論文架構

在此提醒讀者本研究陳述架構如下。第二章說明一般叢聚式半導體生產設備 所具有的一般模組與手臂控制邏輯模組，說明現今使用斐式網建模的方法與本研 究中所使用之斐式網建模方式，第三章針對本研究重點：手臂控制邏輯之斐式網 建模與將觀察到之手臂控制邏輯建模綱要，提供一致性的建模流程，第四章提出 合成演算法組合一般叢聚式半導體生產設備模組及手臂控制邏輯模組，並根據合 成結果帶入業界實際線上資料，比對其晶圓產出間隔時間(inter-wafer time)、

資源占用時間(occupied time)及手臂經由控制邏輯操作後與實際機台手臂運作 行為之預測，第五章為本研究下結論並提出未來工作項目。

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第二章

PVD 設備之斐式網建模

為研究叢聚式半導體生產設備的機械手臂移動路徑問題，物理氣相沉積(PVD) 叢聚式設備被我們選用為研究資料的來源。物理氣相沉積設備常被用於薄膜沉積 的製程，也是廣泛被用於超大型積體電路(VLSI circuit)生產的製程技術。物理 氣相沉積所形成的薄膜提供設備以及絕緣體間的傳導能力並且保障其應有的其 原有的傳導環境。也因為 PVD 技術提供了精準的傳導控制，均勻的薄膜厚度，以 及對於半導體材料更佳的結晶結構，PVD 叢聚式半導體生產設備受到半導體廠廣 泛的應用與推崇。

物理氣相沉積的叢聚式半導體生產設備是一個使用單片晶圓處理，多反應室 製程的完全自動化的系統。在每個反應室中同一個時間點不可處理多於一片的晶 圓。機械手臂負責從反應室中拿取完成所在反應室的程序的晶圓至下一個程序之 反應室。晶圓的進入與輸出都是經由卡匣。整合各種不同的模組並讓他們能再不 同的生產路徑上進行模擬並且考量到物力氣相沉積叢集式半導體生產設備晶圓 在不同程序或不同製程階段中機械手臂、緩衝空間以及反應室的資源使用與競 爭，大幅度的增加了運作的複雜度以及模擬成本。物理氣相沉積叢聚式半導體生 產設備的輸出率是上述這些模組間複雜的程序交互影響所產生的結果。如何有效 率的操作叢聚式半導體生產設備並不是一件簡單的事情。

本章，我們會簡明的介紹在 2.1 節提出的物理氣相沉積叢聚式半導體生產設 備的配置，在 2.2 節中從其他研究資料中針對物理氣相沉積設計的斐式網模型。

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也將指出這些叢聚式半導體生產設備的作業流程中困難以及需要挑戰創新的地 方。在 2.3 節，我們將會對我們所提出的物理氣相沉積叢聚式半導體生產設備的 生產流程以及效能分析系統的基本架構做出描述。

2.1 一般 PVD 設備模組簡介

多數物理氣相沉積(PVD)半導體生產設備的反應室設計容許我們設定一致性 的製程參數以做出精確的控制[11]。主要的物理氣相沉積叢聚式半導體生產設備 組件有主體結構，晶圓生產模組，運輸模組以及卡匣模組。這些模組在叢集式半 導體生產設備中都扮演著特定的角色，也有機械性的相互連結形成一個整合環境 以完成製程中的所有工作。圖 2.1 呈現物理氣相沉積半導體生產設備的主要組 件。

圖 2.1 Endura 2 設備 (引用來源 Applied material [8])

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2.1.1 運輸模組 (Transport Modules)

在 PVD 機台中，運輸模組是由兩組 XP Robot(共四隻手臂，各自獨立運作) 負責搬運機台中所有晶圓的機械手臂所扮演。一組手臂被配置在緩衝區間，另一 組手臂在傳輸區間，每一組手臂都是由兩隻手臂所組成，分別負責上下兩層以此 完全避免手臂知交叉碰撞等困擾，每隻手臂都有有四個行進方向，順時針旋轉、

逆時針旋轉、手臂伸長以及縮短。圖 2.2 說明物理氣相沉積機械手臂的基本架 構。而當手臂上並未抓取晶圓的時候，可以以較快的速度來進行移動。

圖 2.2 運輸模組(引用來源 Applied material [8])

2.1.2 卡匣模組 (Cassette Loadlock Modules)

物理氣相沉積半導體生產設備通常有二至三個 Loadlock，這些卡匣提供系 統一個讓晶圓與大氣隔絕的製程路徑一個管道，這允許主體結構由卡匣載入及卸 載晶圓時能保持其在大氣壓力或大氣壓力以下控制環境的穩定，而晶圓要在幫浦

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有能力處理的時候才能進入一切沉積的程序。而兩個 Loadlock 是分開且獨立 的；也就是說，當一個 Loadlock 正在進行載入或卸載晶圓的時候並不影響另一 個 Loadlock 的運作。圖 2.3 是一個在物理氣相沉積半導體生產設備的卡匣模組 [11]。卡匣模組是晶圓要進入主體結構的起始點，而晶圓必頇經由物理氣相沉積 半導體生產設備的卡匣模組進入製程。在標準的作業模式中，採用每個卡匣負載 25 片晶圓。

另外，為了提供一個晶圓進入和退出的管道，卡匣賦予了晶圓程序編排所需 的儲存與檢索的能力，使兩個獨立作業的卡匣能編排各自的作業流程，包括了每 片晶圓的獨特作業程序、平行生產以及反應室重複使用等。這些機制強化了流程 彈性以及易用性並且進而改善了系統的效能。可規劃性、串行作業及平行作業的 操作方式賦予了製程技術增加產量及彈性配置的可能性。

圖 2.3 PVD 設備的卡匣模組

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2.1.3 晶圓作業模組 ( Process Modules)

物理氣相沉積叢集式半導體生產設備採用每個反應室處理單一晶圓的方式 來給予一個精確的控制處理環境。每一個反應室都有其特定的製程能力，依照不 同的製程需求來分配設置系統中反應室數量與位置。圖 2.4 是一個典型的為物 理氣相沉積製程所配置的反應室。

製程反應室可以任意附加在主體結構允許的模塊。而每個反應室都有其匣門 (機蓋)以利於讓晶圓以機械手臂在反應室之間交互的移動。而每個匣門的開啟必 頇先經過壓力控制這個步驟。另外反應室也允許不同晶圓間程序上的改變，例如 遇到不同的晶圓使用不同的製程時間，而這種轉換會需要額外的一些改變設置的 時間。換句話說，一個反應室可以被許多不同製程的晶圓使用，但是不斷的轉換 製程會使的設置時間變得很龐大而且大部分時候在轉換之後需要花時間與晶圓 做測詴，因此反應室通常都被指派處理特定的固定製程。

圖 2.4 PVD 製程所配置的反應室

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2.1.4 PVD 設備主體結構

物理氣相沉積叢集式半導體生產工具的主體結構是一個鋁製的生產作業平 台。然而它包含了兩個主要的反應室區間：緩衝區間和運輸區間。主體結構也是 負載機械手臂的工作平台。兩組機械手臂位於兩個主要區間的中心以圓周的方式 傳遞以及轉移晶圓。另一方面也是所有物理氣相沉積使用的反應室的載具，以模 塊的方式讓所有的反應室能自由的依其需求做系統的整合。在傳輸區間，主體結 構提供了一到五個物理氣相沉積製程反應室的模塊，而在緩衝區間也提供了卡匣 以及如化學氣相沉積、蝕刻等非物理氣相沉積所使用的製程模塊[12]

自由的製程反應室模組整合提供了許許多多的優勢，例如減少生產週期時 間、減少傳輸時間，減低成本，減少汙染提高良率等等優良的製程控制及製程開 發，大幅度的增加使用的靈活性；隨之而來的，也大幅度的增加了叢聚式半導體 生產設備的操作複雜度，例如製程模組的安排限制，製程與業務上的優先順序對 晶圓所造成的影響力等等。有太多的限制式必頇滿足以得到一個良好可行的生產 流程。

2.2 控制邏輯模組 - 手臂作業順序控制

除一般 PVD 叢聚式半導體生產設備相關之模組外，本研究重點著重在於手臂 控制邏輯模組建模，在本節中將介紹：(1) Push 推式手臂控制邏輯、(2) Pull 拉 式手臂控制邏輯 及 (3) FIFO 先進先出式手臂控制邏輯。

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2.2.1 Push 推式手臂控制邏輯

Push 推式手臂控制邏輯，又稱雙機械手臂控制邏輯，顧名思義在 Push 推 式手臂控制邏輯運作時，同時間必頇控制兩隻手臂進行作業。此手臂控制邏輯的 主要設計目的是為了減少叢聚式半導體設備之反應室閘門開啟次數並減少機械 手臂呼叫時間，進而提高整體生產效率。而 Push 推式主要代表的是指此手臂控 制邏輯的觸發時間點；假設一叢聚式半導體生產設備之晶圓作業次序為反應室 A

→反應室 B→反應室 C，初始狀態為反應室 A、B 正在作業且反應室 C 為閒置狀態，

此時 Push 推式的概念即為當反應室 A 預前往下一站反應室 B 時，反應室 B 的晶 圓作業完畢後才會被機械手臂取出，反之晶圓則留在反應室 B 中繼續等待反應室 A 的往前推動。

為釐清手臂運作行為，業界一般使用甘特圖來觀看其手臂運作特色，Push 推 式手臂控制邏輯中最大的特色就是會發生手臂 SWAP 行為，在甘特圖之時間軸當 中我們可以發現如圖 2.5 所示：

圖 2.5 手臂發生 SWAP 時，在甘特圖觀察到的特徵

而手臂運作的邏輯如下圖 2.6 所示，當反應室 A 完成作業時觸發 Push 推式 手臂控制邏輯，在同時間控制機械手臂 X 與機械手臂 Y 依序執行下列步驟：(1) 機 械手臂 X 從反應室 A 中取出晶圓至反應室 B 閘門口等待其作業完成 (2) 機械手 臂 Y 直接前往反應室 B 中等待其作業完成 (3) 反應室 B 閘門開啟，機械手臂 Y

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將晶圓從反應室 B 中取出後機械手臂 X 隨即將晶圓放入反應室 B 中，我們又稱第 三步驟為 SWAP 作業。同樣步驟會一連貫的發生到所有反應室皆交換完成，即宣 告此手臂控制邏輯的中止。

圖 2.6 Push 推式手臂控制邏輯

2.2.2 Pull 拉式手臂控制邏輯

Pull 拉式手臂控制邏輯，為單一手臂控制邏輯，此手臂控制邏輯的主要設 計目的是為了減少晶圓在反應室中之等待時間，每當反應室一完成作業程序時，

Pull 拉式手臂控制邏輯，為單一手臂控制邏輯，此手臂控制邏輯的主要設 計目的是為了減少晶圓在反應室中之等待時間，每當反應室一完成作業程序時，