Automated transport in semiconductor manufacturing systems: Novel approaches for tactical and operational management
Transport automatisé dans les systèmes de fabrication de semi-conducteurs : nouvelles approches de gestion tactique et opérationnelle
Résumé
Semiconductor manufacturing is one of the most complex production processes. This is in fact a high-tech environment characterised by huge fixed costs for the required machinery, equipment and tooling. In order to achieve a satisfactory level of return on shareholders' equity, wafer fabrication facilities (fabs) are usually run to obtain short cycle times, low work-in-process inventory levels, and high equipment utilisation rates. In modern wafer fabs, an Automated Material Handling System (AMHS) is mandatory in order to satisfy ergonomic constraints and productivity objectives. Although the AMHS has a very important role in wafer fabs, it has been little studied in the literature from an operational point of view (i.e. vehicle positioning and dispatching strategies). Existing works consider the AMHS as an isolated system and do not study the impact of the variability generated in the rest of the fab. Because of the complexity of the wafer fabrication process, traditional methodologies have used discrete-event simulation approaches.The objective of this dissertation is to propose a formal methodology for the analysis and optimisation of the AMHS in order to improve the fab productivity metrics. We first propose a hybrid model of the fab using the Process-Interaction Approach and coloured timed Petri nets. These modelling formalisms aid us to characterise the physical production system, its control system, and the production flow process, in order to better identify the components of the simulation model. Then, various strategies for the operation of the AMHS are compared. This study is performed by coupling classical Operational Research-based techniques (i.e. integer programming, heuristics) with the simulation model of the fab. The problem of vehicle positioning is approached from a tactical level so as to identify the optimal parameters of the simulation model. This last allows us to study the behaviour of the transport system and facilitates the implementation of operation vehicle control policies. Final application of these strategies is done on a fab of the new 300mm wafer generation.
La fabrication de plaquettes de silicium (wafers) est l'un des processus de fabrication le plus complexes qui existe aujourd'hui. Étant donné à la fois le niveau très élevé d'investissements en équipement et la forte concurrence sur le marché, les fabricants de semi-conducteurs cherchent à rentabiliser au maximum les unités de fabrication (fabs) afin d'obtenir à la fois le meilleur niveau d'utilisation des équipements, un bas niveau d'encours et des temps de cycle de plus en plus courts. Avec l'arrivée de la nouvelle génération de wafers de 300mm de diamètre, des contraintes ergonomiques et de productivité imposent l'automatisation de toute la manutention et le transport des lots de production. Le système automatique de transport joue donc désormais un rôle essentiel pour l'amélioration de la productivité de la fab et la réduction des coûts de production. Cependant, les stratégies de pilotage du système de transport ont été relativement peu étudiées dans la littérature et les travaux existant le considèrent comme étant une entité isolée, ignorant ainsi les effets sur la gestion de la production et des équipements. Du fait de la complexité du processus de fabrication, les études proposées dans la littérature ont traditionnellement été réalisées avec de la simulation à événements discrets.L'objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie d'analyse et d'optimisation de la gestion du système automatisé de transport des lots, afin d'améliorer les indicateurs clés de la production. Nous proposons d'abord une modélisation hybride de la fab et du processus de fabrication. Pour cela, nous utilisons une méthodologie basée sur l'identification des ''process'' et de leurs interactions, ainsi qu'une représentation en réseaux de Petri colorés temporisés. Cette conceptualisation nous permet de mieux intégrer les différents composants dans un modèle de simulation. Ensuite, plusieurs stratégies pour la gestion du système de transport des lots (i.e. stratégies de dispatching et de positionnement des chariots) sont analysées. Cette étude est réalisée en couplant des techniques classiques de la Recherche Opérationnelle (i.e. programmation mathématique, méthodes heuristiques) avec le modèle de simulation de la fab. Ainsi, la problématique de gestion du système de transport est abordée à partir du niveau tactique à l'aide d'une démarche d'optimisation qui permet de trouver les valeurs optimales des paramètres du modèle de simulation. Ce dernier permet d'étudier le comportement dynamique du système et facilite l'implémentation des règles pour la gestion opérationnelle. La mise en oeuvre de la démarche hybride optimisation-simulation proposée est analysée dans la structure complexe d'une unité de fabrication de wafers de la nouvelle génération de 300~mm de diamètre.