300mm离子注入机靶室晶圆传输控制系统设计

谢均宇，杨亚兵，孙 勇

(北京中科信电子装备有限公司，北京101111)

离子注入机是半导体离子掺杂工艺线的关键设备之一[1]，随着市场上对半导体器件的要求的提高，对离子注入机的综合要求也越来越高。要求离子注入机具有：整机可靠性好、生产效率高、多种电荷态离子宽能量范围注入、精确控制束注入能量精度、精确控制束纯度、低尘粒污染、整机全自动控制、注片均匀性和重复性好等多种功能和特征。这一切都直接受控制技术的影响，而其中的靶室晶圆传输控制系统，是整机控制系统一个重要组成部分，直接决定了整机的生产效率和可靠性。

目前，300mm离子注入机已经成为国际高端集成电路生产线采用的主流机型，北京中科信电子装备有限公司作为国内离子注入机制造的领航者，为适应大规模生产线工艺要求率先成功研制出300mm大角度中束流离子注入机。本文要介绍的就是这台离子注入机上的300mm靶室晶圆传送控制系统，包括各个运动部件、硬件模块的选用及软件模块的设计。与以往的国产机型相比，这套系统除了达到全自动运行基本的功能要求外，还能够针对单晶圆注入方式，改良了结构设计，优化了运动流程，大大提高了生产效率，同时稳定性和运动精度也得到了提高，达到了国外先进机型的水平。

1 靶室结构及运动功能介绍

离子注入机的靶室结构由左右片库、左右机械手腔体和靶室腔体构成，如图1所示。左右片库为设备的晶圆入口，通常由外部机械手从人机过渡接口将晶圆送入片库内，使用两个片库的作用是当一边片库的晶圆在做工艺的同时，外部接口可以和另一边片库进行晶圆交换，这样就可以减少等待晶圆更替的时间，提高生产效率；片库内有电梯承载晶圆上下运动，当机械手到片库取片时，通过控制电梯的运动将晶圆放到机械手上。定位台在两个机械手之间，通常晶圆上有一个定位缺口，在送入靶室做工艺之前，都会先送到定位台进行定位，以保证束流注入方向；定位台由一个升降电机、一个旋转电机和一个传感器组成，升降电机用于将顶起晶圆使其脱离机械手，旋转电机则用于帮助传感器寻找晶圆缺口并旋转到需要的位置。靶室腔体是给晶圆做工艺的地方，靶台是晶圆做工艺时的载体，通过靶台的运动可以实现晶圆以不同角度垂直于束流进行扫描，完成晶圆的掺杂注入；靶台的运动由顶架电机、x角度电机、y角度电机、自转电机和直线电机分别实现，其中顶架电机用于帮助晶圆从机械手上放到靶台，而x角度电机、y角度电机和自转电机用于做工艺时控制晶圆的注入角度，直线电机则用于控制晶圆的垂直扫描。机械手为晶圆传输的主要部件，我们采用的机械手为多关节的真空机械手，能够到达靶室的各个腔体，在片库、定位台和靶台之间传输晶圆。

靶室晶圆传输通常的流程是：假设左边片库的晶圆开始做工艺，首先左机械手从片库取到第一片晶圆，将其送到定位台定位，在定位的同时左机械手又到片库取第二片，此时定位完成，右机械手将定位完成的晶圆取走，送到靶台进行注入掺杂；同时，左机械手将第二片送到定位台，在定位台工作的同时又到片库取第三片晶圆，右机械手又将定位台上的晶圆取走，左机械手将第三片送上定位台。此时，靶室总共有三片晶圆在传输过程中，当第一片注入完成后，已经空闲的左机械手将其取走，送回片库，此时靶台空闲，右机械手将第二片送入靶台，左机械手又继续取下一片晶圆。以此循环，保证靶台在任何时候都处于工作状态，这样的流程设计能将传输效率达到最大化。

图1 靶室结构图

2 控制系统设计

2.1 晶圆传输控制的特点

300 mm离子注入机相对于200 mm设备的主要改进就是对靶室晶圆传输系统的升级，300 mm设备需要的晶圆更大，空间要求更高，对传输的稳定性和效率要求也更高。其控制系统的特点是：

(1)智能机械手。晶圆传输控制系统的一个重要组成部分就是机械手的智能化编程，使机械手具备自动处理功能，与以往固定的运动流程不同，本系统的两个机械手能够根据当前的靶室状态决定自己下一步去做什么，这是一个全新的思路，大幅提高了靶室传输系统的效率。

(2)多轴联动控制。靶室晶圆传输需要运用多个高精度的伺服电机控制各个部件配合运动，各个控制对象相互之间的关联比较多，需要运用实时处理能力强的多轴运动控制器。

(3)控制精度高。晶圆在做工艺时，注入角度误差范围需要控制在0.1°以内，因此对电机的控制精度要求比较高，需要采用高精度编码盘进行位置参考，同时在传输过程中定位精度要求也很高，传感器的信号采集需要用到16位的模拟量信号，以确保定位的误差控制在最小范围内。

(4)保护功能强大。由于运动步骤比较复杂，电机联动的情况需要更强的系统保护功能。为保证晶圆的安全，每一个步骤都有相应的传感器监控，出现任何非正常想象系统都会有相应的处理，保证不会出现碎片现象。

(5)自动化程度高。靶室晶圆传输是全自动处理过程，所有的传感信号和电机状态都实时送入计算机进行处理。用户只需一个按键就可以完成所有待注入晶圆的工艺传输，同时计算机还具备自动报警提示和出错时晶圆自动送回功能，用户只需在人机界面监控系统的运行，可完全避免手动单步操作。

(6)可维护性好。控制系统进行模块化设计，每个部件都有相应的备件。人机界面信息量齐全，条例清晰，当某部件出现故障时，系统会显示故障原因，可立即进行部件更换。当有左右两个相同功能的部件出错时，例如左机械手故障，通过界面上的按键可以改成单边晶圆传输模式，在维修的同时，不影响晶圆传输系统的功能。

2.2 硬件设计

在庞大的离子注入机控制系统中，靶室晶圆传输控制系统是一个独立的子系统，即使没有和主计算机连接，晶圆控制系统还是能独立完成晶圆传输的所有功能。考虑到控制对象的复杂程度，要求硬件配置具备很强的运动控制能力和数据处理功能。如图2所示，我们采用了工业计算机配置多轴运动控制卡，搭配集成的高性能真空机械手模块来实现这个方案。

2.2.1 多轴运动控制卡

晶圆传输控制系统主计算机为一台当前主流的酷睿双核工业计算机，内置美国Delta Tau公司的Toubo PMAC2 PCI型多轴电机控制卡，这是一种集运动轴控制、PLC控制以及数据采集的多功能的运动控制板卡，采用了DSP(数字信号处理器)技术的强大功能，借助于Motorola的DSP56系列数字信号处理器。采用PCI总线与计算机通信，能够脱机独立使用，也可以使用双端口RAM扩展总线的通讯速度，最多可以控制32轴的步进电机与伺服电机联动。图2中MACRO系统为TURBO-PMAC的子系统，里面插有直接输出给驱动器信号和高精度D/A信号的轴卡，用于传感器信号采集的高精度A/D卡和数字量I/O卡，还有用于与TURBO-PMAC通讯的CPU卡，所有的运动计算和数据处理功能都在TURBO-PMAC卡实现，通过光纤与MACRO系统相连，实时控制电机的输出，同时不断的采集各个传感信号，放入双端口RAM，供主计算机随时取用。

图2 控制系统图

2.2.2 真空机械手

由于靶室传输为真空环境，对机械手要求较高，我们采用的是美国Brooks公司的真空机械手。机械手自带驱动模块具备精确控制功能，能够处理所有底层的运动算法，并自行决定运动曲线及运动参数。因此我们只需要通过主计算机直接与其通讯，就可以对其进行指令操作。如图2所示，左右机械手为单独的控制模块，通过一块网卡就可以直接实现其所有的功能控制。

2.3 软件设计

2.3.1 模块功能介绍

靶室晶圆传输控制系统的软件设计好坏决定了系统的性能和效率。本系统采用的是模块化设计，如图3所示，主要分成四个模块，即运动控制接口及管理模块；人机界面模块；运动控制模块和机械手模块。

人机接口模块为晶圆传输控制系统界面，通过界面能够直接观察到各个部件和传感器状态及所有的参数数据，人机界面采用了更多人性化设计，并且设置了操作权限，普通用户能够操作自动按键，通过自动按键就可以实现所有的功能，也可以在系统保护下选择单个部件进行单步操作，当操作不当时，系统会弹出信息提示用户进行正确操作。只有维护人员可以进入底层维护界面更改运动参数。

数据管理和系统保护模块用于连接系统的各个模块，收集并处理运动模块的数据，给人机接口模块随时调用，同时能够管理并调用各种运动程序；所有的连锁保护都在这个模块里实现，调用的运动程序在满足连锁条件的情况下才能发出给运动模块。这个模块是靶室晶圆传输系统的大脑，协调管理各个系统使之稳定运行。

所有的运动程序均在多轴运动模块里实现，这里处理与运动有关的所有计算，同时这个模块还有PLC功能，PLC程序在模块中是快速循环扫描，通常用于处理异步与运动程序的运动过程。例如，将一个联动的功能模块编写在一个PLC程序中，当主计算机需要启用这个功能时，可以直接调用PLC程序，PLC程序再调用相应的几个运动程序，同时PLC程序还能够监测运动相关的传感器信号，通过传感器信号的变化来衔接运动过程的联动。这样，通过PLC程序能够很方便的实现各个电机的联动控制。

机械手模块是一个独立的智能程序模块，与机械手有关的所有功能都在模块里面处理。这个模块采用了有限状态机(FSM)编程思想[2]，机械手能够通过判断晶圆状态、传感信号及运动部件的状态自动运行，最终完成所有功能。

图3 软件模块图

2.3.2 机械手智能运动模型设计[3]

有限状态机(FSM)编程思想为机械手智能运动模型设计的核心思想。有限状态机(FSM)把复杂的晶圆传输控制逻辑分解成有限个稳定状态，在每个状态上判断事件，变连续处理为离散数字处理。同时，因为有限状态机具有有限个状态，所以可以在实际的工程上实现。在当前的应用中，晶圆传输过程可以分为有限个状态，有限状态机是闭环系统，可以用有限的状态，处理无穷的事务，在可能出现的传输状态中反复切换，一直到晶圆全部传输完成状态出现，状态机的工作才停止。

由于机械手和所有晶圆传输运动部件都有联动关系，因此机械手状态机的建模过程囊括了所有靶室的状态。基本的建模思想如图4所示，首先罗列出所有和晶圆传输有关的状态，每种状态都对应唯一能执行的动作，通过执行动作能切换到另一个晶圆传输状态，只有当运动到状态n+1时，程序退出。因此，机械手能够根据当前靶室的实时状态来判断自己下一步该做什么，在运动的同时靶室内各个状态也发生改变，从而根据当前的状态又进行下一步运动，一直到靶室出现无晶圆状态退出程序。状态机下的机械手并不是按照固定流程运行的，根据状态的变化能自行选择下一步运动，两个机械手各自工作，互不干扰，相互配合，实现机械手运动效率的最大化。

图4 有限状态机工作原理

2.3.3 系统互锁及故障处理

碎片率是晶圆传输系统的重要指标之一，因此系统互锁及故障处理功能变得尤其重要。当系统检测到传输过程中晶圆有可能出现危险状况时，会自行停止所有运动并报警提示；运动错误或运动冲突时系统会自动阻止相关运动并提示出错。在当前的保护模块下，传感器会监视所有的运动状态，任何异常都能及时反馈给计算机，软件会根据实时状态进行连锁，理论上可以避免所有碎片。当传输过程中发生故障，系统会停止在当前状态，当故障排除后，可以根据实际情况选择继续运行或单键送回，保证晶圆传输的绝对安全。

3 结论

300mm靶室晶圆传送控制系统采用了一种全新的设计思路，硬件上选用了性能出众的多轴运动控制卡和集成机械手模块，软件设计中引用了有限状态机，为机械手建立智能化模型，实现了晶圆传输的高效，稳定运行。该控制系统在300mm离子注入机上经过长时间的调试，在满足控制精度的基础上，连续运行30 000片无碎片，各项功能和指标都达到了大规模生产线的稳定高效的应用标准。300mm靶室晶圆传送控制系统的研制成功体现了国内离子注入机制造水平已经达到一个新的高度。

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

[2]梁俊.台宪青.基于有限状态机的工控系统软件设计[J].微计算机信息，2008，4(1):54-56.

[3]罗宏洋.状态机在离子注入机中的应用[J].电子工业专用设备，2009，38(9).