A cluster tool is considered as a key equipment for agile semiconductor manufacturing industry. The cluster tool consists of a wafer handling robot and several wafer processing chambers as usually a radial configuration. As many chip processes adopt the single-wafer processing technology, the cluster tools are broadly used for various types of processes. There are many types of operation characteristics including various wafer flow patterns, parallelization of processing chamber to reduce the cycle time, and pipeline configuration in a cell type working area.
We investigate such operational properties and scheduling issues through formal modeling approaches. We use the Petri Net formalism as modeling tool to develop a performance evaluation and analysis the transient control. There are two problems, one is to find a optimal robot work cycle to guarantee the minimal cycle time to produce a wafer, the other is to check schedulability whether the configuration of processing times satisfy the time window constraints.
The time window constraint is very crucial factor to determine the wafer quality. Therefore, we develop a directed graph which takes second weight factor for representing the number of chamber duplications. A polynomial time algorithm can be devised to check the processing time could satisfy the given timing constraints, based on the directed graph model. Also, we investigate the scheduling issues arising at cluster tool domain with time window and without time window constraints.
Our event graph models the parallelized chamber as duplication tokens. This token duplication has the same modeling and analysis capabilities with the complicated event graph model. The cycle time formulae and functional characteristics are investigated by the circuit analysis. The circuit analysis is an important method to analyze the characteristics of system.
All the results from event graph models and scheduling algorithms can be applied to develop a real-time scheduler and controller for a realistic cluster tool application. The cluster tool controller has a hierarchical architecture and modular configuration which is applied to many types of cluster tool configurations. The scheduler software is developed via verifying the logic, algorithms and the controller based on a virtual cluster tool. This virtual cluster tool is an emulation version which is one of pre-developed software.
반도체 생산 시스템은 단일 웨이퍼 가공 공정의 개발로 인해 기존의 뱃치 형태의 대량 생산 방식과 비교하여 다품종 소량 생산방식을 가능하게 하고 보다 단기간의 제조공정 소요 시간을 기대할 수 있게 한다. 이러한 단일 웨이퍼 가공 공정의 핵심 장비로 클러스터 장비가 최근 반도체 생산 업체와 공정장비 개발 업체에 의해 개발되고 있다. 클러스터 장비는 복수의 단일 웨이퍼 가공 모듈들과 웨이퍼 이송을 담당하는 로봇 팔로 구성된다. 클러스터 장비를 이용하여 반도체 공정에 적용할 경우, 공정의 분할 및 공정간의 작업시간 분배가 매우 중요하며 공정 특징으로 인하여 발생하는 시간 제약을 만족하면서 최적의 웨이퍼 이송경로를 찾아내어 이를 실제로 적용하는 것이 핵심 사항이다.
본 연구는 클러스터 장비 내의 이송 로봇 팔이 최단 시간내에 반복적으로 웨이퍼를 이송할 수 있는 최적 경로를 찾는 방법을 페트리 네트를 이용한 이벤트 그래프 모델을 통해 분석하고 개발하였다. 이벤트 그래프 모델을 이용하여 웨이퍼 생산 주기 시간의 수식을 찾을 수 있으며 이를 이용하여 각 공정 모듈별 공정시간이 특정한 조건을 만족할 경우 (1,n+1,…,2) 형태의 이송 경로가 최적임을 알 수 있다.
또한, 본 연구에서는 웨이퍼가 잔류시간에 대한 시간 제약 조건을 가질 경우에 대해서도 방향성이 있는 그래프 모형 G(T,E)에 2가지의 가중치를 적용하여 분석할 수 있음을 보였다. 특히, 공정 엔지니어가 클러스터 장비를 이용하여 공정을 구성할 경우에 필요한 스케줄 가능성을 체크할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 클러스터 장비가 시간 제약을 가질 경우와 그렇지 않을 경우 모두에 대한 최적의 이송 경로를 찾을 수 있는 수리모형을 개발하여 그 특징을 분석하였다.
본 연구를 통해 우리는 웨이퍼 이송 경로에 대한 특징과 여러 분석 결과를 실제의 장비에 적용할 경우 실시간 스케줄러 로직으로 구현하고 검증하는 방법을 개발하였다. 또한, 실제적인 스케줄러 소프트웨어가 장비에 탑재되기 전에 개발된 로직과 소프트웨어 구성을 검증하기 위한 가상의 클러스터 장비를 소프트웨어 기반으로 개발하였다. 개발된 스케줄러 로직은 유한 상태 모형으로 모델링하여 공정 모듈과 로봇 모듈의 현재 상태에 따라 필요한 로봇이나 공정 데이터의 이송 등의 동작을 하도록 고안되었다.
