基于LabVIEW的單片式晶片自動(dòng)化電鍍?cè)O(shè)備通信系統(tǒng)

□ 明志發(fā) □ 郭 帥 □ 桂志剛 □ 王博文

1.上海市智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200072

2.上海新陽(yáng)半導(dǎo)體材料有限公司 上海 200073

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn),半導(dǎo)體制造技術(shù)面臨日新月異的變化。半導(dǎo)體晶片電鍍，就是在硅晶片、砷化鎵晶片等襯底的金屬層上進(jìn)行金屬的電化學(xué)沉積。與微電子制造中其它電子電鍍相比，半導(dǎo)體晶片電鍍?cè)诜N類(lèi)、功能、精度、質(zhì)量以及電鍍方法上均有所不同，技術(shù)要求非常高，隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)晶片電鍍?cè)O(shè)備的要求越來(lái)越高。另外，晶片電鍍?cè)O(shè)備涉及的硬件模塊非常多，自動(dòng)化程度要求高，控制系統(tǒng)應(yīng)具備較高的安全性和穩(wěn)定性。由于整個(gè)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，本系統(tǒng)使用LabVIEW軟件為每個(gè)工序設(shè)計(jì)了獨(dú)立的控制模塊，每個(gè)模塊都可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)作業(yè)，極大地提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。LabVIEW是由美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的，它作為當(dāng)今最完善、影響力最大的一種圖形化編程語(yǔ)言，擁有豐富的工具包，極大地提高了編程者的效率［1-4］。LabVIEW現(xiàn)行的串口通信方式主要有2種：RS232和RS485。LabVIEW現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)通信方式有4種：①使用TCP、UDP等傳輸協(xié)議編程；②使用DataSocket技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；③現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)發(fā)布測(cè)控程序的網(wǎng)頁(yè)，異地采用瀏覽器進(jìn)行監(jiān)控；④采用無(wú)需協(xié)議的遠(yuǎn)程桌面控制。這些通信方式能使計(jì)算機(jī)之間和本地不同VI之間的通信得以輕松實(shí)現(xiàn)［5］。

1 設(shè)備的組成

▲圖1 設(shè)備外觀及布局圖

▲圖2 晶片電鍍?cè)O(shè)備控制系統(tǒng)圖

本設(shè)備適用于半導(dǎo)體前道芯片銅互連電鍍（Damascene）的工藝流程，包括 E-coating、EDPR、各式清洗等前后處理工序以及化學(xué)鍍、電鍍工序，可根據(jù)生產(chǎn)、工藝需要量身定制適用于4～12in（1in=24.5 mm）晶片。設(shè)備可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)控制模式,外觀及布局如圖1所示，主要包括晶片傳送機(jī)械手、自動(dòng)傳送裝置、調(diào)整器、前處理、2個(gè)鍍Cu槽、2個(gè)鍍Ni槽、1個(gè)鍍Au槽、3個(gè)水洗槽。自動(dòng)傳送裝置用于半導(dǎo)體制造過(guò)程中硅晶片的自動(dòng)傳送。采用了安全密封裝置，不僅能防止該產(chǎn)品自身產(chǎn)生塵粒，還能夠防止晶片出入之際產(chǎn)生的塵粒。前處理是為了提高晶片電鍍質(zhì)量所做的相應(yīng)處理，在每次完成一次電鍍工序后，都會(huì)進(jìn)行一次水洗工序。本設(shè)備一共加入了3個(gè)水洗槽，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。整個(gè)加工流程是：晶片傳送機(jī)械手將晶片從自動(dòng)傳送裝置中取出，經(jīng)過(guò)調(diào)整器工序，傳送到前處理槽，再根據(jù)所設(shè)定的工藝配方，進(jìn)行相應(yīng)的電鍍工藝，每完成一次電鍍工序，都會(huì)經(jīng)過(guò)一次水洗工序，晶片所有工序完成后，將晶片放入自動(dòng)傳送裝置中。

系統(tǒng)的通信主要包括：自動(dòng)傳送裝置模塊、機(jī)械手和電鍍槽（歐姆龍PLC和電鍍直流電源）模塊3個(gè)部分。上位機(jī)使用研華工控機(jī)，內(nèi)部增加多串口卡及千兆以太網(wǎng)卡。圖2所示為本設(shè)備控制系統(tǒng)圖，除了調(diào)整器以外，每個(gè)槽位都有獨(dú)立的PLC控制模塊，且每個(gè)鍍槽都可以單獨(dú)對(duì)晶片進(jìn)行電鍍，通過(guò)設(shè)置不同的工藝參數(shù)，可以滿(mǎn)足不同的產(chǎn)品需求。

2 基于LabVIVE的串口與自動(dòng)傳送裝置之間的通信

自動(dòng)傳送裝置用于半導(dǎo)體制造過(guò)程中硅晶片的自動(dòng)傳送，能讀取晶片信息，包括晶片數(shù)量、重片或傾斜等信息，其通信方式采用的是RS232C。在通信過(guò)程中，上位機(jī)采用被動(dòng)接收方式接收數(shù)據(jù)，為保證接收數(shù)據(jù)的正確性，采用數(shù)據(jù)幀的方式進(jìn)行通信。LabVIEW軟件通過(guò)串口配置節(jié)點(diǎn)，設(shè)置串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗(yàn)方式、停比位等參數(shù)，參數(shù)設(shè)置好后，利用讀串口節(jié)點(diǎn)讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，程序中設(shè)置每70 ms從串口中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的處理，并將手動(dòng)和自動(dòng)模式命令分開(kāi)處理，防止數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突而被忽略，整個(gè)程序結(jié)束時(shí)，利用關(guān)閉串口節(jié)點(diǎn)函數(shù)，將占用的串口資源釋放掉［6］。

自動(dòng)傳送裝置的協(xié)議格式見(jiàn)表1，它的所有命令都由ASCLL字符組成。ACK中，串口通信發(fā)出的指令格式Command是具體的命令內(nèi)容，［LF］是命令結(jié)束標(biāo)志。Data/Event是自動(dòng)傳送裝置響應(yīng)的數(shù)據(jù)，具體有晶片信息、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，包括錯(cuò)誤代碼（ERR:xxx+［LF］）等。如果由于外部條件使自動(dòng)傳送裝置的狀態(tài)改變，自動(dòng)傳送裝置會(huì)響應(yīng)Event數(shù)據(jù)，也僅僅是在發(fā)送字符ASCLL過(guò)程中發(fā)生，而其它條件下不會(huì)接受到它 的 響 應(yīng) 。 例 如 ：CFG_SLOTS 17+［LF］， 其 中CFG_SLOTS是設(shè)置槽位命令，17是設(shè)置的槽位數(shù)，［LF］是結(jié)束標(biāo)志。在完成命令后，自動(dòng)傳送裝置響應(yīng)的信息是0+［LF］。在通信過(guò)程中，如果發(fā)生錯(cuò)誤，自動(dòng)傳送裝置就會(huì)反饋C+Error code+［LF］，如果自動(dòng)傳送裝置的狀態(tài)發(fā)生改變，就反饋C+state code+［LF］。

表1 自動(dòng)傳送裝置協(xié)議格式

表2 機(jī)械手協(xié)議格式

表3 FINS指令格式

表4 FINS響應(yīng)格式

3 基于LabVIEW的以太網(wǎng)與機(jī)械手的通信

機(jī)械手為韓國(guó)生產(chǎn)的水平傳輸機(jī)械手，具有高效、快速、平穩(wěn)等特點(diǎn)。通信方式采用以太網(wǎng)，協(xié)議格式見(jiàn)表2。LabVIEW內(nèi)部集成的TCP/IP協(xié)議模塊，可以快速實(shí)現(xiàn)LabVIEW與機(jī)械手之間的以太網(wǎng)通信。TCP協(xié)議提供了可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，其整個(gè)過(guò)程為：首先服務(wù)器端通過(guò)主機(jī)名或者IP地址與端口建立偵聽(tīng)，等待客戶(hù)端連接，然后客戶(hù)端根據(jù)主機(jī)的IP地址和端口號(hào)發(fā)出連接請(qǐng)求，等到服務(wù)器和客戶(hù)端建立連接后，通過(guò)讀寫(xiě)函數(shù)與 TCP 數(shù)據(jù)進(jìn)行通信［7］。

表2中，機(jī)械手的Command主要包括位置、參數(shù)、移動(dòng)等指令。ACK是以太網(wǎng)通信發(fā)出的指令格式，由“-”開(kāi)頭，中間是具體的通信命令，最后是命令結(jié)束標(biāo)志。Data/NAK是機(jī)械手響應(yīng)的數(shù)據(jù)，具體有速度、位置等數(shù)據(jù)， 包括錯(cuò)誤代碼 （ERR:xxx［CR］［LF］）等。Complete是在命令完成后機(jī)械手響應(yīng)的信息，格式由“>”開(kāi)頭，中間是具體的通信命令，最后是命令結(jié)束標(biāo)志， 例如： 命令格式為 “-PUTINTO/T 2，3，1［CR］［LF］”，表示通過(guò)上手臂將晶片旋轉(zhuǎn) 180°后放到鍍Cu1 槽中，其中“PUTINTO”表示放晶片，“/T”表示將晶片旋轉(zhuǎn)180°，“2”（開(kāi)始已定義好的參數(shù)）表示鍍Cu1槽，“3”表示自動(dòng)傳送裝置中第三個(gè)槽位的晶片，“1”表示用機(jī)械手的上手臂，“［CR］［LF］”是結(jié)束標(biāo)志。 在完成命令后，機(jī)械手響應(yīng)的信息是“>PUTINTO/T 2，3，1［CR］［LF］”。

4 基于LabVIEW的以太網(wǎng)與鍍槽模塊通信

電鍍槽共有3種不同的槽位，槽位內(nèi)部除了存儲(chǔ)不同的電鍍液以及進(jìn)行相應(yīng)的電鍍生產(chǎn)外，其它硬件電器設(shè)備一致，因此控制模塊的PLC及電氣元件都使用相同的型號(hào)。本文僅介紹鍍槽中的鍍Cu1槽，在鍍Cu1槽的控制模塊中，主要由歐姆龍PLC模塊和電鍍直流電源與上位機(jī)進(jìn)行通信。

每個(gè)鍍槽都有獨(dú)立的PLC控制模塊，歐姆龍PLC是基于LabVIEW的以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行通信的，其通信是基于FINS/TCP方式。FINS幀分為FINS指令幀和FINS響應(yīng)幀兩種形式，指令幀在發(fā)送FINS指令時(shí)使用，響應(yīng)幀則在接收到FINS指令后對(duì)其返回響應(yīng)時(shí)使用，它們都是由一個(gè)FINS報(bào)文 （存儲(chǔ)傳輸控制信息）、一個(gè)FINS指令域（存儲(chǔ)一個(gè)FINS指令）以及一個(gè)FINS參數(shù)/數(shù)據(jù)域（存儲(chǔ)指令參數(shù)和發(fā)送/響應(yīng)數(shù)據(jù)）所組成。響應(yīng)幀的FINS指令域內(nèi)容與所接收到的FINS指令域相同。

表3是FINS指令格式，表4是FINS響應(yīng)格式，ICF為信息控制域，用于標(biāo)明指令和響應(yīng)；RSV為系統(tǒng)保留；CGT為網(wǎng)關(guān)允許數(shù)據(jù)目；DNA為目的網(wǎng)綱號(hào)；DA1為目的節(jié)點(diǎn)號(hào)；DA2為目的單元號(hào)；SNA為源網(wǎng)絡(luò)號(hào)；SA1為源網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；SA2為源單元號(hào)；SID為服務(wù)和響應(yīng)的標(biāo)識(shí)號(hào)，可任意設(shè)置，指令各響應(yīng)對(duì)應(yīng)相同；MRC和SRC分別為FINS指令的主指令和從指令；參數(shù)/數(shù)據(jù)域，用于標(biāo)明所操作的數(shù)據(jù)地址、范圍等，在表4中MRES和SRES構(gòu)成響應(yīng)碼，用來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤信息［8］。

歐姆龍PLC的以太網(wǎng)通信通過(guò)發(fā)送FINS指令實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)發(fā)送FINS指令，可以直接讀取或?qū)懭隤LC相應(yīng)的數(shù)據(jù)，PLC部分無(wú)需編寫(xiě)接收和發(fā)送程序。本系統(tǒng)采用LabVIEW的TCP/IP實(shí)現(xiàn)通信，上位機(jī)向PLC發(fā)送FINS指令，讀取PLC的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)。

▲圖3 操作界面的主要界面

電鍍直流電源使用美國(guó)艾德科斯公司產(chǎn)品，是單輸出直流功率開(kāi)關(guān)電源，配有RS232/USB/GPIB/以太網(wǎng)通信接口，本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信。以太網(wǎng)通信基本原理是一樣的，在電鍍直流電源控制過(guò)程中，只需對(duì)電流進(jìn)行設(shè)置，通信指令比較簡(jiǎn)單，整個(gè)設(shè)備的主要操作界面如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)通信系統(tǒng)中，各工序模塊都有獨(dú)立的通信系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)協(xié)調(diào)各模塊之間的通信，彼此獨(dú)立編寫(xiě)的通信系統(tǒng)模塊，確定各模塊之間的數(shù)據(jù)交換安全可靠，同時(shí)也很好地處理了整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)交互，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)監(jiān)控和狀態(tài)顯示。本系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為操作的失誤，每個(gè)動(dòng)作結(jié)合緊湊，極大地提高了晶片電鍍的安全性和穩(wěn)定性。

［1］ 張偉鋒，曹穎杰，李永紅.圓片級(jí)電鍍技術(shù)探討［C］.2010中國(guó)電子制造技術(shù)論壇，成都，2010.

［2］ 段晉勝，魏紅軍，胡子卿.晶圓精密電鍍中的垂直剪切鍍?cè)O(shè)備的研制［J］.電子工藝技術(shù)，2013，34（3）.

［3］ 劉子玉，蔡堅(jiān)，王謙，等.硅晶圓上窄節(jié)距互連銅凸點(diǎn)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，54（1）.

［4］ Richar Hollman.雙面電鍍?cè)谙冗M(jìn)封裝中應(yīng)用的可行性研究［J］.電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2012，206（17）.

［5］ 劉龍啟，李銀.基于LabVIEW的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)與通信［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2012，31（7）.

［6］ 呂向鋒，高洪林，馬亮.基于LabVIEW串口通信的研究［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2009，28（12）.

［7］ 陳樹(shù)學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典［M］北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［8］ 戴斌，朱建平，袁焱.基于FINS協(xié)議的OMRON PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)，2009，9（14）.