Robot's movements scheduling in a multi-cluster tool

The aim of this work is to provide an effective scheduling method for robot’s movements in a Multi-Cluster Tool in semiconductor industry. Many studies have been conducted about this topic and research field on this type of problems is still open, since the scheduling of a Multi-Cluster Tool is considered one of the most challenging scheduling problem. We developed a cyclic scheduling for the movements of a single-armed robot inside a Multi-Cluster Tool: applying a Decomposition Method, we have implemented an algorithm to schedule a single cluster tool, that is then incremented by Genetic Algorithm Meta-Heuristic Rule. The result is a new scheduling method, called “Decomposition Algorithm”. We have verified our scheduling method through the implementation of a Simulation Model, in which a photolithography clustered tool (which is an example of a multi-cluster tool) is recreated. As goal of our scheduling we propose the minimization of the lot make span inside the tool, under the constraints of retaining the optimal throughput. Many advantages can be gained by the industry, thanks to this time reduction: improvement of manufacturing agility, reduction of the WIP in the industry, and most of all, increasing of the yield of the entire semiconductor process fabrication, since the yield of the semiconductor process increases with the decreasing of wafer cycle time inside the fab. We have compared our scheduling method with other type of scheduling currently in use in semiconductor fabrication and we have tested the efficiency of our method. The thesis is structured in this way: in the Chapter 1, we give an introduction of the semiconductor fabrication world. All the manufacturing processes are explained, with in-depth analysis of photolithography process, which is the subject of our case study. In Chapter 2 the structure of a multi-cluster tool with its characteristics is described. We have also explained studied performance measures. The scheduling problem formulation with its assumptions is then illustrated in Chapter 3; a state of the art on this type of problem is also presented. Chapter 5 refers to our case study and to the development of the simulation model. Numerical Results are finally reported in Chapter 6, while in Chapter 7 conclusions and future works are exposed.

Lo scopo di questa tesi è quello di fornire un metodo di pianificazione efficace per i movimenti del robot all’interno di un Multi-cluster in una fabbrica di semiconduttori. Molti studi sono stati condotti su questo argomento e il campo di ricerca su questo tipo di problema è ancora aperto, dal momento che la pianificazione di un Multi-Cluster è considerata uno dei problemi di schedulazione più impegnativi. Abbiamo sviluppato una schedulazione ciclica per i movimenti di un robot a braccio singolo all'interno di uno Multi-Cluster: applicando un metodo di decomposizione, abbiamo implementato un algoritmo per pianificare un cluster singolo, che viene poi incrementato dall'algoritmo genetico. Il risultato è un nuovo metodo di pianificazione chiamato "Algoritmo di decomposizione". Abbiamo verificato il nostro metodo di pianificazione attraverso l'implementazione di un modello di simulazione, in cui viene ricreata una macchina di fotolitografia (che è un esempio di multi-cluster). Come obiettivo della nostra pianificazione, proponiamo la riduzione del tempo di residenza di un lotto di wafer all'interno del sistema, con il vincolo di mantenere la produttività ottimale. Molti vantaggi possono essere ottenuti dall'industria, grazie a questa riduzione dei tempi: la riduzione del WIP nell'industria e, soprattutto, l'aumento della resa dell'intera fabbricazione del processo di fabbricazione dei semiconduttori, poiché la resa del processo aumenta con la diminuzione del tempo di residenza del wafer all'interno della fabbrica. Abbiamo confrontato il nostro metodo di pianificazione con altri tipi di pianificazione attualmente in uso nella fabbricazione di semiconduttori e abbiamo testato l'efficienza del nostro metodo. La tesi è strutturata in questo modo: nel Capitolo 1 diamo un'introduzione al mondo della fabbricazione dei semiconduttori. Vengono illustrati tutti i processi produttivi, con un'analisi approfondita della fotolitografia, che è oggetto del nostro caso studio. Nel Capitolo 2 viene descritta la struttura di uno strumento multi-cluster con le sue caratteristiche. Abbiamo anche spiegato le misure di performance studiate. La formulazione del problema di schedulazione con le sue ipotesi è quindi illustrata nel Capitolo 3; viene presentato anche uno stato dell'arte su questo tipo di problema. Il capitolo 5 si riferisce al nostro caso di studio e allo sviluppo del modello di simulazione. I risultati numerici sono infine riportati nel capitolo 6, mentre nel capitolo 7 sono esposte le conclusioni e i lavori futuri.