Composants essentiels de tout ordinateur, les semi-conducteurs sont utilisés dans de nombreux secteurs. Les percées technologiques dans ce domaine imposent un rythme vertigineux aux industriels. Tous les deux ans environ, la capacité des puces est doublée et leur prix est divisé par deux. Le diamètre des plaquettes de silicium augmente et, regroupées en lots, les plaquettes sont plus lourdes à transporter. Les systèmes automatiques de transport (AMHS) se présentent comme une excellente alternative. Le prix très élevé des équipements de production fait que l'objectif est de saturer les capacités de production. Pour y parvenir, il est important que le système de transport et de stockage garantisse que les machines n'attendent pas des lots disponibles, et aussi que les lots n'attendent pas une machine disponible.Dans la littérature, la complexité du problème (jusqu'à 700 étapes de fabrication, flux réentrants, etc.) fait que les études de modélisation du transport se font avec de fortes hypothèses sur la production ou inversement. Pourtant, le transport est un service pour la production. Cette thèse propose une approche de modélisation permettant d'intégrer le plus fidèlement possible les contraintes de transport, production et stockage, afin d'améliorer les indicateurs clés de la production. Une analyse détaillée du système a permis de construire un modèle de simulation à événements discrets. Enfin, après une validation industrielle, l'étude complète du modèle a permis d'analyser les paramètres critiques de gestion du transport. Les résultats permettent une meilleure compréhension du système et mettent en exergue d'intéressantes perspectives de recherche.

La prise en compte de machines à traitement par batch dans les problèmes d’ordonnancement d’ateliers complexes de type job-shop est particulièrement difficile. La fabrication de semiconducteurs est probablement l’une des applications pratiques les plus importantes pour ce types de problèmes. Nous considérons un problème d’ordonnancement de type job-shop flexible avec « p-batching », des flux rentrants, des temps de préparation dépendant de la séquence et des dates de début au plus tôt. Le but c’est d’optimiser différentes fonctions objectives régulières.Les approches existantes par graphe disjonctif pour ce problème utilise des nœuds dédiés pour représenter explicitement les batches. Afin de faciliter la modification du graphe conjonctif, notre nouvelle modélisation réduit cette complexité en modélisant les décisions de batching à travers les poids des arcs. Une importante contribution de cette thèse est un algorithme original qui prend les décisions de batching lors du parcours du graphe. Cet algorithme est complété par un déplacement (« move ») intégré qui permet de reséquencer ou réaffecter les opérations. Cette combinaison donne un voisinage riche que nous appliquons dans une approche méta-heuristique de type GRASP.Nous étendons cette approche en prenant en compte de nouvelles contraintes qui ont un rôle important dans l’application industrielle considérée. En particulier, nous modélisons de manière explicite les ressources internes des machines, et nous considérons un temps maximum d’attente entre deux opérations quelconques d’une gamme de fabrication. Les résultats numériques sur des instances de la littérature pour des problèmes plus simples ainsi que sur de nouvelles instances montrent la généricité et l’applicabilité de notre approche. Notre nouvelle modélisation permet de faciliter les extensions à d’autres contraintes complexes rencontrées dans les applications industrielles. / The integration of batching machines within a job-shop environment leads to a complex job-shop scheduling problem. Semiconductor manufacturing presumably represents one of the most prominent practical applications for such problems. We consider a flexible job-shop scheduling problem with p-batching, reentrant flows, sequence dependent setup times and release dates while considering different regular objective functions. The scheduling of parallel batching machines and variants of the job-shop scheduling problem are well-studied problems whereas their combination is rarely considered.Existing disjunctive graph approaches for this combined problem rely on dedicated nodes to explicitly represent batches. To facilitate modifications of the graph, our new modeling reduces this complexity by encoding batching decisions into edge weights. An important contribution is an original algorithm that takes batching decisions “on the fly” during graph traversals. This algorithm is complemented by an integrated move to resequence and reassign operations. This combination yields a rich neighborhood that we apply within a GRASP based metaheuristic approach.We extend this approach by taking further constraints into account that are important in the considered industrial application. In particular, we model internal resources of machines in detail and take maximum time lag constraints into account. Numerical results for benchmark instances of different problem types show the generality and applicability of our approach. The conciseness of our idea facilitates extensions towards further complex constraints needed in real-world applications.

La fabrication de plaquettes de silicium (wafers) est l'un des processus de fabrication le plus complexes qui existe aujourd'hui. Étant donné à la fois le niveau très élevé d'investissements en équipement et la forte concurrence sur le marché, les fabricants de semi-conducteurs cherchent à rentabiliser au maximum les unités de fabrication (fabs) afin d'obtenir à la fois le meilleur niveau d'utilisation des équipements, un bas niveau d'encours et des temps de cycle de plus en plus courts. Avec l'arrivée de la nouvelle génération de wafers de 300mm de diamètre, des contraintes ergonomiques et de productivité imposent l'automatisation de toute la manutention et le transport des lots de production. Le système automatique de transport joue donc désormais un rôle essentiel pour l'amélioration de la productivité de la fab et la réduction des coûts de production. Cependant, les stratégies de pilotage du système de transport ont été relativement peu étudiées dans la littérature et les travaux existant le considèrent comme étant une entité isolée, ignorant ainsi les effets sur la gestion de la production et des équipements. Du fait de la complexité du processus de fabrication, les études proposées dans la littérature ont traditionnellement été réalisées avec de la simulation à événements discrets.L'objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie d'analyse et d'optimisation de la gestion du système automatisé de transport des lots, afin d'améliorer les indicateurs clés de la production. Nous proposons d'abord une modélisation hybride de la fab et du processus de fabrication. Pour cela, nous utilisons une méthodologie basée sur l'identification des ''process'' et de leurs interactions, ainsi qu'une représentation en réseaux de Petri colorés temporisés. Cette conceptualisation nous permet de mieux intégrer les différents composants dans un modèle de simulation. Ensuite, plusieurs stratégies pour la gestion du système de transport des lots (i.e. stratégies de dispatching et de positionnement des chariots) sont analysées. Cette étude est réalisée en couplant des techniques classiques de la Recherche Opérationnelle (i.e. programmation mathématique, méthodes heuristiques) avec le modèle de simulation de la fab. Ainsi, la problématique de gestion du système de transport est abordée à partir du niveau tactique à l'aide d'une démarche d'optimisation qui permet de trouver les valeurs optimales des paramètres du modèle de simulation. Ce dernier permet d'étudier le comportement dynamique du système et facilite l'implémentation des règles pour la gestion opérationnelle. La mise en oeuvre de la démarche hybride optimisation-simulation proposée est analysée dans la structure complexe d'une unité de fabrication de wafers de la nouvelle génération de 300~mm de diamètre.

Composants essentiels de tout ordinateur, les semi-conducteurs sont utilisés dans de nombreux secteurs. Les percées technologiques dans ce domaine imposent un rythme vertigineux aux industriels. Tous les deux ans environ, la capacité des puces est doublée et leur prix est divisé par deux. Le diamètre des plaquettes de silicium augmente et, regroupées en lots, les plaquettes sont plus lourdes à transporter. Les systèmes automatiques de transport (AMHS) se présentent comme une excellente alternative. Le prix très élevé des équipements de production fait que l’objectif est de saturer les capacités de production. Pour y parvenir, il est important que le système de transport et de stockage garantisse que les machines n’attendent pas des lots disponibles, et aussi que les lots n’attendent pas une machine disponible.Dans la littérature, la complexité du problème (jusqu’à 700 étapes de fabrication, flux réentrants, etc.) fait que les études de modélisation du transport se font avec de fortes hypothèses sur la production ou inversement. Pourtant, le transport est un service pour la production. Cette thèse propose une approche de modélisation permettant d'intégrer le plus fidèlement possible les contraintes de transport, production et stockage, afin d'améliorer les indicateurs clés de la production. Une analyse détaillée du système a permis de construire un modèle de simulation à événements discrets. Enfin, après une validation industrielle, l'étude complète du modèle a permis d'analyser les paramètres critiques de gestion du transport. Les résultats permettent une meilleure compréhension du système et mettent en exergue d'intéressantes perspectives de recherche. / Essential components of all computers, semiconductors are widely used in many sectors. Quick advances in these technologies force a challenging rhythm to manufacturers. Following the Moore’s Law, chip capacity doubles approximately every two years and prices are divided by two. Thus, the increase of the diameter of wafers to 300 mm makes them heavier to transport in lots. Automated Material Handling Systems (AMHS) are an excellent alternative to tackle this problem. Because of the high price of production equipment, the goal is to use production capacity as much as possible while avoiding to keep too much inventory. To reach this goal, it is important that the transportation and storage system ensures that machines do not wait for available lots, and also that lots do not wait for available machines. In the literature, due to the problem complexity (up to 700 steps, re-entrant flows, etc.), the modeling of transportation is made with strong assumptions on the production or vice-versa. However, transport is a service for production. This thesis aims at providing a modeling approach that allows the integration in details transport, production and storage constraints, in order to improve production key indicators. A detailed understanding of the system allows us to build of a discrete event simulation model which is, in our point of view, the best compromise between the necessary level of details and computational times. Finally, through industrial validations, the complete study of the model allows critical parameters of transport management to be analyzed. The results help to get a better understanding of the system and open interesting research perspectives.

Dans un contexte d’automatisation totale avec une forte composante informatique, la transformation organisationnelle doit systématiquement être accompagnée d’une évolution des différents Systèmes d’Information (SI). Dans ce sens, les utilisateurs au quotidien doivent « se retrouver » dans l’usage des SI au niveau de ses fonctionnalités, et par sa capacité à répondre rapidement, et d’une façon continue, aux demandes d’évolution de l’organisation. Disposer de SI à l’image des métiers n’est pas une vertu ou un luxe que les entreprises cherchent à obtenir. Le manque à gagner pour l’entreprise en l’absence d’alignement se traduit directement sur la performance de l’organisation : la non-adéquation des SI limite les tâches au quotidien et dégrade le potentiel de progrès de l’entière automatisation. Le système de production se trouve ainsi conditionné par les SI. Au-delà de l’aspect fonctionnalité recherché dans l’alignement, sa mise en œuvre se justifie également par le coût de sa mise en place comparé à un non alignement.Ces travaux visent à garantir, dans un contexte complexe et dynamique, un alignement systématique et continu des SI sur les besoins des processus métiers afin de garantir à l’entreprise les meilleures performances possibles dans l’exploitation de ses SI.Les spécificités du contexte d’étude ainsi que l’analyse bibliographique de la problématique nous ont menés à proposer une méthodologie basée sur un « Modèle de Référence » afin de combler au mieux le fossé Métier / Technologie de l’Information. Cette méthodologie s’intéresse au niveau fonctionnel en mettant l’accent sur l’expression des besoins afin de mieux distinguer la vision Métier de la vision IT.Pour valider la méthodologie que nous proposons, nous l’appliquons sur un cas d’étude industriel relatif à l’évolution de l’ensemble des règles d’éligibilité des lots sur les équipements en fabrication de semi-conducteurs, appelées « processabilité ». / In a full automation context with a strong Information Technology (IT) component, organizational transformations should always be accompanied by an evolution of the different information systems. In that sense, operational users of the information systems must recognize the use of information systems in terms of their functionality, and their ability to rapidly and continuously answer the requirements of the evolution of the organization.Having Information Systems (IS) which reflect businesses is not a luxury for companies. The shortfall for the company in the absence of alignment is the impact on the organization performance: The non-adequacy of the IS limits the daily tasks and degrades the potential benefits of full automation. Thus, the production system is conditioned by the IS. Beyond its functional necessity, alignment is also justified by the cost of its implementation compared to a non-alignment.This thesis aims at ensuring systematic and continuous Business / IT alignment in a complex and dynamic environment.Our study was led by the specificity of the case study and the literature review. We propose a methodology based on a "Reference Model" to minimize the Business / IT alignment gap. From a functional standpoint, the methodology relies on capturing user requirements in a Reference Model and finding acceptable compromises for the IT development, to reach the alignment incrementally. The methodology is applied on a “processability” case study in semiconductor manufacturing.

Dans les processus de fabrication de semi-conducteurs, différents types des contrôles existent pour maîtriser les procédés et garantir la qualité du produit final. Ces travaux de thèse s’intéressent aux contrôles de défectivité qui visent à maîtriser le risque sur les équipements de production. L'indicateur utilisé est le nombre de produits traités par un équipement depuis la date du dernier produit contrôlé. On s’intéresse à la maîtrise et la réduction du risque sur les équipements de production. Pour cela, différentes stratégies de sélection des lots existent et peuvent être classifiées selon leur capacité à intégrer la dynamique d'une unité de fabrication. Dans les stratégies de sélection dynamique, les lots sont contrôlés en temps réel et en optimisant un critère. Ces stratégies sont récentes et sont beaucoup plus efficaces que les stratégies précédentes, mais aussi plus complexe à mettre en œuvre. Dans ce cadre, nous avons proposé et validé industriellement différents algorithmes pour identifier les lots à relâcher (à ne pas contrôler) dans les files d'attente des lots en défectivité. Nous avons aussi développé et implémenté un modèle d'optimisation de la capacité pour l’atelier de défectivité, qui permet d’évaluer l’impact de paramètres critiques (e.g. plan de production, positions des opérations de contrôles dans la gamme de fabrication, valeurs des limites de risques) dans la gestion du risque global de l'unité de fabrication. / In semiconductor manufacturing, several types of controls are required to ensure the quality of final products. In this thesis, we focus on defectivity inspections, which aim at monitoring the process for defect reduction and yield improvement. We are interested in managing and reducing the risk on process tools (i.e. number of wafers at risk) during fabrication. To reduce this risk, inspection operations are performed on products. However, because inspection operations directly impact the cycle times of products, sampling strategies are used to reduce the number of inspected lots while satisfying quality objectives. Several sampling techniques exist and can be classified according to their capability to deal with factory dynamics. Dynamic sampling strategies have recently been proposed, in which lots to inspect are selected in real time while considering the current production risk. These strategies are much more efficient than previous strategies but more complex to design and implement. In this thesis, a novel approach to select the lots to inspect is proposed. Multiple algorithms have been proposed and validated to efficiently manage the defect inspection queues by skipping (i.e. releasing) lots that do no longer bring enough information. In order to support strategic and tactical decisions, an optimization model for defect inspection capacity planning is also proposed. This model calculates the required defect inspection capacity to ensure the risk limits on process tools when the production conditions change. Industrial results show significant improvements in terms of risk reduction without increasing defect inspection capacity.

Dans cette thèse, nous avons examiné différentes possibilités d'intégration des décisions d'ordonnancement avec des informations provenant de systèmes avancés des contrôles des procédés dans la fabrication de semi-conducteurs. Nous avons développé des idées d'intégration et défini des nouveaux problèmes d'ordonnancement originales : Problème d'ordonnancement avec des contraintes de temps (PTC) et problème d'ordonnancement avec l'état de santé des équipement (PEHF). PTC et PEHF ont des fonctions objectives multicritères.PTC est un problème d'ordonnancement des familles de jobs sur des machines parallèles non identiques en tenant compte des temps de setup et des contraintes de temps. Les machines non identiques signifient que toutes les machines ne peuvent pas traités (qualifiés) tous les types de familles d'emplois. Les contraintes de temps nommés aussi Thresholds sont inspirées des besoins de l'APC. Elle est liée à l'alimentation régulière des boucles de contrôle de l'APC. L'objectif est de minimiser la somme des dates de fin et les pertes de qualification des machines lorsqu'une famille de jobs n'est pas ordonnancée sur la machine donnée avant un seuil de temps donné.D'autre part, PEHF est une extension de PTC. Il consiste d'intégrer les indices de santé des équipements (EHF). EHF est un indicateur associé à l'équipement qui donne l'état de la. L'objectif est d'ordonnancer des tâches de familles de jobs différents sur les machines tout en minimisant la somme des temps d'achèvement, les pertes de qualification de la machine et d'optimiser un rendement attendu. Ce rendement est défini comme une fonction d'EDH et de la criticité de jobs considérés. / In this thesis, we discussed various possibilities of integrating scheduling decisions with information and constraints from Advanced Process Control (APC) systems in semiconductor Manufacturing. In this context, important questions were opened regarding the benefits of integrating scheduling and APC. An overview on processes, scheduling and Advanced Process Control in semiconductor manufacturing was done, where a description of semiconductor manufacturing processes is given. Two of the proposed problems that result from integrating bith systems were studied and analyzed, they are :Problem of Scheduling with Time Constraints (PTC) and Problem of Scheduling with Equipement health Factor (PEHF). PTC and PEHF have multicriteria objective functions.PTC aims at scheduling job in families on non-identical parallel machines with setup times and time constraints.Non-identical machines mean that not all miachines can (are qualified to) process all types of job families. Time constraints are inspired from APC needs, for which APC control loops must be regularly fed with information from metrology operations (inspection) within a time interval (threshold). The objective is to schedule job families on machines while minimizing the sum of completion times and the losses in machine qualifications.Moreover, PEHF was defined which is an extension of PTC where scheduling takes into account the equipement Health Factors (EHF). EHF is an indicator on the state of a machine. Scheduling is now done by considering a yield resulting from an assignment of a job to a machine and this yield is defined as a function of machine state and job state.