Loadport控制系統設計

摘要：在半導體生產過程中，晶圓需要經常在潔凈與超潔凈環境間轉換，轉換過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）做為環境轉換的輸入輸出端口。目前在Fab廠中Loadport已得到非常廣泛的應用，但其仍需依賴進口。擁有Loadport相關技術的國家仍對我國進行技術限制，所以Loadport關鍵技術的研發就顯得尤為重要。本文設計并實現了一種Loadport控制系統可以滿足實際半導體產線應用需求。

關鍵詞：Loadport;控制系統;晶圓;Foup

中圖分類號：TP273? 文獻標識碼：A??? 文章編號：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）中來進行轉運。在晶圓轉運于不同半導體制造設備過程中，Foup可在一定程度上防止Foup內晶圓被微粒子附著。當將Foup內晶圓取出開始工藝制程或工藝制程結束將晶圓放回Foup的過程中，需要在潔凈與超潔凈環境間轉換。為防止Foup內晶圓受到微粒子附著，需要用到一種專用設備即Loadport來裝載和卸載Foup。本文通過對Loadport的主要功能進行分析，設計并實現了一種Loadport控制系統可以滿足實際半導體產線應用需求。

1系統設計

1.1 Loadport工作原理

Loadport主要用來裝載和卸載Foup。在裝載時打開Foup盒蓋，使用Mapping（映射定位）功能定位Foup內晶圓位置以及是否偏位，并將晶圓位置信息發送給上位機。其工作過程如下：放置Foup于Loadport的Docking plate（裝載臺）上，運動學耦合釘和到位傳感器完成Foup定位檢測，隨后氣缸推動夾爪鎖死Foup并由開盒機構對Foup進行定位、吸附、解鎖等操作;氣缸驅動開盒機構下移打開Foup盒蓋;當Foup盒蓋完全打開后，開盒機構繼續下移并帶動Mapping傳感器開始掃描盒內晶圓位置狀態;完成掃描后開盒機構繼續下移達到限位傳感器位置后停止。卸載過程與裝載過程相反，這里不再贅述。

1.2系統設計與實現

控制系統組成如框圖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傳感器等。

主控板通過板對板方式和排線方式連接四塊接口板。接口板只用來轉接信號，采用就近原則連接各傳感器及狀態指示燈、開關等。Foup上安裝有RFID電子標簽，用于記錄Foup中晶圓在不同工藝制程中流轉的信息。Loadport每次裝載和卸載Foup，主控板都會通過RS232接口控制RFID模塊讀取或寫入Foup上電子標簽，將工藝制程信息寫入。E84光通訊模塊是在半導體產線中所使用的全自動傳送裝置Vehicle （OHT或RGV）和設備之間進行通訊和控制的裝置，其優點是抗干擾能力強。每當OHT或RGV對接工藝設備裝入或取出Foup時，主控板通過RS232接口控制E84光通訊模塊與OHT或RGV非接觸式通訊，實現與OHT或RGV的IO狀態互鎖，保證在自動裝載Foup時的操作安全[1]。

整個系統共有8個運動軸，采用氣缸控制。主控板通過RS232接口控制電磁閥島實現對8個氣缸的控制，并采集氣缸磁性開關信號做氣缸到位檢測。光柵尺垂直安裝，用于檢測Mapping傳感器實際位置，主控板通過SSI接口讀取絕對式光柵尺位置值，用于結合Mapping傳感器定位Foup內晶圓位置及是否偏位。

在裝載Foup過程中，首先OHT或RGV移動到Loadport前方，裝載于OHT或RGV上的E84模塊與Loadport上E84模塊對正并通訊，發送裝載指令給Loadport并裝載Foup。當放置Foup于Loadport裝載臺上后，Foup放置檢測傳感器檢測到Foup后，主控板控制水平滑動氣缸水平移動Foup。氣缸移動到限位后停止，Foup位置檢測傳感器檢測Foup是否平移到位，檢測到位后，主控板控制Foup鎖止氣缸動作，鎖定Foup。主控板通過Foup鎖止檢測傳感器判斷鎖定后，再通過Foup存在檢測傳感器判斷Foup是否真正存在。檢測Foup存在后，主控板控制開鎖氣缸吸附并解鎖Foup門。此時Foup門已經打開，主控板通過Foup門開合傳感器檢測Foup門是否真正打開，如打開則開始執行打開Loadport門及Mapping操作。主控板控制門蓋俯仰氣缸及Mapping俯仰氣缸執行俯仰動作，打開Loadport門及探出Mapping傳感器，此時主控板會通過Port門開合傳感器判斷Loadport門已經打開，然后控制Loadport門蓋氣缸執行門蓋下降動作。在門蓋下降過程中，Mapping傳感器開始掃描Foup內晶圓位置，當掃到晶圓上邊沿時，Mapping傳感器會輸出一個IO信號給主控板，主控板上Mapping捕獲電路會給主控板CPU一個外部中斷，觸發CPU對絕對式光柵尺當前位置進行鎖存。當Mapping傳感器移動到晶圓下邊沿時，輸出給主控板的IO信號會發生變化，再次觸發外部中斷給主控板CPU，并再次鎖存絕對式光柵尺位置值，兩次差值即為晶圓厚度。如該值與標準經驗值有較大出入即為晶圓偏位或疊片等異常。由于Foup內晶圓片槽間位置確定，所以在掃描的過程中如片槽位置沒有觸發中斷給CPU即可確定該片槽沒有晶圓。當Mapping傳感器掃完Foup后，氣缸繼續控制Mapping傳感器和Loadport門下降到達限位后停止。此時主控板控制Loadport門限位鎖止氣缸動作，鎖止Loadport門，防止發生誤操作。此時整個裝載過程結束。

主控板硬件采用以MCU+FPGA為核心擴展外圍電路的方式設計。MCU采用LPC1830FE，該MCU具有并行總線、UART、CAN和以太網等豐富的控制器接口，便于擴展FPGA和多路通訊接口。本設計中LPC1830FE通過自帶并行總線擴展FPGA，型號為EP2C8Q208I。FPGA主要用來讀取光柵尺絕對位置信息，并通過MCU的并行數據總線將光柵尺位置數據發送給MCU。由于光柵尺數據接口為SSI接口，所以FPGA部分主要完成SSI轉并口的協議棧功能，且需要結合Mapping信號對光柵尺絕對位置數據進行鎖存及完成IO信號的讀寫邏輯譯碼。由于Mapping信號需要觸發MCU外部中斷，且光柵尺SSI接口通訊速率較高，所以硬件設計采用高速光耦HCPL0600隔離后接入FPGA，既保證較小的延時，又保證了電氣安全。MCU外部中斷也接入FPGA，并通過FPGA實現SSI讀取邏輯。當Mapping傳感器信號觸發MCU外部中斷時，FPGA鎖存并讀取光柵尺絕對位置值。MCU自帶4路UART接口，通過RS232接口芯片可擴展出4路RS232接口，分別擴展閥島、E84模塊和RFID模塊。通過MCU自帶CAN控制器、以太網控制器擴展CAN接口及以太網接口用于連接上位機，便于工藝設備集成調度。整個主控板硬件上所有對外通訊接口和IO信號均采用電氣隔離設計。CAN和RS232均采用TI公司的數字隔離器進行隔離。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隔離驅動，單路驅動能力可達1A。

2軟件設計

該系統方案中，嵌入式軟件主要完成以下幾部分工作：與上位機完成SCI通信;獲取上位機指令以及向上位機返回執行結果;通過IO操作，完成通過電磁閥控制氣缸運動以及讀取數十組傳感器信號;通過讀取FPGA存儲器，獲得光柵尺的絕對位置值; Mapping算法;互鎖算法。

軟件采用uC/OS-II做為其操作系統，創建Task0作為其通訊處理任務，Task1作為專門運動控制任務。

系統軟件框圖如圖2：

該系統的難點在于Mapping算法與繁雜的互鎖功能的實現。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都會觸發硬件中斷，在這兩個中斷處讀取光柵尺位置，記錄成一對位置值。這樣當Mapping傳感器從上運動到下，就會記錄所有的被遮擋和離開晶圓時的光柵尺位置值。如圖3：

當Mapping傳感器運動到底部，即掃描完所有槽位后，就可以通過記錄的光柵尺位置判斷各個槽位的晶圓狀態了。如圖4：

精度分析：

SSI讀取光柵尺的周期為150us，氣缸運動速度范圍是50～500MM/S。因此由于SSI讀取光柵側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。可以得出誤差范圍在9.3%，在Mapping功能允許的范圍內。

2.2互鎖功能

該系統需要實現繁雜的互鎖功能，例如當機械手去取晶圓時不能關門，Mapping時不能移動Foup等等。雖然有的互鎖在正常操作時不會出現，但出于系統健壯考慮，要加入能考慮到的所有互鎖功能，防止用戶誤動作。針對互鎖功能，增加了系統狀態這一變量。該變量可以細分成Loadport的各個動作分解。要保證Loadport的所有工作時間都處于且只能一種系統狀態下。這時就可以通過系統狀態和下一步要完成的動作，判斷出是否需要互鎖，即該動作是可以執行還是不能執行。該過程的偽代碼如下：

Switch（系統狀態）

Case：狀態1

Switch（下一步動作）

Case：動作1

根據實際情況判斷是否需要互鎖;

Break;

Case：動作2

根據實際情況判斷是否需要互鎖;

Break;

Default：

狀態值不存在;

報錯;

Break;

3結論

綜上所述，本文設計并實現了一種Loadport控制系統，能夠基本滿足工程應用需要且技術指標經測試基本可達到國外同類產品水平。

參考文獻

[1]褚金錢.半導體設備前端模塊關鍵技術的研究與應用[D].沈陽：中國科學院沈陽自動化研究所，2013.

收稿日期：2021-03-06

作者簡介：褚明杰（1980—），男，遼寧沈陽人，本科，高級工程師，研究方向：機器人控制器及相關機器人產品研發。

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