Loadport控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中，晶圓需要經(jīng)常在潔凈與超潔凈環(huán)境間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程中為保證晶圓不受微粒子附著，需要使用Loadport（晶圓裝載端口）做為環(huán)境轉(zhuǎn)換的輸入輸出端口。目前在Fab廠中Loadport已得到非常廣泛的應(yīng)用，但其仍需依賴進(jìn)口。擁有Loadport相關(guān)技術(shù)的國(guó)家仍對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)限制，所以Loadport關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)就顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種Loadport控制系統(tǒng)可以滿足實(shí)際半導(dǎo)體產(chǎn)線應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：Loadport;控制系統(tǒng);晶圓;Foup

中圖分類號(hào)：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：2096-6903（2021）04-0000-00

0引言

在Fab廠中，晶圓主要放置于Foup（前開式晶圓傳送盒）中來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。在晶圓轉(zhuǎn)運(yùn)于不同半導(dǎo)體制造設(shè)備過(guò)程中，F(xiàn)oup可在一定程度上防止Foup內(nèi)晶圓被微粒子附著。當(dāng)將Foup內(nèi)晶圓取出開始工藝制程或工藝制程結(jié)束將晶圓放回Foup的過(guò)程中，需要在潔凈與超潔凈環(huán)境間轉(zhuǎn)換。為防止Foup內(nèi)晶圓受到微粒子附著，需要用到一種專用設(shè)備即Loadport來(lái)裝載和卸載Foup。本文通過(guò)對(duì)Loadport的主要功能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種Loadport控制系統(tǒng)可以滿足實(shí)際半導(dǎo)體產(chǎn)線應(yīng)用需求。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 Loadport工作原理

Loadport主要用來(lái)裝載和卸載Foup。在裝載時(shí)打開Foup盒蓋，使用Mapping（映射定位）功能定位Foup內(nèi)晶圓位置以及是否偏位，并將晶圓位置信息發(fā)送給上位機(jī)。其工作過(guò)程如下：放置Foup于Loadport的Docking plate（裝載臺(tái)）上，運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合釘和到位傳感器完成Foup定位檢測(cè)，隨后氣缸推動(dòng)夾爪鎖死Foup并由開盒機(jī)構(gòu)對(duì)Foup進(jìn)行定位、吸附、解鎖等操作;氣缸驅(qū)動(dòng)開盒機(jī)構(gòu)下移打開Foup盒蓋;當(dāng)Foup盒蓋完全打開后，開盒機(jī)構(gòu)繼續(xù)下移并帶動(dòng)Mapping傳感器開始掃描盒內(nèi)晶圓位置狀態(tài);完成掃描后開盒機(jī)構(gòu)繼續(xù)下移達(dá)到限位傳感器位置后停止。卸載過(guò)程與裝載過(guò)程相反，這里不再贅述。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)組成如框圖1所示，包括主控板、四塊接口板及RFID模塊、E84模塊、光柵尺、電磁閥島及大量檢測(cè)傳感器等。

主控板通過(guò)板對(duì)板方式和排線方式連接四塊接口板。接口板只用來(lái)轉(zhuǎn)接信號(hào)，采用就近原則連接各傳感器及狀態(tài)指示燈、開關(guān)等。Foup上安裝有RFID電子標(biāo)簽，用于記錄Foup中晶圓在不同工藝制程中流轉(zhuǎn)的信息。Loadport每次裝載和卸載Foup，主控板都會(huì)通過(guò)RS232接口控制RFID模塊讀取或?qū)懭隖oup上電子標(biāo)簽，將工藝制程信息寫入。E84光通訊模塊是在半導(dǎo)體產(chǎn)線中所使用的全自動(dòng)傳送裝置Vehicle （OHT或RGV）和設(shè)備之間進(jìn)行通訊和控制的裝置，其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。每當(dāng)OHT或RGV對(duì)接工藝設(shè)備裝入或取出Foup時(shí)，主控板通過(guò)RS232接口控制E84光通訊模塊與OHT或RGV非接觸式通訊，實(shí)現(xiàn)與OHT或RGV的IO狀態(tài)互鎖，保證在自動(dòng)裝載Foup時(shí)的操作安全[1]。

整個(gè)系統(tǒng)共有8個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，采用氣缸控制。主控板通過(guò)RS232接口控制電磁閥島實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)氣缸的控制，并采集氣缸磁性開關(guān)信號(hào)做氣缸到位檢測(cè)。光柵尺垂直安裝，用于檢測(cè)Mapping傳感器實(shí)際位置，主控板通過(guò)SSI接口讀取絕對(duì)式光柵尺位置值，用于結(jié)合Mapping傳感器定位Foup內(nèi)晶圓位置及是否偏位。

在裝載Foup過(guò)程中，首先OHT或RGV移動(dòng)到Loadport前方，裝載于OHT或RGV上的E84模塊與Loadport上E84模塊對(duì)正并通訊，發(fā)送裝載指令給Loadport并裝載Foup。當(dāng)放置Foup于Loadport裝載臺(tái)上后，F(xiàn)oup放置檢測(cè)傳感器檢測(cè)到Foup后，主控板控制水平滑動(dòng)氣缸水平移動(dòng)Foup。氣缸移動(dòng)到限位后停止，F(xiàn)oup位置檢測(cè)傳感器檢測(cè)Foup是否平移到位，檢測(cè)到位后，主控板控制Foup鎖止氣缸動(dòng)作，鎖定Foup。主控板通過(guò)Foup鎖止檢測(cè)傳感器判斷鎖定后，再通過(guò)Foup存在檢測(cè)傳感器判斷Foup是否真正存在。檢測(cè)Foup存在后，主控板控制開鎖氣缸吸附并解鎖Foup門。此時(shí)Foup門已經(jīng)打開，主控板通過(guò)Foup門開合傳感器檢測(cè)Foup門是否真正打開，如打開則開始執(zhí)行打開Loadport門及Mapping操作。主控板控制門蓋俯仰氣缸及Mapping俯仰氣缸執(zhí)行俯仰動(dòng)作，打開Loadport門及探出Mapping傳感器，此時(shí)主控板會(huì)通過(guò)Port門開合傳感器判斷Loadport門已經(jīng)打開，然后控制Loadport門蓋氣缸執(zhí)行門蓋下降動(dòng)作。在門蓋下降過(guò)程中，Mapping傳感器開始掃描Foup內(nèi)晶圓位置，當(dāng)掃到晶圓上邊沿時(shí)，Mapping傳感器會(huì)輸出一個(gè)IO信號(hào)給主控板，主控板上Mapping捕獲電路會(huì)給主控板CPU一個(gè)外部中斷，觸發(fā)CPU對(duì)絕對(duì)式光柵尺當(dāng)前位置進(jìn)行鎖存。當(dāng)Mapping傳感器移動(dòng)到晶圓下邊沿時(shí)，輸出給主控板的IO信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，再次觸發(fā)外部中斷給主控板CPU，并再次鎖存絕對(duì)式光柵尺位置值，兩次差值即為晶圓厚度。如該值與標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)值有較大出入即為晶圓偏位或疊片等異常。由于Foup內(nèi)晶圓片槽間位置確定，所以在掃描的過(guò)程中如片槽位置沒(méi)有觸發(fā)中斷給CPU即可確定該片槽沒(méi)有晶圓。當(dāng)Mapping傳感器掃完Foup后，氣缸繼續(xù)控制Mapping傳感器和Loadport門下降到達(dá)限位后停止。此時(shí)主控板控制Loadport門限位鎖止氣缸動(dòng)作，鎖止Loadport門，防止發(fā)生誤操作。此時(shí)整個(gè)裝載過(guò)程結(jié)束。

主控板硬件采用以MCU+FPGA為核心擴(kuò)展外圍電路的方式設(shè)計(jì)。MCU采用LPC1830FE，該MCU具有并行總線、UART、CAN和以太網(wǎng)等豐富的控制器接口，便于擴(kuò)展FPGA和多路通訊接口。本設(shè)計(jì)中LPC1830FE通過(guò)自帶并行總線擴(kuò)展FPGA，型號(hào)為EP2C8Q208I。FPGA主要用來(lái)讀取光柵尺絕對(duì)位置信息，并通過(guò)MCU的并行數(shù)據(jù)總線將光柵尺位置數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU。由于光柵尺數(shù)據(jù)接口為SSI接口，所以FPGA部分主要完成SSI轉(zhuǎn)并口的協(xié)議棧功能，且需要結(jié)合Mapping信號(hào)對(duì)光柵尺絕對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存及完成IO信號(hào)的讀寫邏輯譯碼。由于Mapping信號(hào)需要觸發(fā)MCU外部中斷，且光柵尺SSI接口通訊速率較高，所以硬件設(shè)計(jì)采用高速光耦HCPL0600隔離后接入FPGA，既保證較小的延時(shí)，又保證了電氣安全。MCU外部中斷也接入FPGA，并通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)SSI讀取邏輯。當(dāng)Mapping傳感器信號(hào)觸發(fā)MCU外部中斷時(shí)，F(xiàn)PGA鎖存并讀取光柵尺絕對(duì)位置值。MCU自帶4路UART接口，通過(guò)RS232接口芯片可擴(kuò)展出4路RS232接口，分別擴(kuò)展閥島、E84模塊和RFID模塊。通過(guò)MCU自帶CAN控制器、以太網(wǎng)控制器擴(kuò)展CAN接口及以太網(wǎng)接口用于連接上位機(jī)，便于工藝設(shè)備集成調(diào)度。整個(gè)主控板硬件上所有對(duì)外通訊接口和IO信號(hào)均采用電氣隔離設(shè)計(jì)。CAN和RS232均采用TI公司的數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離。除Mapping以外的傳感器輸入采用TLP280光耦隔離，輸出采用光電繼電器AQY212隔離驅(qū)動(dòng)，單路驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)1A。

2軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)方案中，嵌入式軟件主要完成以下幾部分工作：與上位機(jī)完成SCI通信;獲取上位機(jī)指令以及向上位機(jī)返回執(zhí)行結(jié)果;通過(guò)IO操作，完成通過(guò)電磁閥控制氣缸運(yùn)動(dòng)以及讀取數(shù)十組傳感器信號(hào);通過(guò)讀取FPGA存儲(chǔ)器，獲得光柵尺的絕對(duì)位置值; Mapping算法;互鎖算法。

軟件采用uC/OS-II做為其操作系統(tǒng)，創(chuàng)建Task0作為其通訊處理任務(wù)，Task1作為專門運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。

系統(tǒng)軟件框圖如圖2：

該系統(tǒng)的難點(diǎn)在于Mapping算法與繁雜的互鎖功能的實(shí)現(xiàn)。下面著重討論這兩部分。

2.1Mapping算法

Mapping傳感器被晶圓遮擋與離開晶圓時(shí)都會(huì)觸發(fā)硬件中斷，在這兩個(gè)中斷處讀取光柵尺位置，記錄成一對(duì)位置值。這樣當(dāng)Mapping傳感器從上運(yùn)動(dòng)到下，就會(huì)記錄所有的被遮擋和離開晶圓時(shí)的光柵尺位置值。如圖3：

當(dāng)Mapping傳感器運(yùn)動(dòng)到底部，即掃描完所有槽位后，就可以通過(guò)記錄的光柵尺位置判斷各個(gè)槽位的晶圓狀態(tài)了。如圖4：

精度分析：

SSI讀取光柵尺的周期為150us，氣缸運(yùn)動(dòng)速度范圍是50～500MM/S。因此由于SSI讀取光柵側(cè)延遲引起的位置誤差范圍是0.0075～0.075mm。單片晶圓的厚度為8mm?？梢缘贸稣`差范圍在9.3%，在Mapping功能允許的范圍內(nèi)。

2.2互鎖功能

該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)繁雜的互鎖功能，例如當(dāng)機(jī)械手去取晶圓時(shí)不能關(guān)門，Mapping時(shí)不能移動(dòng)Foup等等。雖然有的互鎖在正常操作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)，但出于系統(tǒng)健壯考慮，要加入能考慮到的所有互鎖功能，防止用戶誤動(dòng)作。針對(duì)互鎖功能，增加了系統(tǒng)狀態(tài)這一變量。該變量可以細(xì)分成Loadport的各個(gè)動(dòng)作分解。要保證Loadport的所有工作時(shí)間都處于且只能一種系統(tǒng)狀態(tài)下。這時(shí)就可以通過(guò)系統(tǒng)狀態(tài)和下一步要完成的動(dòng)作，判斷出是否需要互鎖，即該動(dòng)作是可以執(zhí)行還是不能執(zhí)行。該過(guò)程的偽代碼如下：

Switch（系統(tǒng)狀態(tài)）

Case：狀態(tài)1

Switch（下一步動(dòng)作）

Case：動(dòng)作1

根據(jù)實(shí)際情況判斷是否需要互鎖;

Break;

Case：動(dòng)作2

根據(jù)實(shí)際情況判斷是否需要互鎖;

Break;

Default：

狀態(tài)值不存在;

報(bào)錯(cuò);

Break;

3結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種Loadport控制系統(tǒng)，能夠基本滿足工程應(yīng)用需要且技術(shù)指標(biāo)經(jīng)測(cè)試基本可達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

參考文獻(xiàn)

[1]褚金錢.半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].沈陽(yáng)：中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，2013.

收稿日期：2021-03-06

作者簡(jiǎn)介：褚明杰（1980—），男，遼寧沈陽(yáng)人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)器人控制器及相關(guān)機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)。

Design of Loadport Control System

Chu Mingjie

（Shenyang Siasun Robot &Automation Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning110168）

Abstract： In the process of semiconductor production， wafers need to be converted between clean and ultra clean environment. In order to ensure that wafers are not attached by particles， loadport （wafer loading port） is used as the input and output port of environment conversion. At present， loadport has been widely used in fab plant， but it still depends on import. Countries with loadport related technologies still have technical restrictions on China， so the research and development of key technologies of loadport is particularly important. In this paper， a loadport control system is designed and implemented， which can meet the application requirements of actual semiconductor production line.

Key words： Loadport; Control System; Wafer; Foup