine effiziente und schnelle Engpassdetektion am Transportsystem erreicht werden.

The analysis of the automated material handling systems (AMHS) performance in semiconductor manufacturing requires the extraction of time and location data of transportation processes simultaneously carried out. Furthermore, the variable number of transportation steps and a flexible grouping of source and destination locations as well as AMHS components are to be considered. The state-of-the-art analysis shows that so far no applicable method is known for the online data extraction and performance measurement of multi stage transportation processes that covers the specific requirements of material transportation in semiconductor manufacturing facilities. Existing approaches can be grouped in methods with direct or indirect measurement of performance data. The investigations lead to the conclusion that existing approaches in the area of performance measurement do neither consider the issue of missing data points due to failed transportation components nor the simultaneous tracking of multi stage transportation processes. Furthermore, the lack of free configurability of event based data extraction methods is seen. The approach for online data extraction and measurement developed here is based on a three model structure. The first model includes the performance evaluation metrics grouped on three levels. These levels summarize characteristic measures with regard to delivery performance, throughput performance and AMHS utilization performance. This model is fed by the second model which contains a data base for the storage of all extracted measures and the configuration of the AMHS. Finally, the third model is responsible for the data extraction of time and location data based on control communication events which are exchanged by the distributed controller units of the AMHS control software components. The fundamental gaps in existing approaches for online performance measurement and evaluation of AMHS can be closed by the developed model for the online data extraction. The data extraction process is based on the communication events exchanged between the distributed AMHS controller units. An object-oriented tracking of moving carriers and AMHS components is realized by the application of finite state machine technology within the data extraction model. The free configurable state machines allow for a flexible data extraction of relevant timestamps and location data in order to record the relevant information for the performance evaluation of the simultaneously running multi stage transportation processes. A functional library was developed for the user-friendly configuration of the input and output operations of the state machines. The object oriented approach for the event data extraction enables the storage of relevant location and timestamp data in software objects and its specified attributes. During the extraction process for each multi stage transportation process in the real world of the AMHS, a software object is generated and stores the extracted data in its attributes. As soon as the transportation process is completed, the recorded data of each software object is stored in a relational data base. The developed data table structure is built in such ways that the metrics for the online performance evaluation of the transportation processes can be calculated efficiently and without time consuming search operations in the data base. The here developed three model approach and the online performance measurement approach was tested in a real wafer fab manufacturing environment. By the integration of the three models in the manufacturing environment, a continuous online performance evaluation process was realized. The critical components of the AMHS could be identified easily and consequently the root cause of traffic congestion and bottlenecks are detectable. The systematic approach of the performance evaluation model ensures the evaluation of the global impact of local AMHS component configurations. Based on the approach for continuous performance data extraction and measurement developed here further research work is seen with regard to adaptive closed loop control mechanisms for a self configuration management of the automated transportation system. The online data extraction process which was developed in this thesis could also be used for a permanent self calibration and autonomous adaptation of planning models of automated transportation systems. Finally, the online data extraction method of the transport behaviour which was developed in this thesis could provide accurate data for a better and more accurate lot scheduling for the costly semiconductor process equipment. Nowadays, the transportation delay time is considered inaccurately and in a static manner for the lot scheduling at process equipment. Therefore, future research activities should focus on the evaluation of better lot scheduling under consideration of more accurate and up-to-date transport delay times to the particular destination locations in semiconductor fabs. This could lead to better utilization of bottleneck equipment and a higher throughput at critical process steps in the semiconductor manufacturing process.