晶圓生產流程

晶圓生產流程式 PVD 設備斐式網建模的核心，資源模組、手臂控制邏輯模組 均是依靠晶圓生生產流程進行合成的動作，因此在將模組合成之前，我們必頇優 先定義晶圓生產流程，Microsoft Excel 是一個生產與製造部門最常用的工具之 一，透過大家熟悉的介面維護晶圓生產流程資料是再適合不過的方法，表 3.1 中晶圓生產流程規範、手臂運作邏輯表，清楚的呈現晶圓生產的步驟、所耗費的 時間、使用到的資源及手臂控制邏輯，該表之詳細定義如表 3.2 中所示。

~ 29 ~

表 3.1 晶圓生產流程規範、手臂運作邏輯表

表 3.2 晶圓生產流程規範表欄位說明

欄位名稱 欄位意義

RECIPE TYPE 不同配方會有構成不同晶圓生產流程模組，本研究

所提及之範例均採用單一配方

STEP NO 表示晶圓生產流程之順序關係，[STEP NO]N⁺

STEP NAME 晶圓生產流程中各步驟名稱

RECIPE TIME 晶圓生產流程中各步驟所耗費之時間理論值

CHAMBER NAME 晶圓生產流程所使用的資源模組

CHAMBER STATE 晶圓生產流程所使用的資源(反應室)模組使用狀 態[CHAMBER STATE] {ACTIVE,INACTIVE}

ROBOT 晶圓生產流程中，所使用到的資源(手臂)模組

ROBOT CONFIG 資源(手臂)模組所採用的手臂控制邏輯模組 ROBOT SERVER MODE 資源(手臂)模組對於晶圓生產流程的作用時間

~ 30 ~

透過表 3.1 的內容轉換，我們可以清楚的制定出晶圓生產流程 Q={q₁→q₂→ q3…,q|Q|}，下圖 3.10 我們可以看到單一晶圓生產流程，並藉由比對晶圓生產流 程 Q 後在該斐式網後向下串聯下去。

圖 3.10 晶圓生產流程模組

~ 31 ~

第四章

彩色時間斐式網模組自動合成演算法及其模型驗證

工業界生產步調緊湊，如何在有限的時間內創造出最大產能是大家所追求的 目標。叢聚式半導體生產設備可根據不同晶圓製造流程做出調整，為此，本研究 藉由建構模組化的斐式網模型，達到模擬模型可因應反應室變更、參數調整或配 方(Recipe)改變的時候，在短時間內建構出其對應的斐式網模擬模型，進而執行 設備效能評估。

第三章我們詳細介紹了叢聚式半導體生產設備的模組化設計及其建構概 要。然而，單有這些模組，並不能保證模組間可快速組合成一個忠實呈現完整叢 聚式半導體設備的斐氏網模型。設計自動化的模組合成方法，將有助於消除傳統 藉由人力將模組合成所造成的錯誤疏失，並加速完整模擬模型的間模速度及模型 的正確性。

本章節旨在根據過往學者所整理出合成規則與方法[10]，建構一自動化斐式 網模組合成演算法。分別在 4.1 節中說明兩子斐式網合成演算法，從演算法符號 定義到搜尋應合成模組，探討演算法編寫流程及介紹相對應之程式偽代碼，並以 一個小例子詳細說明整個斐式網合成演算法流程，4.2 節針對此演算法產生之工 業界實際作業機台斐式網進行效能分析，驗證斐氏網是否正確及其應有之特性。

4.1 自動化斐式網模組合成演算法

一個完整的叢聚式半導體生產設備之斐式網模型，必頇將其所相對應之模組 進行合成，本節中首先在 4.1.1 提出如何將兩子斐式網模型進行合成，4.1.2 說

~ 32 ~ s： 使用手臂控制邏輯之資源斐式網模型註標，s { _cl_resource_module } x： 手臂控制邏輯斐式網模型註標，x { _cl_module }

~ 33 ~

4.1.1

兩子斐式網合成演算法

在模組化斐式網中，我們將一完整之斐式網拆解成 (1) 晶圓生產流程模組 (2) 使用控制邏輯之資源模組 (3) 未使用控制邏輯之資源模組 及 (4) 手臂控 制邏輯模組。不同模組雖具有不同物理意義，但其合成方法卻是相同。本節中介 紹如何合成兩子斐式網。

合成， Hsieh 和 Chang 整理歸納指出在斐式網中，合成在圖像上的主要概 念就是將擁有相同 Transition 命名之子斐式網結合[10]，文中指出一斐式網合成 運算元為”||”，其定義如下所示：

New-net = Sub-net A || Sub-net B

| |：合成運算元，搜尋合成運算元右方的子斐式網 Sub-net A={ PA, TA, BA

-, BA+

,

A, MA0}，與左方的子斐式網 Sub-net B={ PB, TB, BB

-, BB+

, B, MB0}之共同 Transition 將其合併為新的斐式網 New-net N={ PN, TN, BN

-, BN+, N, MN0}。合成 的步驟可大略分成以下三大步驟：

Step 1 搜尋兩子斐式網之共同 Transition TA  TB  {}

Step 2 合成兩子斐式網

1. 將 Transition 及 place 取聯集 TN = TA  TB , PN = PA  PB

2. 更新 Transition 交集部分之 BN

-, BN+

3. 根據現有 N= { PN, TN, BN

-, BN+ }，更新{ N, MN0 }

~ 34 ~

Step1 搜尋兩子斐式網之共同 Transition If TA  TB  {} then

Update six-tuples of Petri Net

T_N = T_A  TB // T_A {t_Av', v'1,2,...,|T_A|}

~ 35 ~

~ 36 ~

P { TCR_Moving, W_Process, TCR_Calling }



{_A1, _A2}

A t t

T {TCR_Calling_Time, W_Process_Time }



~ 37 ~ 2. SubNetB = { P_B, T_B, B_B^-, B_B⁺, B, M_B0}



{ _B1}

B p

P { W_Chmaber_Idle }



{_B1, _B2}

B t t

T { W_Process_Time, TCR_Calling_Time, }



^{0 1}



^, 



^{1 0}



^, 0 

 

¹

 ^



B B

B B M

B

 

^T

B  38 5



輸出

1. 合成完之斐式網路 Net = { PN, TN, BN

-, BN+, N, MN0}



{p ,p ,p ,p } P_{N A1 A2 A3 B1}

{ TCR_Moving, W_Process, TCR_Calling, W_Chamber_Idle }

TN = {t_A1t_B2,t_A2t_B1}={ TCR_Calling_Time, W_Process_Time }

MN0=



1 0 0 1



^T, N=[5 38]^T

合成點 A 合成點 B

合成點 A 合成點 B

~ 38 ~

Step1 搜尋兩子斐式網之共同 Transition TA  TB = {t_A1t_B1,t_A2t_B2}  {}then

-~ 39 -~

~ 40 ~

4.1.2

斐式網模組配對搜尋演算法

一個完整忠實呈現叢聚式半導體生產設備的斐式網模型，必頇將其所對應的 模組進行合成。在此，我們將模組合成分為四步驟如下圖 4.1 所示：

首先定義最終合成完畢之斐式網為 N = { P_N, T_N, B_N^-, B_N⁺, N, M_N0},

(1) N1 = 使用控制邏輯之資源模組 || 手臂控制邏輯模組

(2) N = 晶圓生產流程模組 || 晶圓生產流程模組

(3) N = 未使用控制邏輯之資源模組 || N

(4) N = N¹ || N

上述四步驟合成的主要概念為：優先將使用手臂控制邏輯之資源模組與其相 對應的手臂控制邏輯模組合成構成完整的資源模組，再分別將未使用控制邏輯之 資源模組和已完成控制邏輯合成之使用手臂控制邏輯之資源模組與晶圓生產流 程合成，進而產生完整的斐式網模型。本斐式網模組配對搜尋演算法之核心概念

晶圓生產流程

無控制邏輯之資源模組 _resource_module

有控制邏輯之資源模組 _cl_resource_module

手臂控制邏輯模組 _cl_module

(1) (2)

(3)

晶圓生產流程模組 _process_module

(4)

圖 4.1 四步驟的模組合成

~ 41 ~

~ 42 ~

~ 43 ~

~ 44 ~ 3. 手臂控制邏輯模組

} M Θ , , B , B , T , {P

CM_{x CM CM CM CM CM CM0}

x x x x x x



 

合成點 E

合成點 D

合成點 A 合成點 B

合成點 F

合成點 D 合成點 E

合成點 A 合成點 F

~ 45 ~ 4. 晶圓生產流程模組

} M Θ , , B , B , T , {P

WP_{f WP WP WP WP WP WP0}

f f f f f f



 

輸出

1. 合成完畢之斐式網 N{P_N,T_N,B_N^,B^_N,Θ_N,M_N0}

合成點 A 合成點 B

合成點 D

合成點 E 合成點 C

合成點 F

合成點 A 合成點 B 合成點 C

~ 46 ~

Step1. 合成 有使用手臂控制邏輯之資源模組 與 手臂控制邏輯模組

For each transition of CRM_s { //T {t , v' 1,2,...,|T |}

s s

s CRMv' CRM

CRM  

For each transition of CM_x { //T {t , v 1,2,...,|T |}

x x

x CM CM

CM  _v 

If  

x

s CM

CRM T

T then

N₁ = CRM_s || CM_x // 表示有 CRM_s有使用到 CM_x End if

};

};

Step2. 合成晶圓生產流程模組

For each transition of WPf{ //T {t , v' 1,2,...,|T |}

f f

f WPv' WP

WP  

合成點 D

合成點 E 合成點 B

合成點 A

~ 47 ~ N = N || WPf

};

Step3. 合成 未使用控制邏輯之資源模組 與 Step2 產出之晶圓生產流程 N For each transition of N{ //T_N {t_Nv', v'1,2,...,|T_N|}

For each transition of RMj { //T {t , v 1,2,...,|T |}

j j

j RM RM

RM  _v 

If  

RMj

N T

T then

N = N || RMj // 表示有 N 有使用到 RMj

End if };

};

Step4. 合成 Step1 產出之已含控制邏輯之資源模組 N1 與 Step3 產出之 N For each transition of N{ //T_N {t_Nv', v'1,2,...,|T_N|}

~ 48 ~

For each transition of N1 { //T {t , v 1,2,...,|T |}

1 1

1 N N

N  _v 

If  

N1

N T

T then

N = N || N1 // 表示有 N 有使用到 N1

End if };

};

Step5. 完成合成

} M Θ , , B , B , T , {P

N _{N N N}^{ }_{N N N0} 即合併之所得

~ 49 ~

4.2 模擬執行與初步驗證

根據合成完畢之叢聚式 PVD 設備斐式網，使用 CPN tools® 開放式軟體進行 模擬(如圖 4.2 所示)，我們將其與使用 Push 推式手臂控制邏輯之實際線上機台 監測參數進行比較。觀察其手臂控制邏輯影響下，平均晶圓輸出時間間隔之預測 誤差值在一標準差之內(如圖 4.3 所示)，在分析手臂控制邏輯運作下手臂隨著時 間變化的行為預測情形與實際手臂行為相吻合(如圖 4.4 所示)，最後分析其資源 占用情形百分比，與實際線上作業資料也不謀而合。

圖 4.2 CPN tools ® 模擬介面

~ 50 ~

圖 4.3 平均晶圓輸出時間間隔

圖 4.4 手臂隨著時間變化的行為預測(1)

圖 4.5 手臂隨著時間變化的行為預測(2)

~ 51 ~

第五章 結論

本研究針對觀察到的叢聚式設備手臂控制邏輯提出一建模流程，此建模流程針對 叢聚式設備之作業順序與手臂控制邏輯的彩色時間斐式網建模及其模組合成，並以 PVD 設備作為本研究建模討論案例，最終目的是為了建構一個標準化的建模流程。在 PVD 設備作業上可分為 Loadlock、晶圓 process flow 及 Transfer 模組，手臂控制邏輯 上可分為 Push 推式、Pull 拉式、FIFO 先進先出式控制邏輯模組，而主要所面對的挑 戰為：(1) 如何將觀察到的叢聚式設備手臂控制邏輯建模，及(2) 如何將斐式網模組 合成。

對此，本研究採用語意式的手臂控制邏輯建模概要建構模組化的彩色時間斐式 網，並提出模組化的彩色時間斐式網合成演算法結合 PVD 設備作業模組、手臂控制 邏輯模組，最後使用斐式網模擬環境 CPN tools® 進行模擬，針對合成完成之彩色時 間斐式網比對實際作業機台進行效能分析，探討 (1)晶圓產出時間間隔 (2) 手臂運輸 觸發時間 及(3) 設備占用時間。

根據合成完畢之叢聚式 PVD 設備斐式網，使用 CPN tools® 開放式軟體進行模擬，

我們將其與使用 Push 推式手臂控制邏輯之實際線上機台監測參數進行比較。觀察其 手臂控制邏輯影響下，平均晶圓輸出時間間隔之預測誤差值在一標準差之內，在分析 手臂控制邏輯運作下手臂隨著時間變化的行為預測情形與實際手臂行為相吻合，最後 分析其資源占用情形百分比，與實際線上作業資料也不謀而合。

最後我們整理本研究中之建模流程如下圖 5.1 所示，在標準化的建模流程中，我 們提出

(A) 模組化的斐式網建模方式，含括了控制邏輯模組、Loadlock 模組、晶圓 生產流程模組 及 一般資源模組。

~ 52 ~

(B) 設計三步驟模組合成演算法將模組化的斐式網合成為一能忠實反映實 際線上作業機台之斐式網。

(C) 透過模擬結果轉換機制，我們把 CPN tools 模擬結果透過製程分析軟體 來加以分析模型的平均晶圓輸出時間間隔、反應室及手臂資源使用率及 特殊控制邏輯下手臂特色呈現結果驗證。

圖 5.1 本研究中之建模流程

本研究著重在於探討如何將叢聚式半導體生產設備之手臂控制邏輯使用斐 式網加以建模並進行其效能分析，未來仍有許多後續研究值得後進繼續延伸開花 結果：

2. 對於合成完畢之斐式網，我們該如何檢查其之完整、合理性？

3. 完成斐式網建構後，該如何將既有斐式網轉換成相對應之數學模式？

A B

C

C

~ 53 ~

4. 該如何建該完整的手臂控制邏輯語意網，含括現今半導體設備製造業中 各種手臂控制邏輯？

~ 54 ~

參考文獻

[1] G.-M. Chen. (2008). The trend of development of semiconductor technology [Online].

Available: http://ctle.cyu.edu.tw/tew/Teacher/data/971223/971223-1.pdf

[2] T. Pomorski, "Managing Overall Equipment Effectiveness [OEE] to Optimize Factory Performance," Proc. of 1997 IEEE Intl. Symp. on Semi. Mfg. Conf., Oct. S.F., A33 - A36.

[3] R. S. Srinivasan, "Modeling and Performance Analysis of Cluster Tools Using Petri

[3] R. S. Srinivasan, "Modeling and Performance Analysis of Cluster Tools Using Petri

在文檔中 物理氣相沉積設備作業與順序控制邏輯之彩色時間斐式網建模 (頁 37-0)