An assessment of scheduling policies in the production of semiconductors

The electronic industry is in continuous development since 1950s [16]. In particular, this industry is an important field in the manufacturing context because of the discovery and development of the semiconductor materials used for the production of electronic parts such as diodes, transistors and photovoltaic cells. Accordingly, the semiconductor industry developed with the improvement of the electric industry. Integrated Circuits (ICs) are the most common semiconductor devices used for electric and electronic devices. We focus on Chemical Vapor Deposition (CVD) which is one of the most used process technologies for one step of the semiconductor wafer production. During the deposition process, the wafer surface is covered with a thin films of SiO2 and Si3N4. In this thesis, we focus on the wafer fabrication process of an italian company using a two-reactor furnace. During the film deposition on the wafer, the control of surface contamination is the most important issue. The furnace used by the company purifies the air inside it by purging gases and prevent wafer oxidation. The purging phase occurs every time the furnace is accessed by the external environment, e.g., for loading or unloading batches of wafers. This purging phase constraints some operations inside the furnace. Therefore, the schedule of the activities inside and outside the furnace could enhance its utilization. We aim at defining set of the starting times of load/unload activities to maximize the furnace utilization, e.g., by minimizing the makespan of the the production of a batch of wafer. The main objective of the thesis is to built an emulator of the system able to evaluate and compare different scheduling policies. In order to analyse the furnace behaviour, it is modelled by using Finite State Machine approach. The emulated model of the furnace is created on Simulink. To carry out this work and build an input generator to be used in simulink, a log of a machine provided by the partner company is used. Grounding on this, several KPIs results are calculated for different sequencing policies and then compared.

L'industria elettronica è in continuo sviluppo dagli anni '50 [16]. In particolare, essa rappresenta un segmento importante nel settore manifatturiero grazie alla scoperta e allo sviluppo dei materiali semiconduttori utilizzati per la produzione di componenti elettronici come diodi, transistor e celle fotovoltaiche. Di conseguenza, l'industria dei semiconduttori si è sviluppata con il miglioramento dell'industria elettrica. I circuiti integrati sono i componenti a semiconduttore più comuni utilizzati per dispositivi elettrici ed elettronici. In questa tesi, ci concentriamo su Chemical Vapor Deposition (CVD), una delle tecnologie di processo più utilizzate per una fase della produzione di wafer di semiconduttori. Durante il processo di deposizione, la superficie del wafer è ricoperta da un sottile strato di SiO2 e Si3N4. In particolare, ci concentriamo sul processo di fabbricazione di wafer di un'azienda italiana che utilizza una fornace a due reattori. Durante la deposizione sul wafer, il controllo della contaminazione superficiale è il problema più importante. La fornace utilizzata dall'azienda purifica l'aria al suo interno immettendo gas e prevenendo l'ossidazione del wafer. Questa operazione, detta purging, avviene ogni volta che si accede alla fornace dall'ambiente esterno, ad esempio per caricare o scaricare lotti di wafer. Questa fase di purging limita alcune operazioni all'interno della fornace.. Pertanto, lo scheduling delle attività all'interno e all'esterno della fornace potrebbe migliorare il suo utilizzo. Puntiamo a definire l'insieme dei tempi di avvio delle attività di carico e di scarico per massimizzare l'utilizzo della fornace, ad esempio riducendo al minimo il makespan della produzione di un lotto del wafer. L'obiettivo principale della tesi è quello di costruire un emulatore del sistema in grado di valutare e confrontare diverse politiche di scheduling. Per analizzare il comportamento della fornace, questa viene modellata utilizzando l'approccio della Finite State Machine. Il modello emulato della fornace viene creato su Simulink. Per eseguire questo lavoro e creare un generatore di input da utilizzare in Simulink, viene utilizzato un log di una macchina fornita dall'azienda partner. Basandosi su questo, diversi risultati KPI vengono calcolati per diverse policy di sequenziamento e poi confrontati.