CN112751406A - 电源供应装置、半导体工艺系统与电源管理方法 - Google Patents

电源供应装置、半导体工艺系统与电源管理方法 Download PDF

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Abstract

提供一种电源供应装置，包括电源单元、电源感测器以及控制单元。电源单元包括并联配置的第一电源供应器以及第二电源供应器，两者分别提供第一输出电源以及第二输出电源至半导体工艺设备。电源感测器感测第一输出电源以及第二输出电源的一输出参数是否小于预设值。当第一输出电源及第二输出电源的该输出参数中的一者小于预设值时，电源供应装置进入一紧急备援模式。控制单元使得第一电源供应器及第二电源供应器的另外一者提供一备用电源至半导体工艺设备。备用电源的该输出参数大于第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数。

Description

电源供应装置、半导体工艺系统与电源管理方法
技术领域
本发明实施例涉及一种电源供应装置、半导体工艺系统(制程系统)与电源管理方法。更详细地说，本发明实施例为一种用于半导体工艺设备与机台的电源供应装置、半导体工艺系统与电源管理方法。
背景技术
对于半导体工艺设备而言，稳定的电源供应至关重要。如果发生电源供应器失效的情况，无法进行侦错及晶圆救援功能，只能被动的由机台发报的错误信息或依经验推断是哪颗电源供应器失效，而错失宝贵的晶圆救援时间，造成产品报废及大量金钱损失。此外，要等到电源供应器恢复供电后，半导体工艺设备才能继续正常运作，造成产能损失。因此，在目前高度自动化、人力精简的趋势下，需要一种用于半导体工艺设备的、全自动化的电源供应装置与半导体工艺系统。
发明内容
本发明实施例提供一种电源供应装置，包括电源单元、电源感测器以及控制单元。电源单元包括并联配置的第一电源供应器以及第二电源供应器，两者分别提供第一输出电源以及第二输出电源至半导体工艺设备。电源感测器感测第一输出电源以及第二输出电源的一输出参数是否小于预设值。控制单元依据电源感测器的电源感测结果，判断电源单元是否正常供电给半导体工艺设备。当第一输出电源或第二输出电源的该输出参数中的一者小于预设值时，电源供应装置进入一紧急备援模式。控制单元使得第一及第二电源供应器的另外一者提供一备用电源至半导体工艺设备。备用电源的该输出参数大于第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数。
本发明实施例提供一种半导体工艺系统，包括一半导体工艺设备以及上述的电源供应装置。第一电源供应器所输出的第一输出电源及/或第二电源供应器所输出的第二输出电源用以对半导体工艺设备的一镀件进行偏压，以执行一化学电镀沉积工艺(制程)。
本发明实施例提供一种半导体工艺系统，包括一半导体工艺设备以及上述的电源供应装置。在该半导体工艺系统中，第一电源供应器或第二电源供应器所输出的第一输出电源以及第二输出电源用以激发该半导体工艺设备的一电磁辐射，使得电磁辐射穿越一掩模(光罩)以执行一曝光工艺。
本发明实施例提供一种电源管理方法，应用于一半导体工艺系统的一电源供应装置。上述电源管理方法包括：并联配置电源供应装置的一第一电源供应器以及一第二电源供应器，两者分别提供一第一输出电源以及一第二输出电源至半导体工艺系统的一半导体工艺设备；感测第一输出电源以及第二输出电源的一输出参数是否大于或等于一预设值；当电源感测器感测到第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数均大于或等于该预设值时，则电源供应装置进入一正常操作模式；以及当电源感测器感测到第一输出电源或第二输出电源的该输出参数小于该预设值时，则电源供应装置进入一紧急备援模式，并且对第一输出电源或第二输出电源的该输出参数大于或等于该预设值所对应的第一电源供应器或第二电源供应器进行调整，使第一电源供应器或第二电源供应器提供一备用电源至半导体工艺设备。备用电源的该输出参数大于第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数。
附图说明
根据以下的详细说明并配合附图做完整披露。应注意的是，根据本产业的一般作业方式，附图未必为按照比例绘制。事实上，可能任意的放大或缩小元件的尺寸，以做清楚的说明。
图1A为根据本发明一实施例所述的电源供应装置以及半导体工艺设备的示意图；
图1B为根据本发明一实施例所述的电源供应器的示意图；
图2为根据本发明一实施例所述的半导体工艺系统的示意图；
图3为根据本发明一实施例所述的半导体工艺设备的示意图；
图4为根据本发明另一实施例所述的半导体工艺设备的示意图；
图5为根据本发明一实施例所述的电源管理方法的流程图。
附图标记列表
10～半导体工艺系统；
100～电源供应装置；
120～电源单元；
122、124～电源供应器；
122A、124A～电源供应单元；
122B、124B～转换单元；
122C、124C～功率平衡单元；
130～电源感测器；
140～控制单元；
160、160A、160B～整流器；
180～警示单元；
190～隔离器；
200～半导体工艺设备
300、400～半导体装置
305～基材
310、315～形成层
320、325～特征部
330～光刻胶层
340a～透明部分
340b～不透明部分
345～电磁辐射
350～掩模图案
400～半导体装置
401～阳极
402～镀件
403～基座
410、411、414～箭头符号
422～电镀池
440～泵
具体实施方式
以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本申请的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本说明书叙述了一第一特征形成于一第二特征之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与第二特征可能未直接接触的实施例。另外，以下所披露的不同范例可能重复使用相同的参考符号及/或附图标记。这些重复是为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。
此外，其与空间相关用词。例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，是为了便于描述图示中一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。除了在图中绘示的方位外，这些空间相关用词旨在包含使用中或操作中的装置的不同方位。装置可能被转向不同方位(旋转90度或其它方位)，则在此使用的空间相关词也可依此相同解释。
图1A为根据本发明一实施例所述的电源供应装置100以及半导体工艺设备200的示意图。半导体工艺系统10包括电源供应装置100以及半导体工艺设备200，并且电源供应装置100提供稳定电源给半导体工艺设备200。电源供应装置100包括电源单元120、电源感测器130、控制单元140、整流器160以及警示单元180。在一实施例中，电源单元120包括并联配置的复数个电源供应器，互相作为备援(后备)之用。如图1A所示，电源单元120包括并联配置的电源供应器122(第一电源供应器)以及电源供应器124(第二电源供应器)，分别提供第一输出电源以及第二输出电源至一半导体工艺设备200。在某些实施例中，电源单元120包括并联配置的N个电源供应器，分别提供对应的输出电源半导体工艺设备200，其中N为大于2的正整数。在本发明的实施例中，并联配置的电源供应器用以提供5V、12V或24V的直流输出电源给半导体工艺设备200，但不限定于此。
电源感测器130耦接电源单元120，用以感测第一输出电源以及第二输出电源的一输出参数是否小于一预设值或是在预设范围内，并且将代表该感测结果的一信号传送给控制单元140，该输出参数可包括电流、电压及功率。详细而言，电源感测器130包括电阻、电容、电感等单一或复数个被动元件以及晶体管等主动元件，用以测量电源单元120所输出的第一输出电源与第二输出电源的电流、电压、温度及/或功率。举例而言，电源感测器130的电阻串联到所要量测的第一输出电源与第二输出电源，并量测电阻两端的电位差，借助欧姆定律关系式可求得第一输出电源与第二输出电源的电流值。
控制单元140依据电源感测器130的电源感测结果，判断电源单元120是否正常供电给半导体工艺设备200。详细而言，控制单元140可包含数字信号处理器(digital signalprocessing,DSP)、微处理器(microcontroller,MCU)、一单个中央处理单元(central-processing unit,CPU)或者是关连于平行运算环境(parallel processing environment)的复数个(多个)平行处理单元，用以执行作业系统、模块以及应用程序。
在一实施例中，当电源感测器130感测到第一输出电源的该输出参数以及第二输出电源的该输出参数都大于或等于预设值时，表示第一输出电源以及第二输出电源都能正常供电，则电源供应装置100进入正常操作模式。当电源感测器130感测到第一输出电源的该输出参数及/或第二输出电源的该输出参数小于上述预设值时，则表示第一输出电源以及第二输出电源中的至少一者无法正常供电，则电源供应装置100进入紧急备援模式。
当电源供应装置100为紧急备援模式时，控制单元140对第一输出电源或第二输出电源的该输出参数大于该预设值所对应的该第一电源供应器或第二电源供应器进行调整(亦即调整能正常供电的第一电源供应器或第二电源供应器)，使所对应的该第一电源供应器或第二电源供应器提供一备用电源至半导体工艺设备200。举例而言，当第一输出电源无法正常供电使得电源供应装置100为紧急备援模式时，控制单元140调整第二电源供应器，使第二电源供应器提供一备用电源至半导体工艺设备200。相反地，当第二输出电源无法正常供电使得电源供应装置100为紧急备援模式时，控制单元140调整第一电源供应器，使第一电源供应器提供一备用电源至半导体工艺设备200。详细而言，上述备用电源属于直流电源。要注意的是，备用电源的该输出参数大于第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数。在另一实施例中，备用电源的该输出参数为上述第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数的总和。由此可知，当电源供应装置100为紧急备援模式时，仍能提供相当于正常操作模式时的电源给半导体工艺设备200，防止因供电不稳定所造成的产品损失。
此外，电源供应装置100还包括一整流器160，配置于电源单元120以及半导体工艺设备200之间。详细而言，整流器160包括至少一个二极管，例如桥式整流器。因此，整流器160能够将第一输出电源以及第二输出电源的方向调节为从电源单元120输送至半导体工艺设备200。
在一实施例中，电源供应装置100包括耦接控制单元140的一警示单元180。当电源供应装置100进入紧急备援模式时，控制单元140传送警示信号至警示单元180，使得警示单元180发出一警示声音(警报声音)或一警示图案。举例而言，警示单元180可包括警报器、蜂鸣器、警示灯、闪光器、或声光喇叭等。
在另一实施例中，电源供应装置100包括一失效检测与分类(Fault Detectionand Classification,FDC)系统。当电源供应装置100进入紧急备援模式时，FDC系统会接收到控制单元140所传送的警示信号、并且停止晶圆派货并发报异常警报信号通知值班或相关人员。
图1B为根据本发明一实施例所述的电源供应器122与124的示意图。电源供应器122包括电源供应单元122A、转换单元122B以及功率平衡单元122C，而电源供应器124包括电源供应单元124A、转换单元124B以及功率平衡单元124C。如图1B所示，转换单元122B/124B耦接电源供应单元122A/124A，用以将电源供应单元122A/124A所提供的一外部电源(例如为一交流电源)转换为一直流电源。
此外，功率平衡单元122C/124C耦接转换单元122B/124B，以负载平衡模式检测该直流电源。详细而言，功率平衡单元122C/124C对转换单元122B/124B进行反馈控制，根据电源供应器122/124的负载比率，分别产生第一输出电源以及第二输出电源。详细而言，第一输出电源以及第二输出电源属于直流电源，并且第一输出电源以及第二输出电源的大小与负载比率呈反比。因此，控制单元140可借助调整电源供应器122/124的负载比率来增加或减少第一输出电源以及第二输出电源，以达成负载电流平衡运作。
图2为根据本发明一实施例所述的半导体工艺系统10的示意图。半导体工艺系统10包括电源供应装置100、隔离器190、以及半导体工艺设备200。在此实施例中，电源供应装置100包括2个整流器160A与160B，其包括至少2个实行操作(ORing)二极体或是2组ORingFET整流器，以防止来自电源供应器122与124之电流的电源远离共用输出。于是，可有效隔离电源供应器122与124，以达到平衡和均流效果并且提供稳定的电源输出。此外，整流器160A与160B调控第一输出电源与第二输出电源的方向(如箭头所示)为指向半导体工艺设备200。因此，电源供应器122与124可单独或是一起提供电源给半导体工艺设备200。
隔离器190配置于整流器160A/160B以及半导体工艺设备200之间。隔离器190包括至少一个实行操作(Oring，或操作/或运算)二极管，防止来自电源供应器122与124的电流的电源远离共用输出，有效隔离2个电源供应器122与124，以达到平衡和均流效果并且提供稳定的电源输出。
由此可知，本实施例所述的电源供应装置100可应用于热插拔备援式电源系统或是不断电系统，在不影响晶圆生产的情况下提供稳定的电源输出。当其中一个电源供应器无法正常供电时，可以即时调整其它电源供应器作为备援而持续提供半导体工艺设备200所需的电源，大幅降低对产品及产能所造成的影响。
举例而言，为因应半导体工艺之所需电压(例如24V)，电源供应器122与124分别提供5安培(A)电流的电源输出至半导体工艺设备200，使得半导体工艺设备200能接收到10A电流的电源输出。同时，电源感测器130会检测电源供应器122与124的输出电压是否在预设范围内(例如24V正/负1V，即23-25V)。如果电源供应器122与124的输出电压都正常，则代表正常供电，电源供应装置100操作在正常操作模式。
然而，如果电源供应器122或124的输出电压不在预设范围内，则电源供应装置100进入紧急备援模式。举例而言，电源感测器130检测出电源供应器124的输出电压为20V(亦即低于23-25V之安全电压)，则控制单元140调整电源供应器122，使电源供应器122提供10A的电源输出。详细而言，控制单元140可调控电源供应器122的功率平衡单元122C(如第1B图所示)的负载比率。如，当电源供应器124突然故障时(如当负载比率降低一半时)，电源供应器122的电流输出会增加一倍，亦即由原本的5A增加为10A。
在另一实施例中，电源供应器122与124在正常模式时所提供的电源输出是不相同的。例如，电源供应器122提供6A的电源输出，电源供应器124提供4A的电源输出。当电源感测器130检测出电源供应器122或124的电源输出小于4A时，则电源供应装置100进入紧急备援模式。在另一实施例中，电源供应器122的电源输出小于6A，或是电源供应器124的电源输出小于4A，则电源供应装置100进入紧急备援模式。换言之，本发明所述的电源管理方法可依据复数个电源供应器的不同电源输出，而提供复数个不同的预设值。
在另一实施例中，当控制单元140并未在一预设时间内接收到来自电源感测器130的电源感测结果时，则控制单元140判断电源供应装置100进入紧急备援模式。此时，控制单元140可调控电源供应器122及/或124的负载比率，以产生稳定的电源输出。
要注意的是，电源供应装置100可适用于各种半导体工艺的半导体工艺设备200，例如研磨、沉积、曝光、微影、蚀刻等各种工艺。以下特举出两种实施例加以说明。
图3为根据本发明一实施例所述的用于曝光工艺的半导体工艺设备200的示意图。在此实施例中，半导体工艺设备200对半导体装置300进行曝光工艺。半导体装置300包括基材305、特征部320与325、形成层310与315、以及光刻胶层(光阻层)330。掩模340包括透明部分340a以及不透明部分340b所定义的图案，随后用于图案化光刻胶层330。举例而言，可用于特征部320与325、形成层310与315的示范性的生产工艺包括，压印微影、沉浸微影、无遮罩微影、化学气相沉积(CVD)、等离子体加强式CVD(PECVD)、常压CVD(APCVD)、低压CVD(LPCVD)、物理气相沉积(PVD)、电镀及原子层沉积。形成层310与315还可以为图案化元件或层，例如可以通过选择性生长、选择性沉积或全面式沉积，接着进行一图案化工艺以形成。
在此实施例中，电源供应器122与124所产生的输出电源用以激发半导体工艺设备200的一电磁辐射345，使得电磁辐射345穿越掩模340的透明部分340a以执行曝光工艺。然后，掩模图案(光罩图案)350以微影方式转移到光刻胶层330上。电源供应装置100所激发的电磁辐射345包括可见光、紫外(UV)光源、深紫外(DUV)光源和/或极紫外(EUV)光源，还可以附加或选择其它曝光方式来曝光(例如电子束)。
图4为根据本发明另一实施例所述的用于化学电镀沉积工艺的半导体工艺设备200的示意图。在此实施例中，半导体工艺设备200对半导体装置400进行化学电镀沉积工艺。于化学电镀过程中，镀件402镶于基座403上，然后浸入包括电镀液的电镀池422中。整个电镀液的循环方向如箭头符号410至414所示，借助一泵440提供连续性的循环电镀液。一般而论，电镀液向上流向镀件(阳极)402然向外扩张横向流过镀件402，如箭头符号414所示。
在此实施例中，电源供应器122与124所产生的输出电源用以对半导体工艺设备200的镀件402进行偏压，以执行一化学电镀沉积工艺。如图4所示，电源供应装置100提供负极输出部以及正极输出部。负极输出部借助一或多个接触环(slip ring)、电梳(brush)及接触部电性连接至镀件402。正极输出部电性连接至电镀池422中的阳极401。于电镀过程中，电源供应装置100施一偏压于镀件402而产生相对阳极401为负的电位降，使得一电荷流动自阳极401流向镀件402。上述电荷流动在镀件402表面导致电化学反应，因而沉积一金属层(例如铜)于镀件402上。
图5为根据本发明一实施例所述的电源管理方法的流程图。在步骤S500，于电源供应装置100的电源单元120之中并联配置第一电源供应器以及第二电源供应器。在步骤S502，第一电源供应器以及第二电源供应器分别提供第一输出电源以及第二输出电源至半导体工艺设备200。在步骤S504，电源感测器130感测第一输出电源以及第二输出电源的一输出参数是否都大于或等于一预设值。
如果第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数都大于或等于预设值，则执行步骤S506，电源供应装置100进入正常操作模式。如果第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数之中的至少一者并未大于或等于预设值，则执行步骤S508，电源供应装置100进入紧急备援模式。然后，在步骤S510，电源感测器130感测到该第一输出电源与该第二输出电源的该输出参数中的一者小于预设值时，控制单元140使得第一电源供应器与第二电源供应器中的另一者提供一备用电源至半导体工艺设备200。换言之，控制单元140调整第一输出电源或第二输出电源的该输出参数大于或等于该预设值所对应的第一电源供应器或第二电源供应器，使该第一电源供应器或第二电源供应器提供一备用电源至半导体工艺设备200。上述备用电源的该输出参数大于第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数。在另一实施例中，备用电源的该输出参数为上述第一输出电源以及第二输出电源的该输出参数的总和。控制单元140调整第一输出电源或第二输出电源的详细步骤与方法如前所述，故此处不再赘述。
前文的描述述概述了许多实施例的特征，使本技术领域中具有通常知识者可以从各个方面更佳地了解本公开。本技术领域中具有通常知识者应可理解，且可轻易地以本公开为基础来设计或修饰其它工艺及结构，并以此达到相同的目的及/或达到与在此介绍的实施例等相同的优点。本技术领域中具有通常知识者也应了解这些相等同的结构并未背离本公开的发明精神与范围。在不背离本公开的发明精神与范围的前提下，可对本公开进行各种改变、置换或修改。

Claims (10)

1.一种电源供应装置，包括：
一电源单元，包括并联配置的一第一电源供应器以及一第二电源供应器，该第一电源供应器和该第二电源供应器分别提供一第一输出电源以及一第二输出电源至一半导体工艺设备；
一电源感测器，用以感测该第一输出电源以及该第二输出电源的一输出参数是否小于一预设值；以及
一控制单元，当该电源感测器感测到该第一输出电源与该第二输出电源的该输出参数中的一者小于该预设值时，则该电源供应装置进入一紧急备援模式，并且该控制单元使得该第一电源供应器与该第二电源供应器中的另一者提供一备用电源至该半导体工艺设备，其中，该备用电源的该输出参数大于该第一输出电源以及该第二输出电源的该输出参数。
2.如权利要求1所述的电源供应装置，其中，该第一电源供应器以及该第二电源供应器的每一者还包括一电源供应单元以及一转换单元，该转换单元耦接该电源供应单元，用以将该电源供应单元所提供的一外部电源转换为一直流电源。
3.如权利要求2所述的电源供应装置，其中，该第一电源供应器以及该第二电源供应器的每一者还包括一功率平衡单元，该功率平衡单元耦接该转换单元，以负载平衡模式检测该直流电源并且对该转换单元进行反馈控制以产生该第一输出电源或该第二输出电源。
4.如权利要求1所述的电源供应装置，其中，该电源供应装置还包括至少一整流器，该至少一整流器配置于该电源单元以及该半导体工艺设备之间，用以将该第一输出电源以及该第二输出电源的方向调节为从该电源单元输送至该半导体工艺设备。
5.如权利要求1所述的电源供应装置，其中，当该控制单元并未在一预设时间内接收到来自该电源感测器的感测结果时，则该控制单元判断该电源供应装置进入该紧急备援模式。
6.如权利要求1所述的电源供应装置，其中，该电源供应装置还包括一警示单元，当该电源供应装置进入该紧急备援模式时，该控制单元传送一警示信号至该警示单元，使得该警示单元发出一警示声音或一警示图案。
7.一种半导体工艺系统，包括：
一半导体工艺设备；以及
如权利要求1所述的电源供应装置，其中，该半导体工艺设备使用该第一电源供应器所输出的该第一输出电源及/或该第二电源供应器所输出的该第二输出电源执行一半导体工艺。
8.如权利要求7所述的半导体工艺系统，其中，该半导体工艺为一化学电镀沉积工艺，并且该第一输出电源及/或该第二输出电源用以对该半导体工艺设备中的一镀件进行偏压。
9.如权利要求7所述的半导体工艺系统，其中，该半导体工艺为曝光工艺，并且该第一输出电源及/或该第二输出电源用以激发该半导体工艺设备的一电磁辐射，使得该电磁辐射穿越一掩模。
10.一种电源管理方法，应用于一半导体工艺系统的一电源供应装置，该电源管理方法包括：
并联配置该电源供应装置的一第一电源供应器以及一第二电源供应器，该第一电源供应器和该第二电源供应器分别提供一第一输出电源以及一第二输出电源至该半导体工艺系统的一半导体工艺设备；
感测该第一输出电源以及该第二输出电源的一输出参数是否小于一预设值；
当该电源感测器感测到该第一输出电源以及该第二输出电源的该输出参数均大于该预设值时，则该电源供应装置进入一正常操作模式；以及
当该电源感测器感测到该第一输出电源与该第二输出电源的该输出参数中的一者小于该预设值时，则该电源供应装置进入一紧急备援模式，并且使该第一电源供应器与该第二电源供应器中的另一者提供一备用电源至该半导体工艺设备，其中，该备用电源的该输出参数大于该第一输出电源以及该第二输出电源的该输出参数。
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