基于無線MEMS傳感器的晶圓傳輸振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

廖清遠， 葉柏龍

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

基于無線MEMS傳感器的晶圓傳輸振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

廖清遠， 葉柏龍

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

如何對半導(dǎo)體工廠運行中的晶圓傳輸設(shè)備進行監(jiān)測也成為半導(dǎo)體廠商面臨的主要問題之一。針對現(xiàn)有晶圓傳輸?shù)恼駝颖O(jiān)測問題，結(jié)合MEMS傳感器和無線傳輸特點，提出了基于無線MEMS加速度傳感器的晶圓傳輸過程的振動監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以MEMS電容式加速度傳感器為測試載體采集振動數(shù)據(jù)，通過藍牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞣?wù)器，在監(jiān)控PC上實時顯示和處理，從而獲得晶圓傳輸過程的振動信息。最后通過仿真驗證可得，采用MEMS傳感器可以滿足輕負載的晶圓傳輸過程的測試需求，而且采用藍牙無線傳輸方式也可以避免監(jiān)測系統(tǒng)中的布線復(fù)雜，成本高等不足。系統(tǒng)實現(xiàn)了半導(dǎo)體工廠中的晶圓傳輸全過程的在線實時監(jiān)測，可以及早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線中設(shè)備的故障。

微機電系統(tǒng)； 加速度傳感器； 無線傳輸； 晶圓； 振動監(jiān)測

0 引 言

隨著晶圓尺寸越來越大，對傳輸?shù)倪\動穩(wěn)定性和效率要求也越來越高[1]。傳輸過程的運動穩(wěn)定性(振動性能)是決定晶圓的良好率的關(guān)鍵指標(biāo)之一，如何對半導(dǎo)體工廠運行中的晶圓傳輸設(shè)備進行監(jiān)測也成為半導(dǎo)體廠商面臨的主要問題之一。傳統(tǒng)的加速度傳感器測量裝置體積大、質(zhì)量重，而采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式的振動監(jiān)測系統(tǒng)，布線復(fù)雜，成本高，無法用于晶圓傳輸?shù)脑诰€監(jiān)測[2]。

隨著半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)的發(fā)展，傳感器開始向集成化、微型化發(fā)展，其特點是體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高，MEMS加速度傳感器也被廣泛地用于機械振動的測量與監(jiān)控[3]。用藍牙無線傳感器取代傳統(tǒng)有線傳感器裝置，可以減少布線，降低監(jiān)測系統(tǒng)部署成本，增加監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性、可維護性和可擴展性[4]。

針對現(xiàn)有晶圓傳輸?shù)恼駝颖O(jiān)測問題，結(jié)合MEMS傳感器和無線傳輸特點，本文提出了基于無線MEMS加速度傳感器的晶圓傳輸過程的振動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以模擬晶圓的傳輸過程，對其振動狀況進行在線監(jiān)測，而且還可以對晶圓傳輸設(shè)備的振動性能進行分析，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，并為設(shè)備的故障點判定提供依據(jù)。

1 晶圓傳輸振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

晶圓傳輸振動監(jiān)測系統(tǒng)是由振動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析三部分組成。振動數(shù)據(jù)采集模塊采用的是美國Wafersense公司的振動測試傳感器AVS300[5]，其載體采用的是類晶圓的碳纖維圓盤結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、抗震性好等特點，可以模擬晶圓的傳輸狀態(tài)。整個振動數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是由多個振動數(shù)據(jù)采集模塊和無線接收模塊子網(wǎng)組成的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，及無線數(shù)據(jù)接收模塊與服務(wù)器組成的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。在振動數(shù)據(jù)的采集部分，以一定數(shù)量的振動數(shù)據(jù)采集模塊分布在晶圓傳輸路徑(如圖1弓形折線路徑)上，振動數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的振動信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將采集到數(shù)據(jù)傳輸給在其傳輸范圍內(nèi)的無線接收模塊。每個無線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)匯集，服務(wù)器最終將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)控終端工業(yè)PC進行下一步的數(shù)據(jù)分析處理。

圖1 振動監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，振動采集模塊AVS300核心是由三維MEMS電容式加速度傳感器信號檢測模塊、單片機微控制器模塊、藍牙無線傳輸與管理模塊及電源模塊組成。三維MEMS電容式加速度傳感器信號檢測模塊負責(zé)對環(huán)境變化引起的振動信息的收集，并將收集的振動信號傳輸給單片機微控制器模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過后端的藍牙無線傳輸與管理模塊將數(shù)據(jù)傳輸給與無線接收模塊前端的藍牙模塊。藍牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和快跳頻以及短包技術(shù)，支持點對點和點對多點通信[6]。AVS300采用的藍牙是一對一串口數(shù)據(jù)通信方式，振動數(shù)據(jù)采集模塊作為主端設(shè)備，預(yù)存有從端設(shè)備的PIN碼、地址等；無線接收模塊作為從端設(shè)備被設(shè)為靜默狀態(tài)，即只能與指定的主端通信，不被別的藍牙設(shè)備查找，因此，在系統(tǒng)中一個數(shù)據(jù)采集模塊可以與多個無線接收模塊鏈接。如圖1所示，振動數(shù)據(jù)采集模塊初始狀態(tài)下與無線接收模塊1建立鏈接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)振動數(shù)據(jù)采集模塊脫離無線接收模塊1的傳輸范圍時，則斷開與模塊1的鏈接，與其它模塊建立新的聯(lián)系[7]。無線接收模塊通過后端的無線網(wǎng)卡芯片通過TCP/IP協(xié)議與Internet上的服務(wù)器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 無線接收模塊節(jié)點配置

無線接收模塊的硬件模塊由藍牙模塊、單片機微控制器模塊、網(wǎng)卡芯片模塊及電源模塊組成。振動信號采集模塊中的藍牙無線傳輸與管理模塊監(jiān)測藍牙模塊所在的環(huán)境，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時,觸發(fā)藍牙模塊的輸入/輸出管腳中斷將信息傳送給藍牙模塊 ,再以無線的方式傳送給無線接收模塊。無線接收模塊節(jié)點配置與藍牙傳輸距離、半導(dǎo)體工廠中晶圓傳輸設(shè)備的布局、無線接收模塊所放置的位置相關(guān)，一般情況下，無線接收模塊會放置在工廠的墻壁端，然后通過布置在墻壁內(nèi)的網(wǎng)線與服務(wù)器連接。

對于無線傳輸系統(tǒng)，發(fā)射功率可以從理論上計算出系統(tǒng)所能達到的最遠的發(fā)射距離，系統(tǒng)的接收靈敏度與系統(tǒng)能夠接收的信號距離相關(guān)[4]。設(shè)系統(tǒng)無線發(fā)射功率為Ptr，系統(tǒng)接收功率為Pre，有效接收孔徑面積為Ae，發(fā)射天線和接收天線的增益分別為Gtr，Gre，傳輸距離為R，距離R的各向同性天線的功率密度為Sarg，具有不同發(fā)射增益的天線的功率密度為Starg，各參數(shù)具有以下關(guān)系

Starg=Gtr×Sarg,

(1)

(2)

(3)

其中，Pre的值越大，說明數(shù)據(jù)被傳輸?shù)男阅茉胶茫虼?Ptr越大，則可以傳輸?shù)木嚯x也越遠。在此得出的最大的距離R為理論上的最遠傳輸距離，而在實際工程應(yīng)用中會存在許多因素減小傳輸距離，如因系統(tǒng)的匹配問題而導(dǎo)致發(fā)射功率的下降，因傳輸過程中障礙物反射、散射、吸收以及一些其它信號的干擾等導(dǎo)致能量的損耗。因此，實際傳輸距離遠小于理論值，在無線系統(tǒng)設(shè)計過程中需要考慮的是盡可能減少損耗，提高發(fā)射功率而使傳輸距離達到最大。

AVS300無線傳輸模塊采用的是class A 的2.4 GHz RF的藍牙設(shè)備，其傳輸距離可達100 m[7]。但是由于半導(dǎo)體工廠內(nèi)各設(shè)備的封閉和信號的干擾，經(jīng)充分測試，AVS300的穩(wěn)定傳輸距離約為65 m。為了保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在無線接收模塊配置時，利用了其60 m的穩(wěn)定傳輸距離，即每個無線傳輸模塊與在晶圓傳輸路徑上的AVS300之間的距離應(yīng)小于60 m。

3 數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)

基于LabVIEW開發(fā)虛擬儀器檢測系統(tǒng)，可以有效利用電腦的軟硬件資源，比傳統(tǒng)的儀器更具有優(yōu)越性能[8]。晶圓傳輸振動監(jiān)測系統(tǒng)功能主要三部分，即參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、實時顯示以及數(shù)據(jù)存儲等。其中，基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置主要是對系統(tǒng)的通信參數(shù)[4]和AVS300的采集基本參數(shù)設(shè)置，以便數(shù)據(jù)的正常傳輸；數(shù)據(jù)存儲完成數(shù)據(jù)的記錄，在需要進行數(shù)據(jù)回放以便進一步分析時，可以將程序保存的數(shù)據(jù)記錄文件.csv讀出。

為了便于控制藍牙模塊的重新配對，數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)與半導(dǎo)體工廠的工廠自動化(factory automation，F(xiàn)A)系統(tǒng)建立了接口鏈接，通過晶圓傳輸設(shè)備的狀態(tài)控制藍牙模塊的配對。在藍牙配對時，晶圓傳輸設(shè)備運動處于停止階段，且停止的時間大于藍牙模塊的配對時間，因此,保證了對晶圓各個傳輸過程的監(jiān)控。

4 系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)如圖3所示，為振動傳感器的時域特征曲線，顯示了在傳輸過程中晶圓不同時刻的X,Y,Z三個方向的加速度，加速度越大，晶圓振動越大。不同時刻，晶圓被傳輸?shù)讲煌脑O(shè)備上，因此,該曲線也可以反映出晶圓傳輸設(shè)備的狀況。

圖3 振動時域圖

為了對系統(tǒng)的性能進行分析，以35 m×80 m車間內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)為例進行分析，為了完成車間內(nèi)晶圓傳輸狀態(tài)的監(jiān)控，該系統(tǒng)采用了1個AVS300，2個無線傳輸模塊。采用該系統(tǒng)與采用獨立AVS300系統(tǒng)的對比結(jié)果如表1所示。實驗結(jié)果表明:與獨立式AVS采集相比，在AVS數(shù)據(jù)采集時間相同和延時小于1 s的情況下，采用該系統(tǒng)與獨立式AVS相比，效率提高了約200 %。

表1 系統(tǒng)性能比對結(jié)果

5 結(jié)束語

針對半導(dǎo)體工廠晶圓傳輸?shù)恼駝颖O(jiān)測問題，本文設(shè)計并開發(fā)了基于藍牙無線MEMS電容式加速度傳感器的振動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過藍牙無線傳輸網(wǎng)絡(luò)與有線傳輸網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，完成了振動數(shù)據(jù)的遠程傳輸，可實現(xiàn)對半導(dǎo)體工廠中的整條生產(chǎn)線上的晶圓傳輸?shù)恼駝訝顩r進行在線實時監(jiān)測，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以實現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)晶圓傳輸設(shè)備的故障，并對設(shè)備出現(xiàn)的故障進行診斷，提高晶圓的良好率。

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Design of vibration monitoring system for wafer

transmission based on wireless MEMS sensor*LIAO Qing-yuan, YE Bo-long

(School of Information Science and Engineering,Central South University, Changsha 410083,China)

A vibration monitoring system of wafer transmission is designed. Taking the MEMS capacitive acceleration sensor as test vector to collect vibration data,and the Bluetooth wireless sensor networks(WSNs) is used to transmit the signal data to host computer,on monitoring computer,data processing and real-time display can be completed. The MEMS sensor can meet the light load test requirement of wafer transmission process,and using of the Bluetooth mode can avoid drawbacks of complex wiring，high cost in vibration monitoring system. With the help of the vibration system，online real-time supervision of wafer transmission in semiconductor factory can be realized，and the breakdown can be detected early.

MEMS; acceleration sensor; wireless transmission; wafer; vibration monitoring

2014—07—31

國家創(chuàng)新基金資助項目(11C26214305383)； 中央財政2012年科技成果轉(zhuǎn)化資金資助項目([財建2012]258號)；湖南省科技廳資助項目(2012SK3172)；國家自然科學(xué)基金資助項目(61103143)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0102—03

TP 391

A

1000—9787(2015)04—0102—03

廖清遠(1974-),男，湖南益陽人，碩士，副教授，高級工程師，主要研究方向為軟件工程、計算機網(wǎng)絡(luò)。