缓存区工位和调度系统在CMP设备中的应用

田洪涛，王嘉琪，刘志伟，吴燕林

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

半导体专用设备主要用于晶体硅、脆硬材料的大批量自动生产，半导体专用设备是工艺性极强的设备，在CMP设备中，晶圆先要经过研磨工艺单元，然后进入清洗工艺单元，经过数次加工和传递后回到卡盒。

在研磨工艺单元中最多可同时加工4个晶圆，晶圆加工完毕后，需要立即被传入清洗工艺单元，否则晶圆有长时间未被药液浸泡而受损的风险。

在清洗工艺单元中，各个工艺工位中晶圆能够得到药液的浸泡，是安全的。用来传递清洗工艺单元的机械手不具备浸泡晶圆的功能，所以晶圆长时间停留在机械手上也会有受损的风险。

在正常加工过程中，各个工艺单元能够保证晶圆的安全，但在有模块出现故障导致无法完成正常传片流程时，未能保持湿润状态的晶圆将会有长时间暴露在空气中而受损的风险。缓存区工位可以起到暂存晶圆的作用，将有风险的晶圆收纳到缓存区进行浸泡保护。各模组的分布示意如图1所示。

图1 模组流程图

缓存区采用水箱设计，能够使晶圆始终浸泡在药液中保证晶圆的安全。箱体有进液口和排液口，可用来控制缓存区的液位高低。箱体上方有溢水口，可针对某些特殊工艺实现缓存区液体不断循环的功能。清洗模组的机械手可以到达缓存区，并可在缓存区进行取放晶圆的操作[1]。

缓存区有5个工位，启用后会一直进行液位控制，使缓存区中的液位处于保护晶圆的最佳状态，可以作为临时存放晶圆的安全工位。缓存区使用过程中，如果有晶圆需要进入缓存区，会按照从1到5的顺序接收晶圆，系统会记录每一个晶圆先前的加工顺序和位置。待机台故障修复后，再由缓存区将晶圆传输到下一个工艺工位，进行正常的顺序加工。不仅可以保护机台内部晶圆的安全，还可以第一时间恢复机台的传片流程。

缓存区工作启用分4种情况。

（1）研磨区晶圆长时间无法进入清洗区时启用缓存区

晶圆在研磨区加工完毕后，需要立即被传入清洗工艺单元，否则晶圆有长时间未被药液浸泡而受损的风险。该方法会提供一个超时设定供用户选择，当清洗1号工位的晶圆加工完毕后调度系统便会开始计时，如果该晶圆在清洗1号工位等待被传输到2号工位的时间超过设定值后，机械手会将晶圆从1号工位中取出，放入缓存区工位，这样清洗区域会腾出一个位置供研磨区的晶圆进入，该种情况最多支持4片晶圆进入缓存区，最大限度保证研磨区晶圆的安全[2]。

待后续工位正常传片后，机械手再从缓存区工位将晶圆取出，放入清洗2号工位，依次加工，如图2所示。

图2 超时启用缓存区

（2）清洗区域有故障时启用缓存区

当清洗区域工位出现故障，造成传片流程受阻，此时系统会检测清洗1号工位是否存在晶圆，如果存在晶圆，则不受用户设定时间限制，直接将晶圆传输到缓存区，第一时间为研磨区的晶圆提供位置，此种情况缓存区最多支持4片晶圆的放入，保证了研磨区中所有晶圆的安全。

待后续工位解除故障后，机械手再从缓存区工位将晶圆取出，将缓存区的晶圆逐一放入清洗2号工位进行加工，如图3所示。

图3 故障启用缓存区

（3）机械手中的晶圆待放入工位有故障时启用缓存区

为了提高整体传片效率，晶圆在清洗区域传递时，机械手会提前将晶圆从前一个工位中取出，等候在下一个工位上方。如果待放入工位出现故障，导致该晶圆无法正常放入下一个工位，机械手会第一时间将晶圆传输到缓存区，并且系统会记录该晶圆当前的加工位置。

待故障修复后，被传输到缓存区的晶圆会根据先前记录的位置，自动传输到下一个工艺工位中进行顺序加工，如图4所示。

图4 待放入工位有故障时启用缓存区

（4）外部故障触发后启用缓存区

当机台有外部故障触发，如：机台卡盒端的传输装置出现故障，或者操作人员人为的下线某一个模块，导致机台内部的晶圆也无法被传回卡盒，此时调度系统会收到故障消息，清洗1号工位的晶圆将不受时间限制，直接被机械手传输到缓存区，给研磨区的晶圆让出位置，最大限度保护所有晶圆的安全。

待故障修复后，机械手再从缓存区工位将晶圆取出，放入清洗2号工位，依次加工，如图5所示。

图5 外部故障启用缓存区

为了适用不同的工艺需求，调度系统还提供了优先关系的功能。用户可选择优先传输缓存区或优先常规流程两种方式。当缓存区和清洗1号工位同时有晶圆待取出，此时系统会根据用户事先设定的优先关系进行调度。

如果用户选择优先缓存区，则此时缓存区中的晶圆会先被取出进行顺序依次加工。清洗1号工位的晶圆需等待2号工位空闲后才会被传输到2号工位。

如果用户选择优先常规流程，此时系统会优先将清洗1号工位晶圆挪至2号工位进行加工。待2号工位空闲后，缓存区的晶圆才会被挪至2号工位进行后续的加工。

通过采用该缓存区以及合理设计缓存区的调度方法，可以最大限度的解决CMP设备传片流程异常时机台内部晶圆的安全问题，保证了晶圆的良品率[3]。同时系统会计算晶圆的加工位置，为快速恢复常规流程提供了保障。