CN106292613B - 一种多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法，包括分析多品种晶圆混合加工情形下单臂组合设备可调度性判定条件，包括含晶圆无PM共享的情形及有PM共享的情景；通过对系统分配虚拟晶圆进入虚拟加工模块完成晶圆加工，平衡工作负载，从而形成节拍稳定的周期性加工过程；对多晶圆混合加工过程的理论分析及计算，推导出系统存在稳态调度的完整特征约束，得到多品种晶圆混合加工时单臂组合设备稳态调度求解算法。

Description

一种多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法

技术领域

本发明涉及半导体加工设备，尤其涉及单臂组合设备中多品种晶圆混合加工的稳态调度方法。

背景技术

现有组合设备是晶圆制造过程中最为关键的一类设备，其独特的单晶圆加工技术能有效地提高晶圆制造的生产率和产品质量。但是，限于诸多约束条件和复杂工况，组合设备的调度和运行控制非常困难。长期以来，组合设备的调度与控制问题一直是学术界和工业界的热点问题。深入研究组合设备在不同生产需求环境下的运行控制问题，不仅有利于提高晶圆厂的生产效率，而且能给组合设备的研发设计提供有效的理论支持。

组合设备通常由2-6个加工模块(processing module,PM)、2个真空锁(loadlock,LL)、搬运模块(transfer module,TM)、校准模块(aligner,AL)和冷却模块(cooler,CL)组成。模块集成在密闭的真空环境，呈径向分布并由计算机控制。组合设备加工晶圆过程包括三种状态：初始暂态、稳态和终止暂态。初始暂态是指组合设备各加工模块没有装载晶圆到满负荷加工晶圆的过程，终止暂态是指组合设备从满负荷加工状态到所有已加工晶圆从加工模块内卸载完毕的过程，稳态是组合设备满负荷加工晶圆时的状态。待加工晶圆载入真空锁后，先经过校准模块进行视觉校准，再由机械手按照设定的顺序(即按晶圆加工工艺要求)依次载入各加工模块中加工。在完成所有预定工艺加工后，机械手将加工完毕的晶圆送入冷却模块冷却，最后从组合设备中卸载。组合设备一般配备两个真空锁，一个用于存放正在加工的晶圆，另一个用于存放待加工的晶圆。当一个真空锁内的晶圆加工完后，机械手开始装载另一个真空锁内的晶圆进行加工，以此保证晶圆加工的连续性，并使组合设备大部分时间工作在稳态。

由于晶圆尺寸增大和客户需求变化，现今的晶圆制造趋向于多品种、小批量生产。而现有的调度和控制方法，一般只涉及到单品种或有限品种晶圆的加工。在这种情形下，组合设备需要频繁地更换调度方案，导致设备调试时间延长，制造成本大幅增加。因此，研究具有多品种晶圆混合加工的组合设备调度与控制技术，不仅可以提高组合设备的利用效率，更加可以进一步降低晶圆制造的生产成本。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法，该方法有效减少更换调度方案时的设备调试时间，从而降低制造成本。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法，包括：

A分析多品种晶圆混合加工情形下单臂组合设备可调度性判定条件，包括含晶圆无PM共享的情形及有PM共享的情景；

B通过对系统分配虚拟晶圆进入虚拟加工模块完成晶圆加工，平衡工作负载，从而形成节拍稳定的周期性加工过程；

C对多晶圆混合加工过程的理论分析及计算，推导出系统存在稳态调度的完整特征约束，得到多品种晶圆混合加工时单臂组合设备稳态调度求解算法。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

解决了多品种晶圆加工情况下的组合设备频繁切换问题，有效减少更换调度方案时的设备调试时间，从而降低制造成本。

附图说明

图1是多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法流程图；

图2是组合设备示意图；

图3无PM共享情形虚拟加工示意图；

图4标准形式有PM共享情形虚拟加工示意图；

图5泛标准形式有PM共享情形虚拟加工示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

本实施例是针对多品种晶圆混合加工技术的不足，提供一种多品种晶圆稳态调度求解算法，使其解决现有技术的不足，有效减少更换调度方案时的设备调试时间，从而降低制造成本。

所公开的方法可分为具有共享模块的晶圆的加工和无共享模块的晶圆的加工。在单臂组合设备稳态调度中，机械手通过装卸载和旋转作业，并利用拉式调度策略实现晶圆在加工模块和真空锁中的流动。通过虚拟加工的方法，平衡工作负载，获得系统生产节拍、机械手生产节拍以及可调度性判定定理，并以解析式表达。

其中，对于多品种晶圆的混合加工，不同种类的晶圆加工流程各不相同，通过建立虚拟晶圆加工模块平衡工作负载。令经过机械手初步调节后第i种晶圆的工作负载为φ_i，无PM共享情形下，由于设备内各种晶圆间的加工活动相互独立，可以假设系统分配有h_i组虚拟的PM用于第i种晶圆的加工，每组个PM。加工时，系统分配h_i-1组虚拟的晶圆进入虚拟的PM中完成加工，一组真实晶圆进入实际的系统中加工。

在有PM共享情形下，则按照最长路径补充虚拟模块的方法，使每种晶圆的工序总数量相同，转化成标准的晶圆加工形式。机械手按照标准形式模块混合情形操作晶圆访问真实加工模块。在虚拟加工部分，机械手并不做任何动作，只是等待一个生产节拍，然后进行下一步的加工活动，在全局循环内平衡工作负载，从而形成节拍稳定的周期性加工。

如图1所示，为多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法，包括：

步骤10分析多品种晶圆混合加工情形下单臂组合设备可调度性判定条件，包括含晶圆无PM共享的情形及有PM共享的情景；

步骤20通过对系统分配虚拟晶圆进入虚拟加工模块完成晶圆加工，平衡工作负载，从而形成节拍稳定的周期性加工过程；

步骤30对多晶圆混合加工过程的理论分析及计算，推导出系统存在稳态调度的完整特征约束，得到多品种晶圆混合加工时单臂组合设备稳态调度求解算法。

上述步骤10具体包括：推导出多品种晶圆混合加工情形下单臂组合设备可调度性判定条件。通过分析单臂机械手稳态下的调度过程，获得晶圆生产节拍和机械手生产节拍的计算方法，并揭示二者的耦合特性。另外，分析了不同工艺参数分布对系统可调度性的影响机理。

第i种晶圆的第j道工序的固有生产节拍以及其下界、上界分别为Φ_ij、Φ_ijL、Φ_ijU。则有：

无PM共享情形下，稳态时机械手的生产节拍为：

有共享情形下，稳态时机械手的生产节拍为：

组合设备工作在稳态时晶圆每道工序的生产节拍相等，因此满足以下约束条件：

无PM共享时：

有PM共享时：

图2描述了无PM共享情形虚拟加工，为了工作负载平衡，系统分配h_i-1组虚拟的晶圆进入虚拟的PM中完成加工，一组真实晶圆进入实际的系统中加工。在虚拟加工部分，机械手并不做任何动作，只是等待一个生产节拍，然后进行下一步的加工活动。考虑h_i的生产节拍及工作负载，设为ψ_ij和ψ_ijU、ψ_ijL和分别为对应的上、下界，则有：

用ψ_t1作为参照量估计各类晶圆固有工作负载与机械手生产节拍的相对大小，而二者的相对值与配置虚拟模块组数量相关，h_i的取值按如下公式设定：

进入设备的晶圆的混合比例为H₁:H₂:…:H_k，[h₁,h₂,…,h_k]表示h₁,h₂,…,h_k的最小公倍数：

H_i＝[h₁,h₂,…,h_k]/h_i,(λ∈N_k) (11)

稳态时第i种晶圆第j道工序的的调度生产节拍与机械手生产节拍相等：

τ_ij＝m_ij×h×ψ_T-(4ρ+3θ+ω_i(j-1)) (12)

图3和图4描述了有PM共享情形虚拟加工过程，在一个全局循环过程内，机械手多次被共享模块访问，而其它模块只访问了一次，可知，未共享的模块彼此之间形成全局循环的并行关系。所以在采用拉式策略调度的情形下，(1)式和(2)式已不能准确描述晶圆的调度生产节拍和调度工作负载，修正结果如下：

其中，λ∈N_k，表示晶圆种类；μ∈N_n，表示某种晶圆的第μ道工序；h_λμ为共享系数，当μ∈{i,i+1,…,j}时，h_λμ＝1，当μ∈{1,2,…,i-1}∪{j+1,j+2,…,n}时，h_λμ＝k。

ρ为机械手装载或卸载晶圆的时间

θ为机械手旋转时间

α_ij为驻留约束下限

α_ij+δ_ij为驻留约束上限

ω_ij为机械手旋转到PM_ij的等待时间

τ_ij为驻留时间约束

ψ_T为机械手生产节拍

ψ_iT为加工第i种晶圆的机械手生产节拍

ψ_P为系统生产节拍

ψ_iP为加工第i种晶圆的系统生产节拍

ψ_ij和ψ_ijU、ψ_ijL和分别为对应的上、下界

h_i描述各种晶圆工作负载φ_i的相互关系

m_ij表示并行加工模块的数量

h_λμ为共享系数

无共享模块时晶圆流加工模式，设组合设备可调度性为如下情形：

若ψ_t1≤ψ_Lmax≤ψ_Umin，则单臂组合设备可以调度；

若ψ_Lmax＜ψ_t1≤ψ_Umin，则单臂组合设备可以调度；

若ψ_Lmax≤ψ_Umin＜ψ_t1，则单臂组合设备不可调度；

当ψ_Umin＜ψ_Lmax时，若其中 则单臂组合设备可调度；

当ψ_Umin＜ψ_Lmax时，若其中 则单臂组合设备不可调度。

有共享模块时，对于标准形式{(m₁₁,m₁₂,…,m_1(i-1),(m_1i,m_1(i+1),…,m_1j),m_1(j+1),…,m_1n),(m₂₁,m₂₂,…,m_2(i-1),(m_2i,m_2(i+1),…,m_2j),m_2(j+1),…,m_2n),…,(m_k1,m_k2,…,m_k(i-1),(m_ki,m_k(i+1),…,m_kj),m_k(j+1),…,m_kn)}的多品种晶圆混合加工，设组合设备可调度性为如下情形：

若ψ_t1≤ψ_Lmax≤ψ_Umin，则单臂组合设备可调度。

若ψ_Lmax＜ψ_t1≤ψ_Umin，则单臂组合设备可调度。

若ψ_Lmax≤ψ_Umin＜ψ_t1，则单臂组合设备不可调度。

当ψ_Umin＜ψ_Lmax时，若 则单臂组合设备可调度。

当ψ_Umin＜ψ_Lmax时，若使则单臂组合设备不可调度。

(2)提出多品种晶圆混合加工情形下单臂组合设备稳态调度的求解算法。通过对多晶圆混合加工过程的理论分析及计算，推导出系统存在稳态调度的完整特征约束，并以形式化方法进行描述。

通过对多品种无共享晶圆在单臂组合设备中混合加工过程的详细分析，推导出系统可调度性判定方法，并给出了相关参数的计算方法。由于机械手采用的拉式调度策略，稳态时每个生产周期内机械手的作业序列是确定的，系统调度方案的求解即转变为求解机械手在各工序的等待时间 通过调度可行性的关键加工时间满足时间约束的分析，以及加工参数不同分布状态下系统的可调度性问题得出的解析式，得到无共享模块多品种晶圆混合加工时单臂组合设备稳态调度求解算法。

算法1：求解无PM共享k种晶圆混合加工单臂组合设备稳态调度

与求解无PM共享情形稳态调度的过程类似，标准形式PM共享多品种晶圆混合加工单臂组合设备的稳态调度的求解过程主要分为三步：1)根据已知条件分析系统加工参数的分布特征；2)根据有共享模块情形的判定定理判断系统是否可以调度；3)根据判定结果求解稳态调度。直接给出如下具体算法。

算法2：求解标准形式PM共享k种晶圆混合加工单臂组合设备稳态调度

当有PM共享的混合形式为泛标准形混合时(图5为泛标准形PM共享情形虚拟加工示意图)，首先按照虚拟加工方法将泛标准形式混合转化为标准形式混合，然后按照上一节求解标准形混合稳态调度的方法求解，最后将虚拟模块对应的机械手作业时间计入最近真实模块的作业时间，以此实现工作负载的平衡。算法的具体内容如下。

算法3：求解泛标准形式PM共享k种晶圆混合加工单臂组合设备稳态调度

由于晶圆尺寸增大和客户需求变化，现今的晶圆制造趋向于多品种、小批量生产。根据本发明的多品种晶圆混合加工的稳态调度方法，可以降低因为品种繁多造成频繁更换调度方案的组合设备调试时间，降低制造成本，而且提出的多品种晶圆混合加工的单臂组合设备稳态调度算法，经试验验证切实可行、有效。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A分析多品种晶圆混合加工情形下单臂组合设备可调度性判定条件，包括含晶圆无PM共享的情形及有PM共享的情景；

B通过对系统分配虚拟晶圆进入虚拟加工模块完成晶圆加工，平衡工作负载，从而形成节拍稳定的周期性加工过程；

C对多晶圆混合加工过程的理论分析及计算，推导出系统存在稳态调度的完整特征约束，得到多品种晶圆混合加工时单臂组合设备稳态调度求解算法；

所述步骤A具体包括：通过分析单臂组合设备稳态下机械手调度过程，获得晶圆生产节拍和机械手生产节拍的计算方法，并分析了无共享模块与有共享模块加工时，不同工艺参数分布对系统可调度性的影响机理；

所述有PM共享情形的晶圆加工，满足如下条件：

其中，λ∈N_k，表示晶圆种类；μ∈N_n，表示某种晶圆的第μ道工序；h_λμ为共享系数，当μ∈{i,i+1,…,j}时，h_λμ＝1，当μ∈{1,2,…,i-1}∪{j+1,j+2,…,n}时，h_λμ＝k；

所述有PM共享的情景包括标准形式PM共享和泛标准形式PM共享；

标准形式PM共享包括：分析系统加工参数的分布特征，根据有共享模块情形的加工参数特征判断系统是否可以调度，根据判定结果求解稳态调度；

泛标准形式PM共享包括：将泛标准形式混合转化为标准形式混合，然后根据上述标准形式调度方法求解，最后将虚拟模块对应的机械手作业时间计入最近真实模块的作业时间，实现工作负载的平衡。

2.如权利要求1所述的多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法，其特征在于，所述晶圆的生产节拍满足：

其中第i种晶圆的第j道工序的固有生产节拍以及其下界、上界分别表示为Φ_ij、Φ_ijL、Φ_ijU，ρ表示机械手装卸载时间、θ表示机械手旋转时间、α_ij表示驻留时间约束下限、δ_ij为晶圆完成加工后在PM_ij内允许驻留的最长时间、ω_ij表示机械手卸载晶圆前等待时间、τ_ij表示晶圆驻留时间内约束、m_ij表示用于晶圆的加工并行PM的数量。

3.如权利要求1所述的多品种晶圆混合加工的组合设备稳态调度方法，其特征在于，

在无PM共享情形下，稳态时机械手的生产节拍为：

其中，ψ_i为机械手完成第i种晶圆的一个生产节拍所花费的时间，ψ_t1为已知定值，ψ_t2由机械手调度决定；

有PM共享情形下，稳态时机械手的生产节拍为：

其中ψ_it1＝2(n_i+k)(ρ+θ)，

所述k表示晶圆的种类、ρ表示机械手装卸载时间、θ表示机械手旋转时间、ω_ij表示机械手卸载晶圆前等待时间。