緩存區工位和調度系統在CMP設備中的應用

田洪濤，王嘉琪，劉志偉，吳燕林

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

半導體專用設備主要用于晶體硅、脆硬材料的大批量自動生產，半導體專用設備是工藝性極強的設備，在CMP設備中，晶圓先要經過研磨工藝單元，然后進入清洗工藝單元，經過數次加工和傳遞后回到卡盒。

在研磨工藝單元中最多可同時加工4個晶圓，晶圓加工完畢后，需要立即被傳入清洗工藝單元，否則晶圓有長時間未被藥液浸泡而受損的風險。

在清洗工藝單元中，各個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械手不具備浸泡晶圓的功能，所以晶圓長時間停留在機械手上也會有受損的風險。

在正常加工過程中，各個工藝單元能夠保證晶圓的安全，但在有模塊出現故障導致無法完成正常傳片流程時，未能保持濕潤狀態的晶圓將會有長時間暴露在空氣中而受損的風險。緩存區工位可以起到暫存晶圓的作用，將有風險的晶圓收納到緩存區進行浸泡保護。各模組的分布示意如圖1所示。

圖1 模組流程圖

1 緩存區設計

緩存區采用水箱設計，能夠使晶圓始終浸泡在藥液中保證晶圓的安全。箱體有進液口和排液口，可用來控制緩存區的液位高低。箱體上方有溢水口，可針對某些特殊工藝實現緩存區液體不斷循環的功能。清洗模組的機械手可以到達緩存區，并可在緩存區進行取放晶圓的操作[1]。

緩存區有5個工位，啟用后會一直進行液位控制，使緩存區中的液位處于保護晶圓的最佳狀態，可以作為臨時存放晶圓的安全工位。緩存區使用過程中，如果有晶圓需要進入緩存區，會按照從1到5的順序接收晶圓，系統會記錄每一個晶圓先前的加工順序和位置。待機臺故障修復后，再由緩存區將晶圓傳輸到下一個工藝工位，進行正常的順序加工。不僅可以保護機臺內部晶圓的安全，還可以第一時間恢復機臺的傳片流程。

2 緩存區工作方式

緩存區工作啟用分4種情況。

（1）研磨區晶圓長時間無法進入清洗區時啟用緩存區

晶圓在研磨區加工完畢后，需要立即被傳入清洗工藝單元，否則晶圓有長時間未被藥液浸泡而受損的風險。該方法會提供一個超時設定供用戶選擇，當清洗1號工位的晶圓加工完畢后調度系統便會開始計時，如果該晶圓在清洗1號工位等待被傳輸到2號工位的時間超過設定值后，機械手會將晶圓從1號工位中取出，放入緩存區工位，這樣清洗區域會騰出一個位置供研磨區的晶圓進入，該種情況最多支持4片晶圓進入緩存區，最大限度保證研磨區晶圓的安全[2]。

待后續工位正常傳片后，機械手再從緩存區工位將晶圓取出，放入清洗2號工位，依次加工，如圖2所示。

圖2 超時啟用緩存區

（2）清洗區域有故障時啟用緩存區

當清洗區域工位出現故障，造成傳片流程受阻，此時系統會檢測清洗1號工位是否存在晶圓，如果存在晶圓，則不受用戶設定時間限制，直接將晶圓傳輸到緩存區，第一時間為研磨區的晶圓提供位置，此種情況緩存區最多支持4片晶圓的放入，保證了研磨區中所有晶圓的安全。

待后續工位解除故障后，機械手再從緩存區工位將晶圓取出，將緩存區的晶圓逐一放入清洗2號工位進行加工，如圖3所示。

圖3 故障啟用緩存區

（3）機械手中的晶圓待放入工位有故障時啟用緩存區

為了提高整體傳片效率，晶圓在清洗區域傳遞時，機械手會提前將晶圓從前一個工位中取出，等候在下一個工位上方。如果待放入工位出現故障，導致該晶圓無法正常放入下一個工位，機械手會第一時間將晶圓傳輸到緩存區，并且系統會記錄該晶圓當前的加工位置。

待故障修復后，被傳輸到緩存區的晶圓會根據先前記錄的位置，自動傳輸到下一個工藝工位中進行順序加工，如圖4所示。

圖4 待放入工位有故障時啟用緩存區

（4）外部故障觸發后啟用緩存區

當機臺有外部故障觸發，如：機臺卡盒端的傳輸裝置出現故障，或者操作人員人為的下線某一個模塊，導致機臺內部的晶圓也無法被傳回卡盒，此時調度系統會收到故障消息，清洗1號工位的晶圓將不受時間限制，直接被機械手傳輸到緩存區，給研磨區的晶圓讓出位置，最大限度保護所有晶圓的安全。

待故障修復后，機械手再從緩存區工位將晶圓取出，放入清洗2號工位，依次加工，如圖5所示。

圖5 外部故障啟用緩存區

3 進階功能

為了適用不同的工藝需求，調度系統還提供了優先關系的功能。用戶可選擇優先傳輸緩存區或優先常規流程兩種方式。當緩存區和清洗1號工位同時有晶圓待取出，此時系統會根據用戶事先設定的優先關系進行調度。

如果用戶選擇優先緩存區，則此時緩存區中的晶圓會先被取出進行順序依次加工。清洗1號工位的晶圓需等待2號工位空閑后才會被傳輸到2號工位。

如果用戶選擇優先常規流程，此時系統會優先將清洗1號工位晶圓挪至2號工位進行加工。待2號工位空閑后，緩存區的晶圓才會被挪至2號工位進行后續的加工。

4 結束語

通過采用該緩存區以及合理設計緩存區的調度方法，可以最大限度的解決CMP設備傳片流程異常時機臺內部晶圓的安全問題，保證了晶圓的良品率[3]。同時系統會計算晶圓的加工位置，為快速恢復常規流程提供了保障。