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

(北京中科信電子裝備有限公司，北京101111)

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(chǎng)上對(duì)半導(dǎo)體器件的要求的提高，對(duì)離子注入機(jī)的綜合要求也越來(lái)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(dòng)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(gè)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(guó)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(guó)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(tái)離子注入機(jī)上的300mm靶室晶圓傳送控制系統(tǒng)，包括各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件、硬件模塊的選用及軟件模塊的設(shè)計(jì)。與以往的國(guó)產(chǎn)機(jī)型相比，這套系統(tǒng)除了達(dá)到全自動(dòng)運(yùn)行基本的功能要求外，還能夠針對(duì)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(dòng)流程，大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)精度也得到了提高，達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)機(jī)型的水平。

1 靶室結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)功能介紹

離子注入機(jī)的靶室結(jié)構(gòu)由左右片庫(kù)、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(kù)為設(shè)備的晶圓入口，通常由外部機(jī)械手從人機(jī)過(guò)渡接口將晶圓送入片庫(kù)內(nèi)，使用兩個(gè)片庫(kù)的作用是當(dāng)一邊片庫(kù)的晶圓在做工藝的同時(shí)，外部接口可以和另一邊片庫(kù)進(jìn)行晶圓交換，這樣就可以減少等待晶圓更替的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；片庫(kù)內(nèi)有電梯承載晶圓上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)械手到片庫(kù)取片時(shí)，通過(guò)控制電梯的運(yùn)動(dòng)將晶圓放到機(jī)械手上。定位臺(tái)在兩個(gè)機(jī)械手之間，通常晶圓上有一個(gè)定位缺口，在送入靶室做工藝之前，都會(huì)先送到定位臺(tái)進(jìn)行定位，以保證束流注入方向；定位臺(tái)由一個(gè)升降電機(jī)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和一個(gè)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(tái)是晶圓做工藝時(shí)的載體，通過(guò)靶臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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(tái)的運(yùn)動(dòng)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(tái)，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(shí)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(gè)腔體，在片庫(kù)、定位臺(tái)和靶臺(tái)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(kù)的晶圓開(kāi)始做工藝，首先左機(jī)械手從片庫(kù)取到第一片晶圓，將其送到定位臺(tái)定位，在定位的同時(shí)左機(jī)械手又到片庫(kù)取第二片，此時(shí)定位完成，右機(jī)械手將定位完成的晶圓取走，送到靶臺(tái)進(jìn)行注入摻雜；同時(shí)，左機(jī)械手將第二片送到定位臺(tái)，在定位臺(tái)工作的同時(shí)又到片庫(kù)取第三片晶圓，右機(jī)械手又將定位臺(tái)上的晶圓取走，左機(jī)械手將第三片送上定位臺(tái)。此時(shí)，靶室總共有三片晶圓在傳輸過(guò)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(kù)，此時(shí)靶臺(tái)空閑，右機(jī)械手將第二片送入靶臺(tái)，左機(jī)械手又繼續(xù)取下一片晶圓。以此循環(huán)，保證靶臺(tái)在任何時(shí)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)

300 mm離子注入機(jī)相對(duì)于200 mm設(shè)備的主要改進(jìn)就是對(duì)靶室晶圓傳輸系統(tǒng)的升級(jí)，300 mm設(shè)備需要的晶圓更大，空間要求更高，對(duì)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：

(1)智能機(jī)械手。晶圓傳輸控制系統(tǒng)的一個(gè)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(dòng)處理功能，與以往固定的運(yùn)動(dòng)流程不同，本系統(tǒng)的兩個(gè)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(gè)全新的思路，大幅提高了靶室傳輸系統(tǒng)的效率。

(2)多軸聯(lián)動(dòng)控制。靶室晶圓傳輸需要運(yùn)用多個(gè)高精度的伺服電機(jī)控制各個(gè)部件配合運(yùn)動(dòng)，各個(gè)控制對(duì)象相互之間的關(guān)聯(lián)比較多，需要運(yùn)用實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

(3)控制精度高。晶圓在做工藝時(shí)，注入角度誤差范圍需要控制在0.1°以內(nèi)，因此對(duì)電機(jī)的控制精度要求比較高，需要采用高精度編碼盤(pán)進(jìn)行位置參考，同時(shí)在傳輸過(guò)程中定位精度要求也很高，傳感器的信號(hào)采集需要用到16位的模擬量信號(hào)，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(dòng)步驟比較復(fù)雜，電機(jī)聯(lián)動(dòng)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(gè)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(huì)有相應(yīng)的處理，保證不會(huì)出現(xiàn)碎片現(xiàn)象。

(5)自動(dòng)化程度高。靶室晶圓傳輸是全自動(dòng)處理過(guò)程，所有的傳感信號(hào)和電機(jī)狀態(tài)都實(shí)時(shí)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。用戶只需一個(gè)按鍵就可以完成所有待注入晶圓的工藝傳輸，同時(shí)計(jì)算機(jī)還具備自動(dòng)報(bào)警提示和出錯(cuò)時(shí)晶圓自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示故障原因，可立即進(jìn)行部件更換。當(dāng)有左右兩個(gè)相同功能的部件出錯(cuò)時(shí)，例如左機(jī)械手故障，通過(guò)界面上的按鍵可以改成單邊晶圓傳輸模式，在維修的同時(shí)，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(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，即使沒(méi)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(duì)象的復(fù)雜程度，要求硬件配置具備很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制卡，搭配集成的高性能真空機(jī)械手模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案。

2.2.1 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡

晶圓傳輸控制系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)為一臺(tái)當(dāng)前主流的酷睿雙核工業(yè)計(jì)算機(jī)，內(nèi)置美國(guó)Delta Tau公司的Toubo PMAC2 PCI型多軸電機(jī)控制卡，這是一種集運(yùn)動(dòng)軸控制、PLC控制以及數(shù)據(jù)采集的多功能的運(yùn)動(dòng)控制板卡，采用了DSP(數(shù)字信號(hào)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(hào)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(dòng)。圖2中MACRO系統(tǒng)為T(mén)URBO-PMAC的子系統(tǒng)，里面插有直接輸出給驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和高精度D/A信號(hào)的軸卡，用于傳感器信號(hào)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(dòng)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能都在TURBO-PMAC卡實(shí)現(xiàn)，通過(guò)光纖與MACRO系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)控制電機(jī)的輸出，同時(shí)不斷的采集各個(gè)傳感信號(hào)，放入雙端口RAM，供主計(jì)算機(jī)隨時(shí)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(duì)機(jī)械手要求較高，我們采用的是美國(guó)Brooks公司的真空機(jī)械手。機(jī)械手自帶驅(qū)動(dòng)模塊具備精確控制功能，能夠處理所有底層的運(yùn)動(dòng)算法，并自行決定運(yùn)動(dòng)曲線及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此我們只需要通過(guò)主計(jì)算機(jī)直接與其通訊，就可以對(duì)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(guò)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(gè)模塊，即運(yùn)動(dòng)控制接口及管理模塊；人機(jī)界面模塊；運(yùn)動(dòng)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(guò)界面能夠直接觀察到各個(gè)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(dòng)按鍵，通過(guò)自動(dòng)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(gè)部件進(jìn)行單步操作，當(dāng)操作不當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)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(dòng)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(gè)模塊，收集并處理運(yùn)動(dòng)模塊的數(shù)據(jù)，給人機(jī)接口模塊隨時(shí)調(diào)用，同時(shí)能夠管理并調(diào)用各種運(yùn)動(dòng)程序；所有的連鎖保護(hù)都在這個(gè)模塊里實(shí)現(xiàn)，調(diào)用的運(yùn)動(dòng)程序在滿足連鎖條件的情況下才能發(fā)出給運(yùn)動(dòng)模塊。這個(gè)模塊是靶室晶圓傳輸系統(tǒng)的大腦，協(xié)調(diào)管理各個(gè)系統(tǒng)使之穩(wěn)定運(yùn)行。

所有的運(yùn)動(dòng)程序均在多軸運(yùn)動(dòng)模塊里實(shí)現(xiàn)，這里處理與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的所有計(jì)算，同時(shí)這個(gè)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(dòng)程序的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。例如，將一個(gè)聯(lián)動(dòng)的功能模塊編寫(xiě)在一個(gè)PLC程序中，當(dāng)主計(jì)算機(jī)需要啟用這個(gè)功能時(shí)，可以直接調(diào)用PLC程序，PLC程序再調(diào)用相應(yīng)的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)程序，同時(shí)PLC程序還能夠監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的傳感器信號(hào)，通過(guò)傳感器信號(hào)的變化來(lái)銜接運(yùn)動(dòng)過(guò)程的聯(lián)動(dòng)。這樣，通過(guò)PLC程序能夠很方便的實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制。

機(jī)械手模塊是一個(gè)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(gè)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(guò)判斷晶圓狀態(tài)、傳感信號(hào)及運(yùn)動(dòng)部件的狀態(tài)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)上判斷事件，變連續(xù)處理為離散數(shù)字處理。同時(shí)，因?yàn)橛邢逘顟B(tài)機(jī)具有有限個(gè)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(guò)程可以分為有限個(gè)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(wú)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(dòng)部件都有聯(lián)動(dòng)關(guān)系，因此機(jī)械手狀態(tài)機(jī)的建模過(guò)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(duì)應(yīng)唯一能執(zhí)行的動(dòng)作，通過(guò)執(zhí)行動(dòng)作能切換到另一個(gè)晶圓傳輸狀態(tài)，只有當(dāng)運(yùn)動(dòng)到狀態(tài)n+1時(shí)，程序退出。因此，機(jī)械手能夠根據(jù)當(dāng)前靶室的實(shí)時(shí)狀態(tài)來(lái)判斷自己下一步該做什么，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)靶室內(nèi)各個(gè)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(dòng)，一直到靶室出現(xiàn)無(wú)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(dòng)，兩個(gè)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(dòng)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(cè)到傳輸過(guò)程中晶圓有可能出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)，會(huì)自行停止所有運(yùn)動(dòng)并報(bào)警提示；運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤或運(yùn)動(dòng)沖突時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)阻止相關(guān)運(yùn)動(dòng)并提示出錯(cuò)。在當(dāng)前的保護(hù)模塊下，傳感器會(huì)監(jiān)視所有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，任何異常都能及時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)，軟件會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行連鎖，理論上可以避免所有碎片。當(dāng)傳輸過(guò)程中發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)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(duì)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(dòng)控制卡和集成機(jī)械手模塊，軟件設(shè)計(jì)中引用了有限狀態(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?，穩(wěn)定運(yùn)行。該控制系統(tǒng)在300mm離子注入機(jī)上經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試，在滿足控制精度的基礎(chǔ)上，連續(xù)運(yùn)行30 000片無(wú)碎片，各項(xiàng)功能和指標(biāo)都達(dá)到了大規(guī)模生產(chǎn)線的穩(wěn)定高效的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。300mm靶室晶圓傳送控制系統(tǒng)的研制成功體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)離子注入機(jī)制造水平已經(jīng)達(dá)到一個(gè)新的高度。

[1]M.Quirk,&J.Serda.Sem iconductyor Manufacturing Technology[M]Publishing House of Electronics Industry,2005:442-471.

[2]梁俊.臺(tái)憲青.基于有限狀態(tài)機(jī)的工控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，4(1):54-56.

[3]羅宏洋.狀態(tài)機(jī)在離子注入機(jī)中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，38(9).