300mm離子注入機(jī)靶室晶圓傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁
300mm離子注入機(jī)靶室晶圓傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第2頁
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300mm離子注入機(jī)靶室晶圓傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)謝均宇;楊亞兵;孫勇【摘要】在實(shí)現(xiàn)了高效晶圓傳輸全自動控制的基礎(chǔ)上,闡述了靶室晶圓傳送系統(tǒng)運(yùn)動部件的結(jié)構(gòu)和各自的功能;介紹了整個晶圓傳輸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,在采用高性能多軸運(yùn)動控制卡和機(jī)械手模塊的硬件基礎(chǔ)上,弓1用了有限狀態(tài)機(jī)對系統(tǒng)軟件進(jìn)行了智能化模型設(shè)計(jì).【期刊名稱】《電子工業(yè)專用設(shè)備》【年(卷),期】2010(039)005【總頁數(shù)】5頁(P26-29,37)【關(guān)鍵詞】晶圓傳送系統(tǒng);自動控制;機(jī)械手;TurboPMAC;有限狀態(tài)機(jī)【作者】謝均宇;楊亞兵;孫勇【作者單位】北京中科信電子裝備有限公司,北京,101111;北京中科信電子裝備有限公司,北京,101111;北京中科信電子裝備有限公司,北京,101111【正文語種】中文【中圖分類】TN305.3離子注入機(jī)是半導(dǎo)體離子摻雜工藝線的關(guān)鍵設(shè)備之一[1],隨著市場上對半導(dǎo)體器件的要求的提高,對離子注入機(jī)的綜合要求也越來越高。要求離子注入機(jī)具有:整機(jī)可靠性好、生產(chǎn)效率高、多種電荷態(tài)離子寬能量范圍注入、精確控制束注入能量精度、精確控制束純度、低塵粒污染、整機(jī)全自動控制、注片均勻性和重復(fù)性好等多種功能和特征。這一切都直接受控制技術(shù)的影響,而其中的靶室晶圓傳輸控制系統(tǒng),是整機(jī)控制系統(tǒng)一個重要組成部分,直接決定了整機(jī)的生產(chǎn)效率和可靠性。目前,300mm離子注入機(jī)已經(jīng)成為國際高端集成電路生產(chǎn)線采用的主流機(jī)型,北京中科信電子裝備有限公司作為國內(nèi)離子注入機(jī)制造的領(lǐng)航者,為適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)線工藝要求率先成功研制出300mm大角度中束流離子注入機(jī)。本文要介紹的就是這臺離子注入機(jī)上的300mm靶室晶圓傳送控制系統(tǒng),包括各個運(yùn)動部件、硬件模塊的選用及軟件模塊的設(shè)計(jì)。與以往的國產(chǎn)機(jī)型相比,這套系統(tǒng)除了達(dá)到全自動運(yùn)行基本的功能要求外,還能夠針對單晶圓注入方式,改良了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),優(yōu)化了運(yùn)動流程,大大提高了生產(chǎn)效率,同時穩(wěn)定性和運(yùn)動精度也得到了提高,達(dá)到了國外先進(jìn)機(jī)型的水平。1靶室結(jié)構(gòu)及運(yùn)動功能介紹離子注入機(jī)的靶室結(jié)構(gòu)由左右片庫、左右機(jī)械手腔體和靶室腔體構(gòu)成,如圖1所示。左右片庫為設(shè)備的晶圓入口,通常由外卜部機(jī)械手從人機(jī)過渡接口將晶圓送入片庫內(nèi),使用兩個片庫的作用是當(dāng)一邊片庫的晶圓在做工藝的同時,外部接口可以和另一邊片庫進(jìn)行晶圓交換,這樣就可以減少等待晶圓更替的時間,提高生產(chǎn)效率;片庫內(nèi)有電梯承載晶圓上下運(yùn)動,當(dāng)機(jī)械手到片庫取片時,通過控制電梯的運(yùn)動將晶圓放到機(jī)械手上。定位臺在兩個機(jī)械手之間,通常晶圓上有一個定位缺口,在送入靶室做工藝之前,都會先送到定位臺進(jìn)行定位,以保證束流注入方向;定位臺由一個升降電機(jī)、一個旋轉(zhuǎn)電機(jī)和一個傳感器組成,升降電機(jī)用于將頂起晶圓使其脫離機(jī)械手,旋轉(zhuǎn)電機(jī)則用于幫助傳感器尋找晶圓缺口并旋轉(zhuǎn)到需要的位置。靶室腔體是給晶圓做工藝的地方,靶臺是晶圓做工藝時的載體,通過靶臺的運(yùn)動可以實(shí)現(xiàn)晶圓以不同角度垂直于束流進(jìn)行掃描,完成晶圓的摻雜注入;靶臺的運(yùn)動由頂架電機(jī)、x角度電機(jī)、y角度電機(jī)、自轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)分別實(shí)現(xiàn),其中頂架電機(jī)用于幫助晶圓從機(jī)械手上放到靶臺,而x角度電機(jī)、y角度電機(jī)和自轉(zhuǎn)電機(jī)用于做工藝時控制晶圓的注入角度,直線電機(jī)則用于控制晶圓的垂直掃描。機(jī)械手為晶圓傳輸?shù)闹饕考?,我們采用的機(jī)械手為多關(guān)節(jié)的真空機(jī)械手,能夠到達(dá)靶室的各個腔體,在片庫、定位臺和靶臺之間傳輸晶圓。靶室晶圓傳輸通常的流程是:假設(shè)左邊片庫的晶圓開始做工藝,首先左機(jī)械手從片庫取到第一片晶圓,將其送到定位臺定位,在定位的同時左機(jī)械手又到片庫取第二片,此時定位完成,右機(jī)械手將定位完成的晶圓取走,送到靶臺進(jìn)行注入摻雜;同時,左機(jī)械手將第二片送到定位臺,在定位臺工作的同時又到片庫取第三片晶圓,右機(jī)械手又將定位臺上的晶圓取走,左機(jī)械手將第三片送上定位臺。此時,靶室總共有三片晶圓在傳輸過程中,當(dāng)?shù)谝黄⑷胪瓿珊?,已?jīng)空閑的左機(jī)械手將其取走,送回片庫,此時靶臺空閑,右機(jī)械手將第二片送入靶臺,左機(jī)械手又繼續(xù)取下一片晶圓。以此循環(huán),保證靶臺在任何時候都處于工作狀態(tài),這樣的流程設(shè)計(jì)能將傳輸效率達(dá)到最大化。圖1靶室結(jié)構(gòu)圖2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1晶圓傳輸控制的特點(diǎn)300mm離子注入機(jī)相對于200mm設(shè)備的主要改進(jìn)就是對靶室晶圓傳輸系統(tǒng)的升級,300mm設(shè)備需要的晶圓更大,空間要求更高,對傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率要求也更高。其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是:智能機(jī)械手。晶圓傳輸控制系統(tǒng)的一個重要組成部分就是機(jī)械手的智能化編程,使機(jī)械手具備自動處理功能,與以往固定的運(yùn)動流程不同,本系統(tǒng)的兩個機(jī)械手能夠根據(jù)當(dāng)前的靶室狀態(tài)決定自己下一步去做什么,這是一個全新的思路,大幅提高了靶室傳輸系統(tǒng)的效率。多軸聯(lián)動控制。靶室晶圓傳輸需要運(yùn)用多個高精度的伺服電機(jī)控制各個部件配合運(yùn)動,各個控制對象相互之間的關(guān)聯(lián)比較多,需要運(yùn)用實(shí)時處理能力強(qiáng)的多軸運(yùn)動控制器。⑶控制精度高。晶圓在做工藝時,注入角度誤差范圍需要控制在0.1°以內(nèi),因此對電機(jī)的控制精度要求比較高,需要采用高精度編碼盤進(jìn)行位置參考,同時在傳輸過程中定位精度要求也很高,傳感器的信號采集需要用到16位的模擬量信號,以確保定位的誤差控制在最小范圍內(nèi)。(4)保護(hù)功能強(qiáng)大。由于運(yùn)動步驟比較復(fù)雜,電機(jī)聯(lián)動的情況需要更強(qiáng)的系統(tǒng)保護(hù)功能。為保證晶圓的安全,每一個步驟都有相應(yīng)的傳感器監(jiān)控,出現(xiàn)任何非正常想象系統(tǒng)都會有相應(yīng)的處理,保證不會出現(xiàn)碎片現(xiàn)象。⑸自動化程度高。靶室晶圓傳輸是全自動處理過程,所有的傳感信號和電機(jī)狀態(tài)都實(shí)時送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。用戶只需一個按鍵就可以完成所有待注入晶圓的工藝傳輸,同時計(jì)算機(jī)還具備自動報(bào)警提示和出錯時晶圓自動送回功能,用戶只需在人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行,可完全避免手動單步操作。(6)可維護(hù)性好??刂葡到y(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),每個部件都有相應(yīng)的備件。人機(jī)界面信息量齊全,條例清晰,當(dāng)某部件出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)會顯示故障原因,可立即進(jìn)行部件更換。當(dāng)有左右兩個相同功能的部件出錯時,例如左機(jī)械手故障,通過界面上的按鍵可以改成單邊晶圓傳輸模式,在維修的同時,不影響晶圓傳輸系統(tǒng)的功能。2.2硬件設(shè)計(jì)在龐大的離子注入機(jī)控制系統(tǒng)中,靶室晶圓傳輸控制系統(tǒng)是一個獨(dú)立的子系統(tǒng),即使沒有和主計(jì)算機(jī)連接,晶圓控制系統(tǒng)還是能獨(dú)立完成晶圓傳輸?shù)乃泄δ???紤]到控制對象的復(fù)雜程度,要求硬件配置具備很強(qiáng)的運(yùn)動控制能力和數(shù)據(jù)處理功能。如圖2所示,我們采用了工業(yè)計(jì)算機(jī)配置多軸運(yùn)動控制卡,搭配集成的高性能真空機(jī)械手模塊來實(shí)現(xiàn)這個方案。2.2.1多軸運(yùn)動控制卡晶圓傳輸控制系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)為一臺當(dāng)前主流的酷睿雙核工業(yè)計(jì)算機(jī),內(nèi)置美國DeltaTau公司的TouboPMAC2PCI型多軸電機(jī)控制卡,這是一種集運(yùn)動軸控制、PLC控制以及數(shù)據(jù)采集的多功能的運(yùn)動控制板卡,采用了DSP(數(shù)字信號處理器)技術(shù)的強(qiáng)大功能,借助于Motorola的DSP56系列數(shù)字信號處理器。采用PCI總線與計(jì)算機(jī)通信,能夠脫機(jī)獨(dú)立使用,也可以使用雙端口RAM擴(kuò)展總線的通訊速度,最多可以控制32軸的步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)聯(lián)動。圖2中MACRO系統(tǒng)為TURBO-PMAC的子系統(tǒng),里面插有直接輸出給驅(qū)動器信號和高精度D/A信號的軸卡,用于傳感器信號采集的高精度A/D卡和數(shù)字量I/O卡,還有用于與TURBO-PMAC通訊的CPU卡,所有的運(yùn)動計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能都在TURBO-PMAC卡實(shí)現(xiàn),通過光纖與MACRO系統(tǒng)相連,實(shí)時控制電機(jī)的輸出,同時不斷的采集各個傳感信號,放入雙端口RAM,供主計(jì)算機(jī)隨時取用。圖2控制系統(tǒng)圖2.2.2真空機(jī)械手由于靶室傳輸為真空環(huán)境,對機(jī)械手要求較高,我們采用的是美國Brooks公司的真空機(jī)械手。機(jī)械手自帶驅(qū)動模塊具備精確控制功能,能夠處理所有底層的運(yùn)動算法,并自行決定運(yùn)動曲線及運(yùn)動參數(shù)。因此我們只需要通過主計(jì)算機(jī)直接與其通訊,就可以對其進(jìn)行指令操作。如圖2所示,左右機(jī)械手為單獨(dú)的控制模塊,通過一塊網(wǎng)卡就可以直接實(shí)現(xiàn)其所有的功能控制。2.3軟件設(shè)計(jì)2.3.1模塊功能介紹靶室晶圓傳輸控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)好壞決定了系統(tǒng)的性能和效率。本系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計(jì),如圖3所示,主要分成四個模塊,即運(yùn)動控制接口及管理模塊;人機(jī)界面模塊;運(yùn)動控制模塊和機(jī)械手模塊。人機(jī)接口模塊為晶圓傳輸控制系統(tǒng)界面,通過界面能夠直接觀察到各個部件和傳感器狀態(tài)及所有的參數(shù)數(shù)據(jù),人機(jī)界面采用了更多人性化設(shè)計(jì),并且設(shè)置了操作權(quán)限,普通用戶能夠操作自動按鍵,通過自動按鍵就可以實(shí)現(xiàn)所有的功能,也可以在系統(tǒng)保護(hù)下選擇單個部件進(jìn)行單步操作,當(dāng)操作不當(dāng)時,系統(tǒng)會彈出信息提示用戶進(jìn)行正確操作。只有維護(hù)人員可以進(jìn)入底層維護(hù)界面更改運(yùn)動參數(shù)。數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)保護(hù)模塊用于連接系統(tǒng)的各個模塊,收集并處理運(yùn)動模塊的數(shù)據(jù),給人機(jī)接口模塊隨時調(diào)用,同時能夠管理并調(diào)用各種運(yùn)動程序;所有的連鎖保護(hù)都在這個模塊里實(shí)現(xiàn),調(diào)用的運(yùn)動程序在滿足連鎖條件的情況下才能發(fā)出給運(yùn)動模塊。這個模塊是靶室晶圓傳輸系統(tǒng)的大腦,協(xié)調(diào)管理各個系統(tǒng)使之穩(wěn)定運(yùn)行。所有的運(yùn)動程序均在多軸運(yùn)動模塊里實(shí)現(xiàn),這里處理與運(yùn)動有關(guān)的所有計(jì)算,同時這個模塊還有PLC功能,PLC程序在模塊中是快速循環(huán)掃描,通常用于處理異步與運(yùn)動程序的運(yùn)動過程。例如,將一個聯(lián)動的功能模塊編寫在一個PLC程序中,當(dāng)主計(jì)算機(jī)需要啟用這個功能時,可以直接調(diào)用PLC程序,PLC程序再調(diào)用相應(yīng)的幾個運(yùn)動程序,同時PLC程序還能夠監(jiān)測運(yùn)動相關(guān)的傳感器信號,通過傳感器信號的變化來銜接運(yùn)動過程的聯(lián)動。這樣,通過PLC程序能夠很方便的實(shí)現(xiàn)各個電機(jī)的聯(lián)動控制。機(jī)械手模塊是一個獨(dú)立的智能程序模塊,與機(jī)械手有關(guān)的所有功能都在模塊里面處理。這個模塊采用了有限狀態(tài)機(jī)(FSM)編程思想[2],機(jī)械手能夠通過判斷晶圓狀態(tài)、傳感信號及運(yùn)動部件的狀態(tài)自動運(yùn)行,最終完成所有功能。圖3軟件模塊圖2.3.2機(jī)械手智能運(yùn)動模型設(shè)計(jì)[3]有限狀態(tài)機(jī)(FSM)編程思想為機(jī)械手智能運(yùn)動模型設(shè)計(jì)的核心思想。有限狀態(tài)機(jī)(FSM)把復(fù)雜的晶圓傳輸控制邏輯分解成有限個穩(wěn)定狀態(tài),在每個狀態(tài)上判斷事件,變連續(xù)處理為離散數(shù)字處理。同時,因?yàn)橛邢逘顟B(tài)機(jī)具有有限個狀態(tài),所以可以在實(shí)際的工程上實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)前的應(yīng)用中,晶圓傳輸過程可以分為有限個狀態(tài),有限狀態(tài)機(jī)是閉環(huán)系統(tǒng),可以用有限的狀態(tài),處理無窮的事務(wù),在可能出現(xiàn)的傳輸狀態(tài)中反復(fù)切換,一直到晶圓全部傳輸完成狀態(tài)出現(xiàn),狀態(tài)機(jī)的工作才停止。由于機(jī)械手和所有晶圓傳輸運(yùn)動部件都有聯(lián)動關(guān)系,因此機(jī)械手狀態(tài)機(jī)的建模過程囊括了所有靶室的狀態(tài)?;镜慕K枷肴鐖D4所示,首先羅列出所有和晶圓傳輸有關(guān)的狀態(tài),每種狀態(tài)都對應(yīng)唯一能執(zhí)行的動作,通過執(zhí)行動作能切換到另一個晶圓傳輸狀態(tài),只有當(dāng)運(yùn)動到狀態(tài)n+1時,程序退出。因此,機(jī)械手能夠根據(jù)當(dāng)前靶室的實(shí)時狀態(tài)來判斷自己下一步該做什么,在運(yùn)動的同時靶室內(nèi)各個狀態(tài)也發(fā)生改變,從而根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)又進(jìn)行下一步運(yùn)動,一直到靶室出現(xiàn)無晶圓狀態(tài)退出程序。狀態(tài)機(jī)下的機(jī)械手并不是按照固定流程運(yùn)行的,根據(jù)狀態(tài)的變化能自行選擇下一步運(yùn)動,兩個機(jī)械手各自工作,互不干擾,相互配合,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動效率的最大化。圖4有限狀態(tài)機(jī)工作原理2.3.3系統(tǒng)互鎖及故障處理碎片率是晶圓傳輸系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一,因此系統(tǒng)互鎖及故障處理功能變得尤其重要。當(dāng)系統(tǒng)檢測到傳輸過程中晶圓有可能出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時,會自行停止所有運(yùn)動并報(bào)警提示;運(yùn)動錯誤或運(yùn)動沖突時系統(tǒng)會自動阻止相關(guān)運(yùn)動并提示出錯。在當(dāng)前的保護(hù)模塊下,傳感器會監(jiān)視所有的運(yùn)動狀態(tài),任何異常都能及時反饋給計(jì)算機(jī),軟件會根據(jù)實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行連鎖,理論上可以避免所有碎片。當(dāng)傳輸過程中發(fā)生故障,系統(tǒng)會停止在當(dāng)前狀態(tài),當(dāng)故障排除后,可以根據(jù)實(shí)際情況選擇繼續(xù)運(yùn)行或單鍵送回,保證晶圓傳輸?shù)慕^對安全。3結(jié)論300mm靶室晶圓傳送控制系統(tǒng)采用了一種全新的設(shè)計(jì)思路,硬件上選用了性能出眾的多軸運(yùn)動控制卡和集成機(jī)械手模塊,軟件設(shè)計(jì)中弓1用了有限狀態(tài)機(jī),為機(jī)械手建立智能化模型,實(shí)現(xiàn)了晶圓傳輸?shù)母咝В€(wěn)定運(yùn)行。該控制系統(tǒng)在300mm離子注入機(jī)上經(jīng)過長時間的調(diào)試,在滿足控制精度的基礎(chǔ)上,連續(xù)運(yùn)行30000片無碎片,各項(xiàng)功能和指標(biāo)都達(dá)到了大規(guī)模生

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