緩存區(qū)工位和調(diào)度系統(tǒng)在CMP設(shè)備中的應(yīng)用

田洪濤，王嘉琪，劉志偉，吳燕林

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

半導(dǎo)體專用設(shè)備主要用于晶體硅、脆硬材料的大批量自動(dòng)生產(chǎn)，半導(dǎo)體專用設(shè)備是工藝性極強(qiáng)的設(shè)備，在CMP設(shè)備中，晶圓先要經(jīng)過研磨工藝單元，然后進(jìn)入清洗工藝單元，經(jīng)過數(shù)次加工和傳遞后回到卡盒。

在研磨工藝單元中最多可同時(shí)加工4個(gè)晶圓，晶圓加工完畢后，需要立即被傳入清洗工藝單元，否則晶圓有長(zhǎng)時(shí)間未被藥液浸泡而受損的風(fēng)險(xiǎn)。

在清洗工藝單元中，各個(gè)工藝工位中晶圓能夠得到藥液的浸泡，是安全的。用來傳遞清洗工藝單元的機(jī)械手不具備浸泡晶圓的功能，所以晶圓長(zhǎng)時(shí)間停留在機(jī)械手上也會(huì)有受損的風(fēng)險(xiǎn)。

在正常加工過程中，各個(gè)工藝單元能夠保證晶圓的安全，但在有模塊出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法完成正常傳片流程時(shí)，未能保持濕潤(rùn)狀態(tài)的晶圓將會(huì)有長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中而受損的風(fēng)險(xiǎn)。緩存區(qū)工位可以起到暫存晶圓的作用，將有風(fēng)險(xiǎn)的晶圓收納到緩存區(qū)進(jìn)行浸泡保護(hù)。各模組的分布示意如圖1所示。

圖1 模組流程圖

1 緩存區(qū)設(shè)計(jì)

緩存區(qū)采用水箱設(shè)計(jì)，能夠使晶圓始終浸泡在藥液中保證晶圓的安全。箱體有進(jìn)液口和排液口，可用來控制緩存區(qū)的液位高低。箱體上方有溢水口，可針對(duì)某些特殊工藝實(shí)現(xiàn)緩存區(qū)液體不斷循環(huán)的功能。清洗模組的機(jī)械手可以到達(dá)緩存區(qū)，并可在緩存區(qū)進(jìn)行取放晶圓的操作[1]。

緩存區(qū)有5個(gè)工位，啟用后會(huì)一直進(jìn)行液位控制，使緩存區(qū)中的液位處于保護(hù)晶圓的最佳狀態(tài)，可以作為臨時(shí)存放晶圓的安全工位。緩存區(qū)使用過程中，如果有晶圓需要進(jìn)入緩存區(qū)，會(huì)按照從1到5的順序接收晶圓，系統(tǒng)會(huì)記錄每一個(gè)晶圓先前的加工順序和位置。待機(jī)臺(tái)故障修復(fù)后，再由緩存區(qū)將晶圓傳輸?shù)较乱粋€(gè)工藝工位，進(jìn)行正常的順序加工。不僅可以保護(hù)機(jī)臺(tái)內(nèi)部晶圓的安全，還可以第一時(shí)間恢復(fù)機(jī)臺(tái)的傳片流程。

2 緩存區(qū)工作方式

緩存區(qū)工作啟用分4種情況。

（1）研磨區(qū)晶圓長(zhǎng)時(shí)間無法進(jìn)入清洗區(qū)時(shí)啟用緩存區(qū)

晶圓在研磨區(qū)加工完畢后，需要立即被傳入清洗工藝單元，否則晶圓有長(zhǎng)時(shí)間未被藥液浸泡而受損的風(fēng)險(xiǎn)。該方法會(huì)提供一個(gè)超時(shí)設(shè)定供用戶選擇，當(dāng)清洗1號(hào)工位的晶圓加工完畢后調(diào)度系統(tǒng)便會(huì)開始計(jì)時(shí)，如果該晶圓在清洗1號(hào)工位等待被傳輸?shù)?號(hào)工位的時(shí)間超過設(shè)定值后，機(jī)械手會(huì)將晶圓從1號(hào)工位中取出，放入緩存區(qū)工位，這樣清洗區(qū)域會(huì)騰出一個(gè)位置供研磨區(qū)的晶圓進(jìn)入，該種情況最多支持4片晶圓進(jìn)入緩存區(qū)，最大限度保證研磨區(qū)晶圓的安全[2]。

待后續(xù)工位正常傳片后，機(jī)械手再?gòu)木彺鎱^(qū)工位將晶圓取出，放入清洗2號(hào)工位，依次加工，如圖2所示。

圖2 超時(shí)啟用緩存區(qū)

（2）清洗區(qū)域有故障時(shí)啟用緩存區(qū)

當(dāng)清洗區(qū)域工位出現(xiàn)故障，造成傳片流程受阻，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)清洗1號(hào)工位是否存在晶圓，如果存在晶圓，則不受用戶設(shè)定時(shí)間限制，直接將晶圓傳輸?shù)骄彺鎱^(qū)，第一時(shí)間為研磨區(qū)的晶圓提供位置，此種情況緩存區(qū)最多支持4片晶圓的放入，保證了研磨區(qū)中所有晶圓的安全。

待后續(xù)工位解除故障后，機(jī)械手再?gòu)木彺鎱^(qū)工位將晶圓取出，將緩存區(qū)的晶圓逐一放入清洗2號(hào)工位進(jìn)行加工，如圖3所示。

圖3 故障啟用緩存區(qū)

（3）機(jī)械手中的晶圓待放入工位有故障時(shí)啟用緩存區(qū)

為了提高整體傳片效率，晶圓在清洗區(qū)域傳遞時(shí)，機(jī)械手會(huì)提前將晶圓從前一個(gè)工位中取出，等候在下一個(gè)工位上方。如果待放入工位出現(xiàn)故障，導(dǎo)致該晶圓無法正常放入下一個(gè)工位，機(jī)械手會(huì)第一時(shí)間將晶圓傳輸?shù)骄彺鎱^(qū)，并且系統(tǒng)會(huì)記錄該晶圓當(dāng)前的加工位置。

待故障修復(fù)后，被傳輸?shù)骄彺鎱^(qū)的晶圓會(huì)根據(jù)先前記錄的位置，自動(dòng)傳輸?shù)较乱粋€(gè)工藝工位中進(jìn)行順序加工，如圖4所示。

圖4 待放入工位有故障時(shí)啟用緩存區(qū)

（4）外部故障觸發(fā)后啟用緩存區(qū)

當(dāng)機(jī)臺(tái)有外部故障觸發(fā)，如：機(jī)臺(tái)卡盒端的傳輸裝置出現(xiàn)故障，或者操作人員人為的下線某一個(gè)模塊，導(dǎo)致機(jī)臺(tái)內(nèi)部的晶圓也無法被傳回卡盒，此時(shí)調(diào)度系統(tǒng)會(huì)收到故障消息，清洗1號(hào)工位的晶圓將不受時(shí)間限制，直接被機(jī)械手傳輸?shù)骄彺鎱^(qū)，給研磨區(qū)的晶圓讓出位置，最大限度保護(hù)所有晶圓的安全。

待故障修復(fù)后，機(jī)械手再?gòu)木彺鎱^(qū)工位將晶圓取出，放入清洗2號(hào)工位，依次加工，如圖5所示。

圖5 外部故障啟用緩存區(qū)

3 進(jìn)階功能

為了適用不同的工藝需求，調(diào)度系統(tǒng)還提供了優(yōu)先關(guān)系的功能。用戶可選擇優(yōu)先傳輸緩存區(qū)或優(yōu)先常規(guī)流程兩種方式。當(dāng)緩存區(qū)和清洗1號(hào)工位同時(shí)有晶圓待取出，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶事先設(shè)定的優(yōu)先關(guān)系進(jìn)行調(diào)度。

如果用戶選擇優(yōu)先緩存區(qū)，則此時(shí)緩存區(qū)中的晶圓會(huì)先被取出進(jìn)行順序依次加工。清洗1號(hào)工位的晶圓需等待2號(hào)工位空閑后才會(huì)被傳輸?shù)?號(hào)工位。

如果用戶選擇優(yōu)先常規(guī)流程，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先將清洗1號(hào)工位晶圓挪至2號(hào)工位進(jìn)行加工。待2號(hào)工位空閑后，緩存區(qū)的晶圓才會(huì)被挪至2號(hào)工位進(jìn)行后續(xù)的加工。

4 結(jié)束語

通過采用該緩存區(qū)以及合理設(shè)計(jì)緩存區(qū)的調(diào)度方法，可以最大限度的解決CMP設(shè)備傳片流程異常時(shí)機(jī)臺(tái)內(nèi)部晶圓的安全問題，保證了晶圓的良品率[3]。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)計(jì)算晶圓的加工位置，為快速恢復(fù)常規(guī)流程提供了保障。