涂膠顯影機(jī)的產(chǎn)能設(shè)計(jì)

胡延兵,尹 寧

(沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備有限公司，遼寧沈陽(yáng)110168)

在現(xiàn)代半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠，量產(chǎn)的涂膠顯影機(jī)是與光刻機(jī)聯(lián)線作業(yè)的，該涂膠顯影機(jī)離線生產(chǎn)時(shí)的產(chǎn)能要高于光刻機(jī)的產(chǎn)能，產(chǎn)能設(shè)計(jì)是量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的重要部分。

涂膠顯影機(jī)的產(chǎn)能主要取決于機(jī)臺(tái)內(nèi)工藝模塊的產(chǎn)能、晶圓傳遞機(jī)器人的產(chǎn)能、調(diào)度控制系統(tǒng)的品質(zhì)，設(shè)計(jì)三個(gè)時(shí)間參數(shù)并配置相關(guān)技術(shù)參數(shù)，可以將機(jī)臺(tái)內(nèi)工藝模塊的產(chǎn)能設(shè)計(jì)和晶圓傳遞機(jī)器人的產(chǎn)能設(shè)計(jì)有效結(jié)合，滿足量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)目標(biāo)產(chǎn)能的設(shè)計(jì)需求。

1 時(shí)間參數(shù)設(shè)計(jì)方法

量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)需要完成涂膠前增粘處理、涂膠、涂膠后軟烘，曝光后烘烤、顯影、顯影后硬烘等主要工藝處理過(guò)程，機(jī)臺(tái)內(nèi)工藝模塊種類及數(shù)量較多、晶圓傳遞的機(jī)器人也較多。通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)臺(tái)的工藝時(shí)間參數(shù)、工藝模塊的工藝處理周期時(shí)間參數(shù)、傳遞機(jī)器人的工藝傳遞周期時(shí)間參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)臺(tái)內(nèi)工藝模塊和傳遞機(jī)器人在技術(shù)層面上的配置合理，從而完成量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)的產(chǎn)能設(shè)計(jì)[1]。

量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)的產(chǎn)能主要取決于工藝模塊的種類、數(shù)量、產(chǎn)能，機(jī)器人的傳遞晶圓速度、傳遞路徑，機(jī)臺(tái)內(nèi)工藝模塊的結(jié)構(gòu)及布局等三方面，時(shí)間參數(shù)是這三方面的關(guān)系紐帶，設(shè)計(jì)時(shí)間參數(shù)是量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)產(chǎn)能設(shè)計(jì)的核心[2]。

1.1 時(shí)間參數(shù)的定義

（1）機(jī)臺(tái)的工藝時(shí)間參數(shù)Tp，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)能確立：

其中：為目標(biāo)產(chǎn)能。

（2）工藝模塊的工藝處理周期時(shí)間參數(shù)Tn：

其中：Tn0為工藝模塊處理時(shí)間；

Tn'為工藝模塊輔助時(shí)間；

n 為工藝模塊數(shù)量。

（3）傳遞機(jī)器人的工藝傳遞周期時(shí)間參數(shù)Tr：

其中：Tr0為兩個(gè)工藝處理模塊之間的晶圓傳遞時(shí)間；

n0為傳遞機(jī)器人服務(wù)的工藝處理模塊種類。

1.2 時(shí)間參數(shù)的配置

（1）根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)能，確立機(jī)臺(tái)的工藝時(shí)間參數(shù)Tp；

（2）通過(guò)配置工藝處理模塊數(shù)量，使得各個(gè)工藝處理模塊的工藝處理周期時(shí)間參數(shù)Tn盡量一致，并接近參數(shù)Tp；

（3）通過(guò)配置傳遞機(jī)器人速度，使得各個(gè)傳遞機(jī)器人的工藝傳遞周期時(shí)間參數(shù)Tr盡量一致，并接近參數(shù)Tp；

（4）設(shè)計(jì)工藝處理周期時(shí)間參數(shù)Tn與工藝傳遞周期時(shí)間參數(shù)Tr盡量一致，使得工藝處理模塊的模塊產(chǎn)能與工藝傳遞機(jī)器人的傳遞產(chǎn)能匹配，Tn和Tr參數(shù)值接近Tp參數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)臺(tái)產(chǎn)能。

2 量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)的產(chǎn)能設(shè)計(jì)應(yīng)用

以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)能150 片/h 的涂膠顯影機(jī)為例，該涂膠顯影機(jī)與光刻機(jī)聯(lián)線量產(chǎn)，進(jìn)行產(chǎn)能設(shè)計(jì)應(yīng)用說(shuō)明。

2.1 確立機(jī)臺(tái)的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

（1）通過(guò)設(shè)計(jì)輸入的目標(biāo)產(chǎn)能，確立機(jī)臺(tái)的工藝時(shí)間參數(shù)：依據(jù)目標(biāo)產(chǎn)能150 片/h，工藝時(shí)間參數(shù)Tp=3600/150=24 s

（2）通過(guò)設(shè)計(jì)輸入的功能及工藝要求，確定涂膠顯影機(jī)的組成：與光刻機(jī)聯(lián)線生產(chǎn)的量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)，其主要功能是將晶圓在本機(jī)的片盒中卸載后，在本機(jī)內(nèi)進(jìn)行涂膠工藝處理，之后通過(guò)接口部分進(jìn)入光刻機(jī)中曝光，之后再經(jīng)接口部分返回本機(jī)進(jìn)行顯影工藝處理，最后再將晶圓裝載回本機(jī)的片盒。

再結(jié)合量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)的工藝生產(chǎn)特點(diǎn)，確定出涂膠顯影機(jī)的主要工藝模塊、輔助工藝處理模塊、晶圓傳遞機(jī)器人組成信息。其中，主要工藝處理模塊包括：涂膠前冷卻處理、顯影后冷卻處理、增粘處理、涂膠處理、涂膠后軟烘處理、顯影后硬烘處理、顯影處理、顯影前冷卻處理、軟烘后冷卻處理、曝光后烘烤處理、晶圓邊緣曝光處理；輔助工藝處理模塊包括：晶圓卸載/ 裝載處理、晶圓緩沖存放處理、光刻機(jī)入口載臺(tái)、光刻機(jī)出口載臺(tái)；晶圓傳遞機(jī)器人包括：片盒機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、顯影機(jī)器人、接口機(jī)器人。

2.2 設(shè)計(jì)工藝模塊的產(chǎn)能

2.2.1 設(shè)計(jì)工藝模塊的工藝處理周期時(shí)間參數(shù)

依據(jù)機(jī)臺(tái)內(nèi)給定的主要模塊工藝處理時(shí)間及工藝輔助時(shí)間，配置相應(yīng)工藝處理模塊個(gè)數(shù)，按照公式（2），取得各個(gè)工藝處理模塊的Tn參數(shù)值，盡量保證該參數(shù)值接近Tp參數(shù)值；根據(jù)公式（1），取得各個(gè)工藝處理模塊的產(chǎn)能值，如表1 所示。

2.2.2 確定出涂膠顯影機(jī)的基本組成架構(gòu)

根據(jù)以上Tn值，確定主要工藝模塊、輔助工藝模塊、晶圓傳遞機(jī)器人的配置數(shù)量和安裝位置信息，涂膠顯影機(jī)的基本組成架構(gòu)如圖l 所示。

表1 各工藝處理模塊的產(chǎn)能計(jì)算

圖l 涂膠顯影機(jī)架構(gòu)示意圖

2.3 設(shè)計(jì)傳遞機(jī)器人的產(chǎn)能

2.3.1 設(shè)計(jì)傳遞機(jī)器人的工藝傳遞周期時(shí)間參數(shù)

配置各個(gè)晶圓傳遞機(jī)器人的速度，即設(shè)定機(jī)器人在兩個(gè)工藝處理模塊之間的晶圓傳遞時(shí)間。按照公式（3），取得各個(gè)工藝傳遞機(jī)器人的Tr參數(shù)值，盡量保證該參數(shù)值接近Tp參數(shù)值；按照公式（1），取得各個(gè)晶圓傳遞機(jī)器人的產(chǎn)能值，如表2 所示。

2.3.2 確定出各工藝機(jī)器人的基本服務(wù)信息

根據(jù)以上Tr值，確定各個(gè)機(jī)器人服務(wù)的工藝模塊種類及具體工藝模塊名稱，如表3 所示。

2.4 匹配涂膠顯影機(jī)的3 個(gè)時(shí)間參數(shù)：

在明確了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的涂膠顯影機(jī)的目標(biāo)產(chǎn)能后，首先確定了機(jī)臺(tái)的工藝時(shí)間參數(shù)Tp為24，再設(shè)計(jì)工藝處理周期時(shí)間參數(shù)Tn和工藝傳遞周期時(shí)間參數(shù)Tr，參數(shù)值在23.0-23.6 之間，Tn與Tr基本維持在一個(gè)數(shù)量級(jí)之內(nèi)，這樣使得工藝處理模塊的模塊產(chǎn)能與工藝傳遞機(jī)器人的傳遞產(chǎn)能較為接近，Tn和Tr參數(shù)值略小于Tp參數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)臺(tái)的目標(biāo)產(chǎn)能。

表2 各個(gè)傳遞機(jī)器人的產(chǎn)能計(jì)算

表3 各個(gè)機(jī)器人服務(wù)的工藝模塊

3 結(jié) 論

以三個(gè)時(shí)間參數(shù)為函數(shù)進(jìn)行量產(chǎn)涂膠顯影機(jī)的產(chǎn)能設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法是在給定工藝技術(shù)要求，即給定模塊的工藝時(shí)間與整機(jī)產(chǎn)能要求后，就可以配制出工藝處理模塊的數(shù)量及位置、工藝傳遞晶圓的速度及路線，使得二者與目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)能要求相匹配，它們之間形成了有機(jī)的聯(lián)系，縮短了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間周期，減少了量產(chǎn)機(jī)臺(tái)試制過(guò)程中的資金浪費(fèi)，提高了開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的性價(jià)比。

[1] Quirk M，夸克，Serda J，et al. 半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] Sze S M，May G S，軍寧，等.半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)[M].武漢：安徽大學(xué)出版社，2007.