半導體涂膠顯影機產能分析

鄭春海 許凱

摘要：中國半導體行業發展越來越快，半導體設備的產能，即晶圓傳送方法的研究在半導體裝備研制的過程中的作用愈加關鍵。涂膠顯影設備更需傳片方法來指導裝備的布局設計，提高裝備產能，滿足不同的嚴苛需求。文章根據半導體裝備發展的歷程，給出一般裝備的產能計算公式，同時對未來晶圓傳送方法提出了建議。

關鍵詞：半導體;半導體設備;涂膠顯影機;晶圓傳送方法;產能計算 文獻標識碼：A

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

1 概述

半導體設備涂膠顯影機是一種將不同工藝制程的機臺整合在一起，作為一個整體的制程裝備。該設備由載片系統、傳送系統和制程系統三部分構成。典型的半導體集束型裝備Track機是半導體前道工序設備中黃光區設備之一，其主要功能是光刻膠在晶圓表面的涂敷和顯影。隨著半導體裝備光刻機新技術的發展，光刻機產能也在快速提高，特別是ASML公司的TWINSCAN技術以及未來基于傳統TWINSCAN平臺的雙重曝光等新興技術的成熟，更進一步提高了光刻機的產能，而涂膠顯影設備作為與之協作的連線設備，為了匹配高產能力，半導體生產線也對機器人晶圓傳送方法提出了更為嚴苛的要求。

2 晶圓傳送發展歷程

晶圓傳送方法和集束型裝備的布局有很大關系，根據其布局的不同，分為以下兩類：

2.1 早期軌道式布局

式中：TPi為單元工藝加工時間;TR為單元間傳送時間;Ti為空閑系數。

2.2 改良軌道式布局

早期軌道式裝備的產能主要受加工單元布局制約，單元加工時間遠大于晶圓傳送時間，因此產能瓶頸是單元加工時間，為了平衡單元加工時間，提高主單元的利用率，產生了二代軌道式設備，如圖2所示：

產能計算公式：

（2）

式中：TPi為單元工藝加工時間;TR為單元間傳送時間;C為一次工作的晶圓數;TPmF為第一片獨占設備時間;TPmL為最后一片獨占設備時間。

3 復雜型集束設備TRACK的傳片結構設計

改良軌道式布局的主單元利用率增加，單個軌道輸出產能基本固定，當生產線產能要求很高時，軌道數需要成倍增加，由于是平面設備，空間利用率極低、軌道加工第一片上片和最后一片獨占設備時間不能忽略、傳送系統效率低下、空閑時間過高等問題突出，因此現在主流設備都采用復雜式布局設備。

復雜型集束設備TRACK，采用立體式設計，傳片系統由2個自由度增加到4～5個自由度，可傳送單元增加，提高了加工單元的利用率。同時載片系統采用2～4個上片工位，可不間斷上片，消除了第一片上片時間帶來的產能降低。傳片結構如圖3所示：

產能計算公式：

（3）

式中：TPi為單元工藝加工時間;TR為單元間傳送時間;Tk為調度算法調整系數。

復雜式設備的立體布局，不僅制程單元向堆疊式發展，同時傳送系統也由簡單線性傳送變成了復雜路徑擇優選擇，由于載片系統增加到了4個，每個加工任務（Job）的工藝加工制程順序由用戶配置成加工流程配方（Cluster Recipe），因此傳送系統的傳送路徑選擇也必須兼顧多個載片系統同時工作的情況，使得傳片的調度必須由專用算法來實現，即傳送調度算法。

4 傳片調度算法

傳片系統調度算法最初產生的目的就是要提高設備使用效率（Uptime，在線時間），提高設備的產能，防止設備發呆情況的發生。

傳片調度算法根據不同的機械手（Robot）和緩沖單元（Buffer）確定傳送路徑，通過循環遍歷程序來檢查傳送路徑上的空位，依次進行晶圓配方工藝流程和最佳的傳送路徑的選擇和確定。這種調度算法采用的是實時判斷條件、事件/消息驅動的模式，因此又稱為實時調度算法。調度流程如圖4所示：

其中：“晶圓流片分析”開始分析晶圓工藝配方流程;“最優選擇”選擇最佳傳送路徑。“最優選擇”即調度算法核心部分。在實時調度算法的基礎上，為了滿足不同批次工作并行，能得到較好的產能等苛刻情況，增加了單元傳送優先級設定、傳送時間自優化，機械手取送優先級設定、機械手預移動等方法來提高產能，降低裝備應用成本。

5 未來展望

未來的設備研發還在向著更高更多的應用方向發展，對于晶圓產能提高的期望成為客戶和工藝共同的目標，進一步地壓縮調度算法占用的時間成本，提高調度算法的優化比率，已經是迫切的需求。未來的晶圓傳送調度算法，將向著傳送時間日志化、顯示化、傳送路徑預生成、傳送路徑用戶自整定的趨勢發展。

5.1 傳送時間日志化、顯示化

晶圓傳送調度算法在一個調度周期內的傳送時間記錄成日志文件，并且將這種日志通過可視的圖形方式顯示給用戶，讓用戶對特定某次的調度算法有一個直觀的認識，這就是調度算法中傳送時間的日志化顯示化。如圖5所示：

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

5.2 路徑預生成

多個傳送時間日志文件集合成數據庫，在一個調度周期開始前預先根據這些數據庫的記錄生成傳送路徑，這種調度周期預生成，預固定的方式，將調度算法由全運算方式更改為查表方式和運算方式的結合，可以節約運算時間，直接提供可借鑒的優化路徑選擇。結合傳送時間日志顯示化，能夠讓用戶在生產前就直觀地了解到設備中晶圓的傳送情況，并且根據數據庫記載和當前的情況的對比，可以預測設備的健康狀況，確定設備的維護周期和生命周期。另外，由于傳送時間日志文件可以應用在同型號的同類設備上，因此這種文件形成的數據庫將為設備增添高附加值，提高品牌價值。

5.3 傳送路徑用戶自整定

半導體工藝是半導體行業的核心技術之一，半導體裝備制造商的客戶都有其獨有工藝設計。這些工藝上帶來的特定要求將會給傳片系統帶來不同程度的影響。鑒于這種特定要求是用戶核心技術，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度算法因為設計盲區造成裝備的某些加工單元較低的利用率，提高了半導體裝備對半導體工藝的適應性。由于這種調整完全由客戶自主完成，也有利于其核心技術的保護。

6 結語

半導體工藝要求的提高，高產能的需求是半導體裝備研發的動力，當裝備的集束性進一步增強，將帶來更高的對調度算法優化的需求，近年來對調度算法的研究日益重視，單一的實時調度算法已經越來越凸顯出在復雜環境下行為不可預期、算法不易調整等問題，因此調度算法的前瞻性、突破性研究對于半導體裝備制造商來說已經勢在必行。

（責任編輯：秦遜玉）