基于計算機技術(shù)的光刻設(shè)備數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

尤新勇,劉克新,李 翰

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司半導體事業(yè)部，湖南株洲 412001；2.四川南光真空科技有限公司，四川成都 610000；3.株洲中車時代電氣股份有限公司半導體事業(yè)部，湖南株洲 412001）

0 引言

從設(shè)備管理角度來說，諸如設(shè)備開動率、設(shè)備停機率、設(shè)備故障率乃至現(xiàn)在比較受歡迎的設(shè)備綜合效率（OEE）等都是企業(yè)設(shè)備管理的重要指標和企業(yè)持續(xù)改善的重要參數(shù)[1]。在設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集方面，從最初的依賴操作人員的手動點檢錄入，到簡單的設(shè)備電路計時，所獲得的數(shù)據(jù)不僅費時費力而且其真實性和有效性也不能使人滿意。提出一個利用設(shè)備自身的PLC或工業(yè)計算機，來代替繁瑣的人工錄入或者昂貴的MES系統(tǒng)的設(shè)備運營數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。在制造過程中，最簡單的功率晶閘管器件也需要經(jīng)過至少2次的光刻工藝，所以光刻設(shè)備作為功率半導體制造過程中的關(guān)鍵設(shè)備和產(chǎn)能瓶頸設(shè)備，其資產(chǎn)運行效率直接影響了整條工藝線的運行節(jié)拍。以在半導體制造行業(yè)通用的94-25C型半自動光刻機（四川南光真空科技有限公司生產(chǎn)）為例，說明該系統(tǒng)的基本設(shè)計思路和實現(xiàn)效果。

1 設(shè)備簡介

1.1 設(shè)備工藝介紹

光刻機是功率半導體器件制造工藝中必不可少的工藝設(shè)備之一，主要利用光刻膠的光敏感特性和特定波長的紫外光，實現(xiàn)將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時“復制”到硅片上的作用。光刻機的分辨率和重復對準精度，往往可以決定半導體企業(yè)的晶圓加工的工藝能力。

1.2 設(shè)備動作介紹

（1）開機。操作人員打開計算機后，指揮設(shè)備內(nèi)部的PLC發(fā)出指令開啟汞燈電源，對汞燈進行預熱。

（2）裝片。半自動光刻機采用手動裝片后，指揮PLC打開真空控制閥，將硅片固定在承片臺上。

（3）自動對準。該設(shè)備配置光學CCD傳感器，利用設(shè)備計算機配合PLC控制承片臺自動對準記號后，由操作員手工微調(diào)并確認。

（4）曝光頭自動旋轉(zhuǎn)就位。對準確認后，設(shè)備主控PLC發(fā)出指令曝光頭自動旋轉(zhuǎn)到位。

（5）定時曝光。曝光頭到位后，PLC根據(jù)程序設(shè)定曝光時間，打開快門，對硅片進行定時曝光。

（6）曝光頭自動回位。定時曝光結(jié)束后，PLC發(fā)出指令曝光頭自動旋轉(zhuǎn)回位。

（7）取片。曝光頭回位后，操作者手動釋放真空并取出硅片。

（8）關(guān)機。產(chǎn)品加工完成后，操作者指揮設(shè)備內(nèi)部的PLC發(fā)出指令關(guān)閉汞燈電源，關(guān)閉計算機后，切斷設(shè)備電源。

2 數(shù)據(jù)需求設(shè)計

由于該設(shè)備以PLC為控制中心，其主要動作都是通過PLC發(fā)出指令完成的。從設(shè)備設(shè)計控制原理來說，設(shè)備的使用狀態(tài)變化都可以根據(jù)PLC的輸入輸出指令表的狀態(tài)變化（表1）。設(shè)計計時單元并進行狀態(tài)標識。

（1）故障停機時間。在軟件面板設(shè)置設(shè)備故障按鍵，故障報修時由操作員點擊開始計時，故障修復后由操作員驗收復位則計時結(jié)束。故障停機時間=∑各故障停機時間。

（2）開機時間。設(shè)備開機時間=負荷時間（每天中PLC指令汞燈電源得電到指令汞燈電源關(guān)閉的累計時間）-設(shè)備故障時間，單位小時。

（3）凈工作時間。考慮到汞燈電源得電后，存在汞燈預熱、制造計劃導致設(shè)備開啟后閑置的情況存在，而設(shè)備進行工藝時必然存在曝光頭不斷旋轉(zhuǎn)和回位的狀態(tài)變化（且狀態(tài)變化間隔不可能超過5 min的極限工藝曝光時間）。因此，定義從快門開啟的時刻開始計時，歷經(jīng)整個工作時間，直到快門關(guān)閉且5 min之內(nèi)未再次開啟時，則本階段計時結(jié)束（設(shè)備故障狀態(tài)下的快門狀態(tài)變化，不計入凈工作時間和加工數(shù)量）。凈工作時間=∑各階段計時，單位小時。

（4）加工數(shù)量。每加工一片硅片，快門需要狀態(tài)變化一次。加工數(shù)量=快門開啟次數(shù)。

（5）時間開動率。設(shè)備時間開動率=開動時間/負荷時間（每日應(yīng)工作時間-計劃停機時間）100%，保留小數(shù)點后2位。

（6）凈開動率。凈開動率=凈工作時間/應(yīng)工作時間100%，保留小數(shù)點后2位。

（7）速度開動率。速度開動率=標準工時/（凈工作時間/加工數(shù)量）。

（8）合格品率。每班結(jié)束時，由操作員工在軟件手動錄入不合格品數(shù)量（默認值=0）后，則合格品率=（加工數(shù)量-不合格品數(shù)量）/加工數(shù)量100%，保留小數(shù)點后2位。

（9）設(shè)備綜合效率（OEE）。設(shè)備綜合效率=時間開動率×速度開動率×合格品率[1]，保留小數(shù)點后2位。

（10）汞燈工作壽命。每次維修人員更換汞燈后，手動點擊更換汞燈按鍵，即開始新的一個汞燈生命周期，軟件自動累計并保存上一汞燈生命周期內(nèi)的汞燈電源開啟時間（含故障停機時間內(nèi)的汞燈電源開啟時間），即為上一汞燈的使用壽命。

（11）曝光照度不均勻性。操作人員每天工作前錄入利用紫外輻照度計測量的5組曝光區(qū)域內(nèi)的照度數(shù)據(jù)（輻照能功率密度），軟件自動計算并保存曝光照度的平均值和不均勻性指標，如平均值和不均勻性指標溢出設(shè)備（或工藝）允許范圍則提醒操作員進行調(diào)整或報修。

曝光照度不均勻性=（Max（照度數(shù)據(jù)）-Min（照度數(shù)據(jù)））/Avg（照度數(shù)據(jù)）。

表1 PLC輸入輸出指令表

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與效果驗證

系統(tǒng)利用設(shè)備自帶的PLC上的RS232通信接口，通過RS-232C通信電纜與工控電腦上的MCGS組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)交換。計算機讀取PLC的數(shù)據(jù)狀態(tài)，通過MCGS組態(tài)軟件的運行策略進行計算，得到需要統(tǒng)計的各項數(shù)據(jù)。

（1）雙擊桌面“MCGS組態(tài)環(huán)境”圖標，開始運行管理軟件開始運行。

（2）歷史數(shù)據(jù)記錄（圖1）。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計。人工錄入起始時間和結(jié)束時間，點擊“查詢”按鈕，自動計算并顯示從起始時間到結(jié)束時間這一時間段的數(shù)據(jù)（圖2）。

（4）數(shù)據(jù)導出（圖3）。點擊“開機時間導出”、“有效時間導出”按鈕，10 s后分別將開機時間統(tǒng)計表和有效工作時間統(tǒng)計表以Excel表格形式導出到D：導出數(shù)據(jù)（當日日期）開機時間.xls和D：導出數(shù)據(jù)（當日日期）有效時間.xls。

（5）汞燈壽命統(tǒng)計。更換汞燈后，請先登錄，再點擊“更換汞燈”按鈕，自動生成新的汞燈編號（原汞燈編號+1）。點擊“數(shù)據(jù)更新”按鈕，汞燈壽命統(tǒng)計表自動生成已報廢汞燈的記錄。當前使用的汞燈數(shù)據(jù)見圖4，歷史汞燈壽命統(tǒng)計見圖5。

圖1 歷史數(shù)據(jù)記錄

圖2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 數(shù)據(jù)導出

圖4 當前使用的汞燈數(shù)據(jù)

圖5 歷史汞燈壽命統(tǒng)計

4 結(jié)束語

基于光刻設(shè)備控制信號變化的設(shè)備綜合效率（OEE）分析軟件，可以很真實和便捷地獲得設(shè)備的各種運行效率（含OEE）、設(shè)備關(guān)鍵部件（汞燈）壽命、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（如曝光照度不均勻性）等運營關(guān)鍵參數(shù)，對提升設(shè)備用戶的資產(chǎn)運營水平，投資后評價甚至設(shè)備制造商的設(shè)備自動化水平有著很大的幫助。該軟件可以通過適當修改各參數(shù)的計算方式，就可以推廣到其他類型的設(shè)備中去[2]，具有很好的推廣效果。

［1］魏昌盛.真空鍍膜機的設(shè)備綜合效率計算方法［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品.2011（2）：165-166.

［2］趙炯，李呈光，肖豪，等.大型設(shè)備機載智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電一體化.2015（8）：45-46.