半导体晶圆制造是当前最复杂、自动化程度最高的资金技术密集型产业之一,集成了先进制造技术、自动化技术、精密制造技术等多个学科的前沿高新技术和特种加工工艺。组合设备（Cluster Tool）是晶圆制造的核心自动化装备,代表着当今半导体设备的先进水平,亦是当前我国半导体制造领域最为薄弱的环节之一。组合设备是一种极为昂贵的半导体设备,其调度与控制水平直接攸关晶圆制造企业的整体经济效益。受限于多约束耦合的作业环境,组合设备的调度与控制显著区别于其他类型制造系统。因此,研究组合设备调度与控制问题具有重要的理论意义和工程价值。伴随集成电路产品多样化需求日趋凸显,多品种小批量生产问题越来越受到晶圆制造厂商的重视。然而,现有的组合设备调度与控制方法多数面向单一品种晶圆加工,无法适应当前生产需求的新变化。在多品种小批量生产模式下,在制晶圆批次切换频繁,导致设备反复经历暂态作业过程。不考虑晶圆重入加工,当前已有一些研究探讨了组合设备的暂态过程调度优化问题。而对于晶圆重入加工,例如原子层沉积工艺,现有研究着重考虑组合设备在稳态下的调度与控制,鲜有研究关注其暂态过程的调度优化问题。由多台单一组合设备经缓冲模块连接而成的设备集群,即组合设备群（Multi-Cluster Tool）,代表了组合设备发展的新趋势,近年已经在行业领先的晶圆制造厂得到快速应用。相对单一组合设备,组合设备群拥有更高的生产效率,但其调度与控制更为复杂。当前的研究极为有限,并且通常仅针对特定结构的组合设备群,缺乏统一的调度控制框架,严重制约其进一步推广应用。本文将对上述组合设备调度与控制问题开展研究,并给出有效的解决方案。全文主要的研究工作如下:一、混流制造单臂组合设备周期性调度。为统一晶圆加工配方和加工模块共享特征描述,引入了一种新的晶圆流程模式定义。为适应多品种晶圆混流制造模式的变化,开发了新型的机械手作业策略,即复合拉式策略。该策略的基本操作采用传统拉式策略,根据“先进先出”原则甄选进入共享加工模块的晶圆类型。采用内外两层结构的虚拟模块技术平衡工序负载,内层配置虚拟加工模块以平衡共享工序之间的缺省工序,外层以同一类型晶圆为整体设定虚拟加工模块组平衡负载。基于时间特性分析,获得了系统可调度性判定的充要条件。该判据由闭式表达式构成,便于对系统的可调度性进行校验。最后,针对不同加工参数分布情形,开发了具有多项式复杂度的周期性调度求解算法,并以实例验证了算法的可行性和有效性。二、混流制造双臂组合设备周期性调度。相比单臂组合设备,双臂组合设备具有更高的效能,但机械手作业策略迥异。为使机械手作业更具柔性,借鉴符合拉式策略的构建逻辑,开发了复合交换策略。该策略由“全等待”交换策略复合而成,可灵活地适应多品种晶圆流程模式变化输出易于执行的周期性作业序列。采用虚拟模块技术平衡工序负载,根据晶圆配方特征求解最优混合配比,用以配置虚拟晶圆使得系统全程处于高效的稳态加工状态。基于时间特性分析和约束解耦控制,推导系统可调度性判定的充要条件。针对不同加工参数分布情形,开发了高效的周期性调度求解算法,并以实例验证其可行性和有效性。三、具有晶圆重入加工的双臂组合设备暂态过程调度优化。鉴于设备预防性维护和生产批次切换需求,组合设备暂态过程优化控制尤为重要。晶圆重入加工工艺显著延长了设备暂态过程作业时间,并且极易造成系统死锁,加剧了组合设备暂态过程调度与控制的难度。为合理地调度机械手作业,使系统能尽快从空载状态到达期望的稳态,并加快终止暂态过程,采用PERT网络分析法分析暂态调度过程。网络图模型用于表征系统状态演化过程的事件逻辑,通过搜索关键路径求解最短暂态过程时间,以此构建暂态过程优化调度算法。相比虚拟晶圆调度方法,数值实验结果表明,本文提出的优化调度方法能有效加快双臂组合设备晶圆重入加工的暂态过程。四、基于特征转换的组合设备群调度与控制。针对任意拓扑结构和机械手配置的组合设备群,本文提出了一种基于特征转换的调度控制方法。首先,引入一种概念型晶圆制造系统一特征组合设备,并给出相应的周期性调度方法。其次,采用特征转换技术,将任意拓扑结构和机械手配置的组合设备群规约为特定类型的特征组合设备。随后,根据规约后的特征组合设备重新调配组合设备群的机械手作业序列,并求解可行的周期性调度。该方法建立了一个统一的控制框架,采用一种全新的视角调度组合设备群,可灵活地适应设备拓扑结构及机械手配置模式的变化。突破了现有研究对于设备集群拓扑结构的依赖以及迭代计算系统周期时间下界的限制,有效地降低了调度计算复杂度和机械手协调难度。最后,对全文的工作进行了总结,并展望了未来亟需深入探索的组合设备调度与控制研究工作。