Development and simulation assessment of semiconductor production system enhancements for fast cycle times [Elektronische Ressource] / Kilian Stubbe

Informations

• Publié par: technische_universitat_dresden
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

DEVELOPMENT AND SIMULATION ASSESSMENT OF
SEMICONDUCTOR PRODUCTION SYSTEM
ENHANCEMENTS FOR FAST CYCLE TIMES
DISSERTATION
ZUR ERLANGUNG DES AKADEMISCHEN GRADES
DOKTORINGENIEUR (DR.-ING.)
VORGELEGT AN DER
TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DRESDEN
FAKULTÄT INFORMATIK
DIPL.-ING. KILIAN STUBBE GEB. SCHMIDT
GEBOREN AM 30. Juli 1978 IN Wolfenbüttel
GUTACHTER:
PROF. DR. OLIVER ROSE
TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN
FAKULTÄT INFORMATIK
INSTITUT FÜR ANGEWANDTE INFORMATIK
PROFESSUR FÜR MODELLIERUNG UND SIMULATION
PROF. DR. LARS MÖNCH
FERNUNIVERSITÄT IN HAGEN
FAKULTÄT FÜR MATHEMATIK UND INFORMATIK
LEHRGEBIET UNTERNEHMENSWEITE SOFTWARESYSTEME
TAG DER VERTEIDIGUNG: 29. JANUAR 2010
DRESDEN IM MÄRZ 2010Kilian Stubbe 1
Contents
1 Introduction 5
1.1 Thesis Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Strategic Motivation for Short Cycle Times 9
2.1 Company Goals in Current Business Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Manufacturing Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Definition of Manufacturing Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Elements of Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 for New Semiconductor Manufacturing Strategy . . . . . . . . . . . . 11
2.2.4 Area of Analysis within this Dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Sustainability of this new Manufacturing Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Cycle Time in Semiconductor Manufacturing Context 15
3.1 Process of Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 Stages of Semiconductor Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.2 Process Steps in Semiconductor Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2.1 Layering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2.2 Patterning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2.3 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2.4 Heat Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3 Example Fabrication Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.4 Product Complexity driving Process Technology Progress - Moore’s Law . . . . 19
3.2 Basic Entities in Semiconductor Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.2 Relation and Interaction of Basic Entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Fundamental Relations between Throughput, Cycle Time, and Work in Process . . . . . 22
3.3.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2 Little’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.3 Ideal and Actual Performance of Production Lines . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.4 Role of Variability in Semiconductor Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.5 X-factor as a measurement for CT comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 Elements of the production system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.2 WIP Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.2.1 Dispatching and Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.2.2 Lot Priority Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.3 Equipments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.3.1 Batch Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.3.2 X-Piece Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.3.3 Single Wafer Tools and Cluster Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.3.4 Process Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.3.5 Cascading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.4 Material Handling System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.4.1 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Development and simulation assessment of semiconductor production system
3.4.4.2 Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.5 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.6 Degrees of freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 Cycle Time Components and Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.1 Cycle Time Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.2 Current Cycle Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6 Traditional Approaches to Short Cycle Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6.1 Dispatching and Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6.2 Fab Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6.3 Workstation Capacity Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6.4 Variability Reduction in Equipment Availability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6.5 Reduction in the Number of Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6.6 Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Methods and Tools 45
4.1 Discrete-Event Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.1 Classification and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.2 Steps in a Simulation Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.3 Advantages and Disadvantages of Analysis with Simulation . . . . . . . . . . . 47
4.1.4 Utilization of Simulation in Semiconductor Manufacturing . . . . . . . . . . . . 48
4.1.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Queueing Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.1 Preemptive Downtimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2 Non-preemptive Downtimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 Gantt Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Baseline Simulation Model 53
5.1 Fab profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Model Conceptualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 Experimental Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6 Replacement of Batch Tools 59
6.1 Literature Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2 Theoretical Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2.1 Cycle Time Reduction Coherences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2.2 Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.2.3 Dispatching Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3 Simulation Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3.1 Experimental Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3.2 Batch Building and Dissolving Time BT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.3.3 Replacement with Mini-Batch Equipments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.3.4 with Single-wafer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3.5 Hybrid Scenario: Partial Replacement with Single-wafer Equipments . . . . . . 65
6.3.6 Product Diversity Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.7 X-Factor Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7 Lot Sizing 69
7.1 Classification and Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 Literature Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Kilian Stubbe 3
7.3 Theoretical Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3.1 Cycle Time Reduction Coherences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3.2 Analysis with Queueing Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.3.3 Assessment of Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3.3.1 Equipment productivity challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.3.3.2 Material Handling System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.3.4 Dispatching Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4 Simulation Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . .