半导体涂胶显影机产能分析

郑春海 许凯

摘要：中国半导体行业发展越来越快，半导体设备的产能，即晶圆传送方法的研究在半导体装备研制的过程中的作用愈加关键。涂胶显影设备更需传片方法来指导装备的布局设计，提高装备产能，满足不同的严苛需求。文章根据半导体装备发展的历程，给出一般装备的产能计算公式，同时对未来晶圆传送方法提出了建议。

关键词：半导体;半导体设备;涂胶显影机;晶圆传送方法;产能计算 文献标识码：A

中图分类号：TN305 文章编号：1009-2374（2016）04-0071-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.036

1 概述

半导体设备涂胶显影机是一种将不同工艺制程的机台整合在一起，作为一个整体的制程装备。该设备由载片系统、传送系统和制程系统三部分构成。典型的半导体集束型装备Track机是半导体前道工序设备中黄光区设备之一，其主要功能是光刻胶在晶圆表面的涂敷和显影。随着半导体装备光刻机新技术的发展，光刻机产能也在快速提高，特别是ASML公司的TWINSCAN技术以及未来基于传统TWINSCAN平台的双重曝光等新兴技术的成熟，更进一步提高了光刻机的产能，而涂胶显影设备作为与之协作的连线设备，为了匹配高产能力，半导体生产线也对机器人晶圆传送方法提出了更为严苛的要求。

2 晶圆传送发展历程

晶圆传送方法和集束型装备的布局有很大关系，根据其布局的不同，分为以下两类：

2.1 早期轨道式布局

式中：TPi为单元工艺加工时间;TR为单元间传送时间;Ti为空闲系数。

2.2 改良轨道式布局

早期轨道式装备的产能主要受加工单元布局制约，单元加工时间远大于晶圆传送时间，因此产能瓶颈是单元加工时间，为了平衡单元加工时间，提高主单元的利用率，产生了二代轨道式设备，如图2所示：

产能计算公式：

（2）

式中：TPi为单元工艺加工时间;TR为单元间传送时间;C为一次工作的晶圆数;TPmF为第一片独占设备时间;TPmL为最后一片独占设备时间。

3 复杂型集束设备TRACK的传片结构设计

改良轨道式布局的主单元利用率增加，单个轨道输出产能基本固定，当生产线产能要求很高时，轨道数需要成倍增加，由于是平面设备，空间利用率极低、轨道加工第一片上片和最后一片独占设备时间不能忽略、传送系统效率低下、空闲时间过高等问题突出，因此现在主流设备都采用复杂式布局设备。

复杂型集束设备TRACK，采用立体式设计，传片系统由2个自由度增加到4～5个自由度，可传送单元增加，提高了加工单元的利用率。同时载片系统采用2～4个上片工位，可不间断上片，消除了第一片上片时间带来的产能降低。传片结构如图3所示：

产能计算公式：

（3）

式中：TPi为单元工艺加工时间;TR为单元间传送时间;Tk为调度算法调整系数。

复杂式设备的立体布局，不仅制程单元向堆叠式发展，同时传送系统也由简单线性传送变成了复杂路径择优选择，由于载片系统增加到了4个，每个加工任务（Job）的工艺加工制程顺序由用户配置成加工流程配方（Cluster Recipe），因此传送系统的传送路径选择也必须兼顾多个载片系统同时工作的情况，使得传片的调度必须由专用算法来实现，即传送调度算法。

4 传片调度算法

传片系统调度算法最初产生的目的就是要提高设备使用效率（Uptime，在线时间），提高设备的产能，防止设备发呆情况的发生。

传片调度算法根据不同的机械手（Robot）和缓冲单元（Buffer）确定传送路径，通过循环遍历程序来检查传送路径上的空位，依次进行晶圆配方工艺流程和最佳的传送路径的选择和确定。这种调度算法采用的是实时判断条件、事件/消息驱动的模式，因此又称为实时调度算法。调度流程如图4所示：

其中：“晶圆流片分析”开始分析晶圆工艺配方流程;“最优选择”选择最佳传送路径。“最优选择”即调度算法核心部分。在实时调度算法的基础上，为了满足不同批次工作并行，能得到较好的产能等苛刻情况，增加了单元传送优先级设定、传送时间自优化，机械手取送优先级设定、机械手预移动等方法来提高产能，降低装备应用成本。

5 未来展望

未来的设备研发还在向着更高更多的应用方向发展，对于晶圆产能提高的期望成为客户和工艺共同的目标，进一步地压缩调度算法占用的时间成本，提高调度算法的优化比率，已经是迫切的需求。未来的晶圆传送调度算法，将向着传送时间日志化、显示化、传送路径预生成、传送路径用户自整定的趋势发展。

5.1 传送时间日志化、显示化

晶圆传送调度算法在一个调度周期内的传送时间记录成日志文件，并且将这种日志通过可视的图形方式显示给用户，让用户对特定某次的调度算法有一个直观的认识，这就是调度算法中传送时间的日志化显示化。如图5所示：

图示为具有两个robot、两个工艺单元的集束装备上片过程的传送时间日志文件的图形显示。

5.2 路径预生成

多个传送时间日志文件集合成数据库，在一个调度周期开始前预先根据这些数据库的记录生成传送路径，这种调度周期预生成，预固定的方式，将调度算法由全运算方式更改为查表方式和运算方式的结合，可以节约运算时间，直接提供可借鉴的优化路径选择。结合传送时间日志显示化，能够让用户在生产前就直观地了解到设备中晶圆的传送情况，并且根据数据库记载和当前的情况的对比，可以预测设备的健康状况，确定设备的维护周期和生命周期。另外，由于传送时间日志文件可以应用在同型号的同类设备上，因此这种文件形成的数据库将为设备增添高附加值，提高品牌价值。

5.3 传送路径用户自整定

半导体工艺是半导体行业的核心技术之一，半导体装备制造商的客户都有其独有工艺设计。这些工艺上带来的特定要求将会给传片系统带来不同程度的影响。鉴于这种特定要求是用户核心技术，不但不能推广使用，而且还要求装备制造商为其客户保密，因此允许客户对传送路径的适度修改是比较好的解决办法之一，这样的好处是避免了调度算法因为设计盲区造成装备的某些加工单元较低的利用率，提高了半导体装备对半导体工艺的适应性。由于这种调整完全由客户自主完成，也有利于其核心技术的保护。

6 结语

半导体工艺要求的提高，高产能的需求是半导体装备研发的动力，当装备的集束性进一步增强，将带来更高的对调度算法优化的需求，近年来对调度算法的研究日益重视，单一的实时调度算法已经越来越凸显出在复杂环境下行为不可预期、算法不易调整等问题，因此调度算法的前瞻性、突破性研究对于半导体装备制造商来说已经势在必行。

（责任编辑：秦逊玉）