鄭春海 許凱

摘要：中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展越來(lái)越快，半導(dǎo)體設(shè)備的產(chǎn)能，即晶圓傳送方法的研究在半導(dǎo)體裝備研制的過(guò)程中的作用愈加關(guān)鍵。涂膠顯影設(shè)備更需傳片方法來(lái)指導(dǎo)裝備的布局設(shè)計(jì)，提高裝備產(chǎn)能，滿足不同的嚴(yán)苛需求。文章根據(jù)半導(dǎo)體裝備發(fā)展的歷程，給出一般裝備的產(chǎn)能計(jì)算公式，同時(shí)對(duì)未來(lái)晶圓傳送方法提出了建議。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;半導(dǎo)體設(shè)備;涂膠顯影機(jī);晶圓傳送方法;產(chǎn)能計(jì)算 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN305 文章編號(hào)：1009-2374（2016）04-0071-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.036

1 概述

半導(dǎo)體設(shè)備涂膠顯影機(jī)是一種將不同工藝制程的機(jī)臺(tái)整合在一起，作為一個(gè)整體的制程裝備。該設(shè)備由載片系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)和制程系統(tǒng)三部分構(gòu)成。典型的半導(dǎo)體集束型裝備Track機(jī)是半導(dǎo)體前道工序設(shè)備中黃光區(qū)設(shè)備之一，其主要功能是光刻膠在晶圓表面的涂敷和顯影。隨著半導(dǎo)體裝備光刻機(jī)新技術(shù)的發(fā)展，光刻機(jī)產(chǎn)能也在快速提高，特別是ASML公司的TWINSCAN技術(shù)以及未來(lái)基于傳統(tǒng)TWINSCAN平臺(tái)的雙重曝光等新興技術(shù)的成熟，更進(jìn)一步提高了光刻機(jī)的產(chǎn)能，而涂膠顯影設(shè)備作為與之協(xié)作的連線設(shè)備，為了匹配高產(chǎn)能力，半導(dǎo)體生產(chǎn)線也對(duì)機(jī)器人晶圓傳送方法提出了更為嚴(yán)苛的要求。

2 晶圓傳送發(fā)展歷程

晶圓傳送方法和集束型裝備的布局有很大關(guān)系，根據(jù)其布局的不同，分為以下兩類：

2.1 早期軌道式布局

式中：TPi為單元工藝加工時(shí)間;TR為單元間傳送時(shí)間;Ti為空閑系數(shù)。

2.2 改良軌道式布局

早期軌道式裝備的產(chǎn)能主要受加工單元布局制約，單元加工時(shí)間遠(yuǎn)大于晶圓傳送時(shí)間，因此產(chǎn)能瓶頸是單元加工時(shí)間，為了平衡單元加工時(shí)間，提高主單元的利用率，產(chǎn)生了二代軌道式設(shè)備，如圖2所示：

產(chǎn)能計(jì)算公式：

（2）

式中：TPi為單元工藝加工時(shí)間;TR為單元間傳送時(shí)間;C為一次工作的晶圓數(shù);TPmF為第一片獨(dú)占設(shè)備時(shí)間;TPmL為最后一片獨(dú)占設(shè)備時(shí)間。

3 復(fù)雜型集束設(shè)備TRACK的傳片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改良軌道式布局的主單元利用率增加，單個(gè)軌道輸出產(chǎn)能基本固定，當(dāng)生產(chǎn)線產(chǎn)能要求很高時(shí)，軌道數(shù)需要成倍增加，由于是平面設(shè)備，空間利用率極低、軌道加工第一片上片和最后一片獨(dú)占設(shè)備時(shí)間不能忽略、傳送系統(tǒng)效率低下、空閑時(shí)間過(guò)高等問(wèn)題突出，因此現(xiàn)在主流設(shè)備都采用復(fù)雜式布局設(shè)備。

復(fù)雜型集束設(shè)備TRACK，采用立體式設(shè)計(jì)，傳片系統(tǒng)由2個(gè)自由度增加到4～5個(gè)自由度，可傳送單元增加，提高了加工單元的利用率。同時(shí)載片系統(tǒng)采用2～4個(gè)上片工位，可不間斷上片，消除了第一片上片時(shí)間帶來(lái)的產(chǎn)能降低。傳片結(jié)構(gòu)如圖3所示：

產(chǎn)能計(jì)算公式：

（3）

式中：TPi為單元工藝加工時(shí)間;TR為單元間傳送時(shí)間;Tk為調(diào)度算法調(diào)整系數(shù)。

復(fù)雜式設(shè)備的立體布局，不僅制程單元向堆疊式發(fā)展，同時(shí)傳送系統(tǒng)也由簡(jiǎn)單線性傳送變成了復(fù)雜路徑擇優(yōu)選擇，由于載片系統(tǒng)增加到了4個(gè)，每個(gè)加工任務(wù)（Job）的工藝加工制程順序由用戶配置成加工流程配方（Cluster Recipe），因此傳送系統(tǒng)的傳送路徑選擇也必須兼顧多個(gè)載片系統(tǒng)同時(shí)工作的情況，使得傳片的調(diào)度必須由專用算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即傳送調(diào)度算法。

4 傳片調(diào)度算法

傳片系統(tǒng)調(diào)度算法最初產(chǎn)生的目的就是要提高設(shè)備使用效率（Uptime，在線時(shí)間），提高設(shè)備的產(chǎn)能，防止設(shè)備發(fā)呆情況的發(fā)生。

傳片調(diào)度算法根據(jù)不同的機(jī)械手（Robot）和緩沖單元（Buffer）確定傳送路徑，通過(guò)循環(huán)遍歷程序來(lái)檢查傳送路徑上的空位，依次進(jìn)行晶圓配方工藝流程和最佳的傳送路徑的選擇和確定。這種調(diào)度算法采用的是實(shí)時(shí)判斷條件、事件/消息驅(qū)動(dòng)的模式，因此又稱為實(shí)時(shí)調(diào)度算法。調(diào)度流程如圖4所示：

其中：“晶圓流片分析”開(kāi)始分析晶圓工藝配方流程;“最優(yōu)選擇”選擇最佳傳送路徑?！白顑?yōu)選擇”即調(diào)度算法核心部分。在實(shí)時(shí)調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，為了滿足不同批次工作并行，能得到較好的產(chǎn)能等苛刻情況，增加了單元傳送優(yōu)先級(jí)設(shè)定、傳送時(shí)間自優(yōu)化，機(jī)械手取送優(yōu)先級(jí)設(shè)定、機(jī)械手預(yù)移動(dòng)等方法來(lái)提高產(chǎn)能，降低裝備應(yīng)用成本。

5 未來(lái)展望

未來(lái)的設(shè)備研發(fā)還在向著更高更多的應(yīng)用方向發(fā)展，對(duì)于晶圓產(chǎn)能提高的期望成為客戶和工藝共同的目標(biāo)，進(jìn)一步地壓縮調(diào)度算法占用的時(shí)間成本，提高調(diào)度算法的優(yōu)化比率，已經(jīng)是迫切的需求。未來(lái)的晶圓傳送調(diào)度算法，將向著傳送時(shí)間日志化、顯示化、傳送路徑預(yù)生成、傳送路徑用戶自整定的趨勢(shì)發(fā)展。

5.1 傳送時(shí)間日志化、顯示化

晶圓傳送調(diào)度算法在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的傳送時(shí)間記錄成日志文件，并且將這種日志通過(guò)可視的圖形方式顯示給用戶，讓用戶對(duì)特定某次的調(diào)度算法有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，這就是調(diào)度算法中傳送時(shí)間的日志化顯示化。如圖5所示：

圖示為具有兩個(gè)robot、兩個(gè)工藝單元的集束裝備上片過(guò)程的傳送時(shí)間日志文件的圖形顯示。

5.2 路徑預(yù)生成

多個(gè)傳送時(shí)間日志文件集合成數(shù)據(jù)庫(kù)，在一個(gè)調(diào)度周期開(kāi)始前預(yù)先根據(jù)這些數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄生成傳送路徑，這種調(diào)度周期預(yù)生成，預(yù)固定的方式，將調(diào)度算法由全運(yùn)算方式更改為查表方式和運(yùn)算方式的結(jié)合，可以節(jié)約運(yùn)算時(shí)間，直接提供可借鑒的優(yōu)化路徑選擇。結(jié)合傳送時(shí)間日志顯示化，能夠讓用戶在生產(chǎn)前就直觀地了解到設(shè)備中晶圓的傳送情況，并且根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)記載和當(dāng)前的情況的對(duì)比，可以預(yù)測(cè)設(shè)備的健康狀況，確定設(shè)備的維護(hù)周期和生命周期。另外，由于傳送時(shí)間日志文件可以應(yīng)用在同型號(hào)的同類設(shè)備上，因此這種文件形成的數(shù)據(jù)庫(kù)將為設(shè)備增添高附加值，提高品牌價(jià)值。

5.3 傳送路徑用戶自整定

半導(dǎo)體工藝是半導(dǎo)體行業(yè)的核心技術(shù)之一，半導(dǎo)體裝備制造商的客戶都有其獨(dú)有工藝設(shè)計(jì)。這些工藝上帶來(lái)的特定要求將會(huì)給傳片系統(tǒng)帶來(lái)不同程度的影響。鑒于這種特定要求是用戶核心技術(shù)，不但不能推廣使用，而且還要求裝備制造商為其客戶保密，因此允許客戶對(duì)傳送路徑的適度修改是比較好的解決辦法之一，這樣的好處是避免了調(diào)度算法因?yàn)樵O(shè)計(jì)盲區(qū)造成裝備的某些加工單元較低的利用率，提高了半導(dǎo)體裝備對(duì)半導(dǎo)體工藝的適應(yīng)性。由于這種調(diào)整完全由客戶自主完成，也有利于其核心技術(shù)的保護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體工藝要求的提高，高產(chǎn)能的需求是半導(dǎo)體裝備研發(fā)的動(dòng)力，當(dāng)裝備的集束性進(jìn)一步增強(qiáng)，將帶來(lái)更高的對(duì)調(diào)度算法優(yōu)化的需求，近年來(lái)對(duì)調(diào)度算法的研究日益重視，單一的實(shí)時(shí)調(diào)度算法已經(jīng)越來(lái)越凸顯出在復(fù)雜環(huán)境下行為不可預(yù)期、算法不易調(diào)整等問(wèn)題，因此調(diào)度算法的前瞻性、突破性研究對(duì)于半導(dǎo)體裝備制造商來(lái)說(shuō)已經(jīng)勢(shì)在必行。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）