文獻探討 - 應用基因演算法與家族式派工於傳輸整合步進機在小批量情境下之排程問題

本章首先簡介探討步進機和流程式生產製程目前研究的議題、家族式設置時間的分類，接著會介紹傳輸整合步進機的機台結構及製程，最後則針對本論文會使用到的演算法之相關研究進行探討。

2.1 研究步進機派工的問題

傳輸整合步進機的構造主要是由埠區加上反應室所組合而成，以往的文獻中，總是在滿批量的情境下派工，所以並不會因為傳輸不一致與埠區限制而導致產能損失的問題，故在以往的文獻中，在滿批量情境下，埠區再加上反應室是看成一部單一機台，

只需做單機排序，其次再針對不同的問題解決。

在步進機的派工問題中，大致上可以將問題分成兩大類：第一，單機排序，研究的問題為針對一部步進機做工件排序問題；第二，由步進機加上其他非瓶頸機台所組合而成的生產系統，再對整個生產系統做最佳之生產排序。近期的文獻大多是再做整個生產系統的派工，目標可能有 Throughput、Cycle Time、Hit Rate…等（Ying & Lin, 2009;

Wu et al., 2008; Wu et al., 2008; Wu et al., 2006; Chern & Liu, 2003）。

2.3 流程式生產排程（Flowshop scheduling）

在第一章的研究背景曾經說明過傳輸整合步進機的內部是由一連串的反應室所組合而成的流程式生產，所以本章節將會探討流程式生產排程問題的相關研究，過去已 有許多文章針對此問題整合與分類 (Cheng et al., 2000; Pinedo, 2002; Hejazi et al., 2005;

Bagchi et al., 2006; Zhu et al., 2006; Quadt et al., 2007)，故依照文獻分類方式，可以將流 程式生產排程問題區分成工作站類別、製程限制，與目標函數三種。而與本研究相關的流程式生產排程問題主要為製程限制，以往文獻將製程限制區分成四種，第一種為 No-wait ，表示工件在生產過程中，不允許在機台中或在機台間中斷；第二種為 Blocking ，表示在機台間不能有暫存區（Buffer），在製品亦不能留在機台中；第三種

為 Limited Buffer，表示在機台間的暫存區大小有限制；第四種為 Unlimited Buffer，表示在機台間的暫存區大小沒有限制。本研究可視為 Limited Buffer 製程限制的一種變形，但在過去文獻中並無探討，顯示出本論文重要之處。

圖 2.1 埠區限制與流程式生產示意圖

進幾年研究流程式生產排程問題中（Liao et al., 2006; Ying & Lin, 2006; Ruiz &

Maroto, 2006; Ruiz & Stutzle, 2007; Lin et al., 2008），亦無探討埠區限制的問題。其實埠區的限制可視為在流程式生產的工作站前增加入口的限制，如圖 2.1 所示，使其限制加工工件的數量，讓本研究問題形成具有產能損失的流程式生產排程問題，故本文後續將會針對此問題進行研究與探討。

Port1

Chamber Chamber

…… End

Chamber Chamber

Port constraint Stage i Port2

Port3

Port4

Buffer

2.3 Family Setup Time 的分類

產品族（Job Family）的定義是具有相同的設置，以本研究來說，相同的產品族會使用相同的光罩，故符合家族設置時間（Family Setup Time）的問題。

Potts & Kovalyov（2000）將研究設置時間的問題區分為許多不同的種類，其中又特別將家族設置時間問題區分成順序獨立家族設置時間問題（Sequence-Independent Family Setup Time）和順序相依家族設置時間問題（Sequence-Dependent Family Setup Time）。

舉例來說，假設現在有兩個產品族，分別為家族一和家族二，在機台上先做家族一的設置時間為S ，先做家族二的設置時間為₀₁ S ，做完家族一再做家族二的設置時₀₂ 間為S₁₂；而先做家族二再做家族一的設置時間為S₂₁。順序獨立家族設置時間研究的問題是S₀₁ =S₂₁與S₀₂ =S₁₂，也就是說不論做家族一還是家族二的設置時間都是一樣的；順序相依家族設置時間研究的問題是S₀₁ ≠S₂₁與S₀₂ ≠S₁₂，意思是先做家族一還是家族二其產生的設置時間是有差異的。

本研究的設置時間是發生在換光罩的時候，但是每換一次光罩所需要的設置時間皆相同，並不會因為所使用的光罩不同而使設置時間產生變化，故本研究將被分類為順序獨立家族設置時間的問題。

2.4 傳輸整合步進機的機台結構及製程

一個典型的傳輸整合步進機系統，主要由在製品暫存區（WIP Buffers）、埠區

（Port）、以及傳輸整合步進機三大部分所構成，如圖 2.2 所示（Quirk, 2001; Xiao, 2001），而中間的傳輸主要透過 Robot 做傳輸。

傳輸整合步進機內部的佈置圖，包括了自動化光阻塗佈及顯影系統與步進機。自動化光阻塗佈及顯影系統包括六種站點（Stage），分別為氣相塗底（Vapor prime）、光阻塗佈（Photo-resist Coating）、軟烤(Soft-bake)、曝光後烘烤(Post-exposure bake)、顯影 (Develop)，以及硬烤(Hard-bake)，每一種站點有一個以上的反應室可以加工。而步進機包括有三種站點，分別為預對準（Pre-alignment）、曝光（Rxposure），以及暫存區

（Buffer），每一種站點只有一個反應室可以加工，而更換光罩的過程也在步進機中發生。

圖 2.2 傳輸整合步進機的生產系統傳輸整合步進機

埠區埠區埠區埠區

在製品暫存區

自動化光阻塗佈及顯影機步進機

2.5 基因演算法 (Genetic algorithm)

基因演算法是由 Holland（1975）所提出，其演算流程如圖 2.2 所示，首先隨機產生一初始的母代（Population），再針對母代中每一個染色體作適應函數值（Fitness function）的計算與評估。

圖 2.3 基因演算法的搜尋流程

計算完適應函數值後，再評估此解是否滿足停止條件，如果是，則停止基因演算法,而此解即為最後所需要的近似最佳解；如果不符合停止條件，則會透過染色體交配

（Crossover）與突變（Mutation）而成為新的下一代（稱為子代），混合上一代與新一代的染色體形成一個池 (pool)，在池中的染色體，適應函數值為較高者，就擁有較高

符合終止? 否

傳回適合度最高的染色體

停止

是

產生初始群體

求出各染色體的適應函數值

交配

突變

擇優

否

的機率被選取（Selection）保存到下一代當新的母代；在如此一代接著一代的進化過程，即可以保存每一代所產生的最好的染色體。整個基因演算法的搜尋過程如圖 2.2 所表示。

在使用基因演算法求解問題前，必須設計一條符合問題條件的染色體，而其中的每個字元稱為基因。染色體可以同時存在多個，而這些染色體所形成的群體，便稱為族群。

在族群中，染色體會根據不同的問題而有不同的好壞，經由計算出適應函數值，

來評估此染色體的優劣。適應函數值較佳的，則代表此染色體對於問題的適應能力較佳，而被保留到下一代的機會也比較大；反過來說，適應函數值較差的染色體，則代表此染色體對於問題的適應能力較差，被保留到下一代的機會也變小。在計算完每一條染色體的適應函數值後，再選取適應函數值最高的染色體值當做下一代的母代。

交配的過程為隨機選取兩條染色體，再藉由交換內部之基因，找出適應能力較佳之下一代，經由此方法來找出更好的染色體。而交配通常會配合突變一起使用，即可避免在基因演算法求解過程中，可行解落入區域最佳解 (local optimum)。

染色體完成交配與突變後，池中會有母代的染色體加上子代的染色體，池中的染色體會依據各個染色體的適應函數值來選出下一代。選擇的方式則使用輪盤法

(Roulette wheel selection)。

輪盤法的概念為分割輪盤，即依照染色體的適應函數值將輪盤分割為數等份，適應函數值越好則所分配到的輪盤面積越大，當隨機選取一點時，佔輪盤面積越大的染色體則代表被選擇的機會越大，成為下一代母代的機率也越高。

2.6 文獻探討結語

過去文獻做的研究，均假設為滿批量，只把傳輸整合步進機看為生產系統中的一部瓶頸機台，而本研究為在小批量情境下對傳輸整合步進機做派工。

有關傳輸整合步進機中埠區的限制與傳輸單位不一致現象，所造成的機台產能損失，目前只有 Wu & Chiou（2009）探討研究，而本研究增加了光罩限制，使其更符合真實情況。

本研究在考量在光罩與小批量情境下，進行傳輸整合步進機在小批量情境下之排程規劃。回顧過去相關之文獻，並無相同之研究，如此更可顯示出本研究之獨特性與重要性。分析先前介紹之文獻，本研究之特色在於，在考量光罩設置和小批量情境下對於傳輸整合步進機排程的影響。確定本論文之獨特性與重要性後，將於第三章說明詳細的求解過程。

Port constraint Stage i Port2

Port3

Port4

Buffer

Lot-based Wafer-based Lot-based

在文檔中應用基因演算法與家族式派工於傳輸整合步進機在小批量情境下之排程問題 (頁 17-24)