一種可靈活配置的機械手晶圓定心裝置

褚明杰 張鋒 孟慶鑄

摘 要：在半導(dǎo)體行業(yè)中，各腔室之間或工位之間通常使用機械手來完成晶圓的傳送。在晶圓傳輸系統(tǒng)中，為避免取片時偏位或晶圓破損等客觀因素的發(fā)生，提高晶圓取放的準(zhǔn)確度，需要設(shè)計并使用AWC（Active Wafer Centering）晶圓自動定心功能來進行檢測與校正。本文總結(jié)了半導(dǎo)體廠商對AWC功能的不同需求，設(shè)計了一種通過上位機軟件靈活配置AWC功能的機械手晶圓定心裝置，可有效解決AWC硬件資源的浪費及更改互聯(lián)電纜所造成的人力物力上的浪費問題。

【關(guān)鍵詞】AWC功能 腔室 半導(dǎo)體

1 引言

AWC功能通常每個工位使用一組（1～2個）傳感器，機械手在執(zhí)行GOTO指令的過程中，當(dāng)傳感器檢測到有晶圓出入時，會立刻采集伺服軸位置數(shù)據(jù)并鎖存，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算出晶圓圓心與機械手手指中心的偏差。在機械手伸展到位的同時，R軸和T軸會自動對該偏差矢量進行補償處理，實現(xiàn)自動糾偏，直到偏差消除后GOTO指令結(jié)束，保證了晶圓被準(zhǔn)確的傳送到目標(biāo)工位。

目前半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用的機械手都是通過運動控制卡或伺服驅(qū)動器本身具有的高速輸入采集電路來完成AWC傳感器信號的高速采集功能。該功能需要使用運動控制卡或伺服驅(qū)動器的高速輸入信號采集電路，當(dāng)傳感器掃到晶圓的邊沿時通過高速輸入電路來鎖存當(dāng)前機器人伺服軸的位置值。機械手在到達(dá)工位并完成晶圓定心操作后，還要與半導(dǎo)體工藝設(shè)備進行IO互鎖操作，以保證傳輸晶圓安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 需求分析

半導(dǎo)體生產(chǎn)商對AWC功能支持的工位數(shù)需求從1工位到8工位甚至更多，而AWC應(yīng)用每個工位需要2路高速輸入信號，為滿足全部半導(dǎo)體生產(chǎn)商的需求，機械手的AWC信號采集電路至少要滿足8工位需求，即16路高速輸入采集電路。

而在實際應(yīng)用中，大部分的半導(dǎo)體生廠商用不到8工位AWC功能，這就會造成機械手硬件資源的浪費，且使機械手的成本增加。而且當(dāng)生產(chǎn)工藝發(fā)生改變時，如果AWC功能及IO互鎖功能需要調(diào)整，這樣就需要更改機械手與半導(dǎo)體工藝設(shè)備間的互聯(lián)電纜，且需要大量的時間來對設(shè)計更改進行調(diào)試，造成人力物力上的浪費。

所以需要設(shè)計一種集成AWC采集電路及IO互鎖電路的可靈活配置的機械手晶圓定心裝置。該裝置可有效對AWC硬件資源進行靈活分配，避免由于工藝改進、設(shè)備升級等原因所引起的人力、物力及時間上的資源浪費。

2.2 總體方案設(shè)計

整個裝置主要由圖1中框圖部分電路組成：

將用于AWC功能的高速輸入信號與IO互鎖信號全部接入本裝置，省略IO采集卡。將IO互鎖信號中的輸入部分采集電路全部通過與AWC高速輸入電路一樣的電路實現(xiàn)，并將二者的采集電路全部接入FPGA，不明確區(qū)分AWC電路及IO輸入電路，默認(rèn)全部

為高速輸入電路。用戶通過上位計算機將需要的AWC工位應(yīng)用信息及IO互鎖信息生成配置文件，并通過通訊總線下發(fā)給本裝置。本裝置中的嵌入式CPU模塊讀取配置文件并存儲在非易失性存儲器中。系統(tǒng)上電后，本裝置會自動進行初始化操作，在這個操作過程中嵌入式CPU模塊會將存儲在非易失性存儲器中配置文件讀出，并根據(jù)配置文件對FPGA內(nèi)部的管理輸入及輸出信號的寄存器進行配置，配置后寄存器可靈活的將所有高速輸入信號配置成AWC功能或IO互鎖功能。如有工藝升級或設(shè)備升級等需要改動AWC功能或IO互鎖功能的情況時，只需重新通過上位機生成配置文件并下發(fā)給本裝置即可完成AWC及IO互鎖功能的再配置。

嵌入式CPU模塊做為整個裝置的處理核心，選用TI公司C2000系列數(shù)字信號處理器TMS320F2812PGFA型號。主要功能是采集高速輸入信號并鎖存伺服軸位置值，控制IO互鎖功能實現(xiàn)。通過現(xiàn)場總線與上位計算機通訊并將AWC工位及IO互鎖的配置信息寫入EEPROM模塊以及操作FPGA等器件。

FPGA模塊采用Altera公司最新發(fā)布的MAX10M08SAU169型號，通過地址數(shù)據(jù)線與嵌入式CPU模塊接口。主要功能是通過驅(qū)動器接口電路讀取編碼器信號和對驅(qū)動器發(fā)送位置指令或速度、轉(zhuǎn)矩指令等操作，并將被其內(nèi)部IO配置寄存器配置為AWC功能的高速輸入信號“線與”成串行中斷信號，輸出給嵌入式CPU模塊，使CPU響應(yīng)中斷后鎖存當(dāng)前伺服軸位置值。每次上電后嵌入式CPU模塊從EEPROM模塊中讀取AWC工位及IO互鎖的配置信息，并寫入FPGA模塊。FPGA模塊根據(jù)配置信息對高速輸入電路進行配置。

EEPROM選用Atmel公司AT25640AN型號，通過SPI總線與嵌入式CPU通訊。存儲AWC工位及IO互鎖功能的配置信息，每次系統(tǒng)上電后嵌入式CPU模塊先讀取EEPROM中存儲的配置信息，然后對FPGA中的IO配置寄存器進行配置。

總線通訊電路和驅(qū)動器接口電路采用數(shù)字隔離器將定心裝置與外圍設(shè)備隔離。

高速輸入采集電路選用通訊速率10Mb/s以上的高速隔離型光耦采集AWC傳感器信號及IO互鎖功能中的輸入信號。

3 結(jié)論

本晶圓定心裝置可以非常方便的使半導(dǎo)體生產(chǎn)商結(jié)合自己機臺的工藝情況通過上位計算機靈活的配置AWC功能及IO互鎖功能。當(dāng)生產(chǎn)工藝改變時不需更改機械手與工藝設(shè)備的互聯(lián)電纜，只需將新的配置文件下發(fā)給本裝置即可完成AWC及IO互鎖功能的再配置，極大的節(jié)省人力物力。

參考文獻(xiàn)

[1]黃春霞，曹其新，劉仁強.晶圓預(yù)對準(zhǔn)精確定位算法[J].高技術(shù)通訊，2007（07）.

作者單位

沈陽新松機器人自動化股份有限公司 遼寧省沈陽市 110168