2016年国际PHM数据竞赛总结（1）

清华大学软件学院参赛团队2016年国际PHM数据竞赛总结（一）

（2016年10月13日）

编者的话： 经过近4个月的努力，首次参加国际PHM协会数据竞赛的清华大学软件学院团队（PaHaMer）最终获得了第二名。比赛的“硝烟”已经散尽，但团队全体成员留给我们的相互协作、不懈进取团队合作精神， 显著提高的学术水平和解决实际问题能力，以及宝贵的实战经验，是更为可贵的财富。为促进同行之间的交流，本社区网站将参赛团队的总结摘录刊登，供大家参考。

一、 比赛背景介绍

PHM意为故障诊断与健康管理，即利用现代信息技术对设备健康状态进行评估，实现故障诊断、故障预测和剩余生命预测等。

故障诊断与健康管理协会（PHM Society）自2009年成立以来，致力于传播PHM知识、加强跨学科和跨国界合作、促进PHM发展成为一门工程学科。其下设期刊the International Journal of Prognostics and Health Management (IJPHM)采用快速却依旧严格的审稿制度，能够保证初次提交后8-12周时间内刊登，速度远快于与传统印刷期刊。

除此之外，PHM Society每年秋天都会举行年度会议，来自工业界、学术界和工商界的世界各地的研究学者，在会上展示成果，交流心得，共同探讨PHM的发展。与此同时，大会还会同步举办数据分析大赛，获胜者将被邀请到会上进行技术分享。

自2009年第一届比赛举办以来，每年都会有来自世界各地的多支专业队伍参赛。比赛的题目通过不同领域的设备和运行状态，通过数据分析以预测出其健康状态或剩余寿命等结论。

其历届比赛题目与获奖队伍见如表1所示（略）。

图1.朱慧敏同学（左）和王成同学（右）代表清华大学软件学院（PaHaMer）团队

赴美国丹佛领奖

二、 本届比赛题目回顾

本届比赛题目为，通过追踪化学机械抛光（CMP）系统组件的健康状态，采用物理模型和数据驱动相结合的方式，预测晶片在给定抛光过程中的去除速率。

1. 系统背景

化学机械抛光是半导体产业进行平整晶片表面的一种有效技术，采用机械摩擦和化学反应相结合的方式。CMP系统主要由以下几个部分组成：可旋转的抛光台，可更换的抛光垫，可旋转的晶片承载器，磨料释放器以及可移动的修整器。其工作原理如图1所示。在抛光过程中，晶片被加压于抛光垫，抛光液被释放于抛光垫上，晶片与抛光垫转动而产生相对运动，粗糙的抛光垫以及抛光液中的磨料使之发生机械摩擦从而平整晶片表面，同时晶片与抛光液中的化学物质发生反应也进一步加速去除速率。抛光完成后，抛光垫可能会被修整器修整从而保证抛光垫的粗糙程度。抛光垫和修整器会随着使用时间的增长而发生退化，因此需要被及时更换。

图2. CMP系统原理示意图

图3. 晶片（资料图片）

2. 数据描述

比赛提供两类型数据：状态监测数据与测量结果数据。其中状态监测数据是每个抛光过程中各工况及开关量测量结果的时间序列形式数据，每个抛光过程对应多行，共计25列，其列名及含义如表2所示；测量结果数据是针对每个抛光过程，测量抛光前后晶片厚度差异人工计算得到，每个抛光过程对应1行，共计3列，其列名及含义如表3所示。对于训练数据，测量结果数据中去除率是已知的，而对于测试数据及最终测试集，去除率是未知的，这也是我们的预测目标。

表2 状态监测数据

列号	列名	译名
x1	MACHINE_ID	机器ID
x2	MACHINE_DATA	机器位
x3	TIMESTAMP	时间戳
x4	WAFER_ID	晶片ID
x5	STAGE	阶段
x6	CHAMBER	舱室
x7	USAGE_OF_BACKING_FILM	背膜消耗量
x8	USAGE_OF_DRESSER	修整器消耗量
x9	USAGE_OF_POLISHING_TABLE	抛光台消耗量
x10	USAGE_OF_DRESSER_TABLE	修整器台消耗量
x11	PRESSURIZED_CHAMBER_PRESSURE	加压舱压力
x12	MAIN_OUTER_AIR_BAG_PRESSURE	主外压力
x13	CENTER_AIR_BAG_PRESSURE	中心压力
x14	RETAINER_RING_PRESSURE	保持环压力
x15	RIPPLE_AIR_BAG_PRESSURE	波纹压力
x16	USAGE_OF_MEMBRANE	分区膜消耗量
x17	USAGE_OF_PRESSURIZED_SHEET	柔性板消耗量
x18	SLURRY_FLOW_LINE_A	A磨料流速
x19	SLURRY_FLOW_LINE_B	B磨料流速
x20	SLURRY_FLOW_LINE_C	C磨料流速
x21	WAFER_ROTATION	晶片转速
x22	STAGE_ROTATION	修整器转速
x23	HEAD_ROTATION	抛光台转速
x24	DRESSING_WATER_STATUS	修整液状态
x25	EDGE_AIR_BAG_PRESSURE	边缘压力

表3 测量结果数据

列号	列名	译名
x4	WAFER_ID	晶片ID
x5	STAGE	阶段
y	AVG_REMOVAL_RATE	平均去除速率

3. 计分方式

预测结果采用均方差（MSE）进行评估，，计算方式如下：

其中， 是需要预测的抛光过程的总数， 是预测结果， 是实际平均去除率。而比赛最终结果由两部分组成：MSE的得分占90%，另外10%是对物理模型利用情况的得分。

4. 比赛日程（略）

（未完待续）

（供稿 清华大学软件学院PaHaMer团队 / 编辑 严进军）