全自動晶圓電鍍系統軟件開發

□ 桂志剛 □ 陸利新 □ 明志發 □ 王博文 □ 郭 帥

1.上海市智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

2.上海新陽半導體材料有限公司 上海 200073

晶圓通過多道工序加工后形成特定電氣特性的IC芯片，在所有的工序中電鍍工藝是其內邏輯電路形成的關鍵，晶圓在光刻后須經電鍍工藝才能完成電路的布線以及凸點的形成，以實現芯片內部結構的搭建。

目前國內市場上的晶圓電鍍設備大多數為分離的單體設備，結構封閉和生產工藝流程固定；另外其控制系統多由PLC控制，自動化程度低，數據處理能力弱，控制算法簡單，控制界面簡單，人機交互性差，設備可控性差；不具備模塊化架構，阻礙了設備的升級及維護；不具備與其它生產系統互聯的功能，不能滿足大規模自動化生產的需要。

1 系統硬件組成

電鍍工藝是晶圓電鍍加工的核心所在，工藝過程執行的好壞直接關系到晶圓的品質；本系統是根據客戶需要而開發的全自動晶圓電鍍設備，主要用于晶圓鍍銅、鍍鎳、鍍金等（根據需要可增加鍍槽以達到特定鍍金屬工藝要求）不同材料的電鍍工藝。

通過國內外調研發現，常見的全自動晶圓電鍍系統布局方式［1］有：① 環形布局，自動化程度高，效率高，工件露空時間短以及運行平穩，適用于鍍層質量要求高、大批量、形狀單一、工藝成熟的電鍍；② 直線式布局，自動化程度高，適用于不同形狀、不同批量零件的電鍍，生產時間靈活，可用于多種生產工藝的電鍍，電鍍品質優良、穩定，適用于鍍層要求較厚的工藝。

本系統采用環形布局方式。根據工藝要求，考慮到晶圓在加工過程中各槽位之間的轉移、鍍槽電鍍用凹槽中心與晶圓中心重疊、裝載上料和卸載收集晶圓的要求，采用機械手實現晶圓在電鍍過程中各槽位之間的轉運，布局圖如1所示。

▲圖1 系統硬件布局

系統硬件配有：①FOUP（晶圓傳送盒），主要用于加工過程中晶圓原料上料裝載以及卸料成品儲藏；②機械手臂（ROBOT），主要用于晶圓電鍍過程中各硬件之間的轉運；③前處理槽（Pre），主要用于去除產品上的雜質及氣泡；④鍍銅槽，主要用于形成內部邏輯電路，通過電鍍在被侵蝕的線路槽內沉積金屬銅形成銅線，即銅互連工藝，本系統配有兩個鍍銅槽；⑤ 鍍鎳槽，主要用于在銅基引線上形成一層鍍鎳層，加強并保護引線，本系統配有兩個鍍鎳槽；⑥鍍金槽，主要用于在鍍鎳層的基礎上形成一層鍍金層；⑦ 水洗槽，主要用于槽位間轉運或晶圓入FOUP清除掉晶圓上的鍍液，同時水洗槽具有烘干功能，在晶圓入FOUP時清除其上的水分，本系統配有3個水洗槽；⑧ 前軸定位器（Ali），主要用于在晶圓進入鍍槽前以及加工完成后找晶圓中心。

以常見晶圓電鍍工藝為例，介紹本系統工藝流程：FOUP上料→前軸定位器找圓心→鍍銅槽鍍銅布線→鍍鎳槽鍍鎳加強引線→鍍金槽鍍金保護引線→水洗槽水洗去除晶圓上殘留鍍液以及烘干晶圓→FOUP回收儲存。

硬件設備的選擇是系統硬件平臺搭建的第一步，在確定系統硬件組成之后，規劃完成整個系統的工藝流程及軟件控制是系統高效運行的關鍵。

2 系統控制需求分析及軟件架構設計

2.1 控制系統設計需求分析

本系統為全自動晶圓加工設備，在操作者啟動程序后，系統各硬件將會自動按照一定要求運行并加工完成一件合格晶圓產品，為達到控制要求，本系統需解決以下幾個問題。

（1）工藝文件載體問題。配方文件作為工藝要求的記錄性文件，它是自動化設備運行的基礎，其內部參數決定了系統以及各硬件的運行形式，所以在本系統的配方載體即配方文件的選擇上尤為重要。

▲圖2 系統軟件構成

（2）模塊化封裝問題。模塊化設計關系到系統的可升級空間以及可維護性，所以規劃系統模塊以及實現系統模塊封裝將是本系統需要解決的問題之一。

（3）系統各硬件及系統內部程序協同的問題。全自動生產最終反映到設備硬件上的是各硬件按照一定要求而有序地自動運行，所以硬件與硬件之間、硬件與系統軟件及內部程序之間實現協同是關鍵。

（4）系統程序內部數據傳遞的問題。系統各硬件及系統內部程序的協同離不開數據交換，有效、安全及快速的數據交換是自動化設備的基礎。

2.2 系統軟件模塊化構架設計

自動化設備系統軟件設計,最簡單的方法［3］就是在一個循環中利用順序結構將各模塊分別封裝于各個順序分支中，使系統按順序執行數據輸入、處理以及返回，在這種模式下，可以保證系統中所有的數據得到有效處理。由于系統所有模塊在同一線程中，當一個模塊執行時，其它模塊就不能運行，若想在這種封裝模式下，能夠高效處理系統所有的數據,并有效協調系統各硬件同時運行的能力，是不可能的。因此系統的軟件結構采用模塊化設計，如圖2所示，整個系統分為數據處理模塊、命令生成、系統參數設置和槽位執行模塊，4大模塊的功能如下。

（1）參數設置模塊。參數設置模塊為確定本系統以何種狀態運行以及怎樣運行，系統將會讀取操作者在界面輸入的參數信息以及所加載的配方信息，同時，一些系統默認的初始數據也在此賦給相應的LV2全局變量或者進入相應的隊列,為后面的幾個模塊提供數據支撐。

（2）命令生成模塊。系統各硬件的運動需要上位機發送相應指令，硬件在接到指令后才會執行相應的動作；命令生成模塊就是自動根據系統運行狀態以及配方流程生成下一步將要執行的命令，并將執行命令發送至數據處理模塊。

（3）數據處理模塊。數據處理模塊是系統的核心所在，系統幾乎所有的數據處理均在這個模塊中執行，并將各硬件的執行數據收集、處理以及儲存，它作為核心，擔負著對各個模塊的監控及協調，并將系統各個模塊整合在一起。

（4）槽位執行模塊。槽位執行模塊包含了12個子模塊 （機械手、FOUP、 前處理、前軸定位器、鍍銅1、鍍銅 2、鍍鎳 1、鍍鎳 2、鍍金、水洗1、水洗2以及水洗3執行模塊），這些模塊分別控制著相應的硬件，接受命令處理模塊發送的命令并向相應的硬件發送指令字符串，同時向命令處理模塊反饋執行結果。

考慮到系統在運行過程中需要執行數據發送及接收動作以得到需要的信息，各硬件之間的數據傳輸也很頻繁且不定時；而系統又要求數據的傳輸不能消耗過多的系統資源，不能妨礙用戶界面上的操作和顯示，因此，本設計使用多線程技術來實現多任務的并行運行，達到系統的模塊化設計要求，實現對系統各模塊的封裝。4個模塊中的3個模塊（系統參數設置模塊、命令生成模塊以及數據處理模塊）分別封裝在3個并行運行的While循環中，另一個模塊（槽位執行模塊）包含了12個子模塊 （如圖2所示）分別封裝在10個While中，封裝成10個子Vi（程序），同時與前3個模塊并行運行；每一循環執行一種操作。

3 控制軟件關鍵技術實現

本系統的軟件平臺采用美國國家儀器公司（National Instrumengts）的 LabVIEW 2013，LabVIEW 是美國國家儀器公司開發的圖形化語言，它提供了完善的功能函數和工具庫，便于快速開發，編寫直觀友好的人機界面。

3.1 配方文件

全自動化電鍍設備并非完全自主地自動生產加工，它必須在得到一定的人工參數約定之后才能有效地運行，而這些參數約定大多數體現為電鍍工藝參數。本系統的電鍍工藝流程及要求都體現在配方中，配方的作用就是賦予全自動化系統一定的人工參數約定，配方關系到晶圓加工的質量，如配方中某一參數存在問題，最終在產品上反映出來的將會是次品甚至是廢品。

本系統配方文件選擇INI文件作為配方參數的記錄文件，其優點［2］在于文件簡單易于讀寫，文件內容清晰明了，便于查看。配方文件由工藝流程、工藝工步數和各工序內部參數組成，工藝流程體現在段名為 “工序”字段中，記錄著配方包含的所有工序及相應順序，在加載配方后主要為命令生成模塊及數據處理模塊提供工藝流程信息；工藝工步數體現在段名為“工步數”字段中，記錄著配方各工序內所擁有的工步數，主要便于工藝人員核查配方信息；各工序內部參數體現在以各工序名為段名的字段內，記錄著該配方所涉及的系統槽位的運行參數，在加載配方后主要為各槽位執行模塊提供運行參數。

本設計采用LabVIEW中的“Write Section Cluster”以及“Read Section Cluster”函數作為配方文件中工藝流程及各工序工步數的刻錄函數和讀取函數，它們的優點在于：①以簇為整體向配置文件中有序地刻入和讀取相應數據；②數據使用安全可靠，系統以該字段配方信息刻入時的簇為模板，讀取配方內部的相應數據，當刻錄信息簇的類型與讀取信息簇的類型不一致時，配方數據將無法被讀出。配方中各工序內部參數的刻錄及讀取采用 “Write Key（Variant）”函數以及“Read Key（Variant）”函數來執行，其優點在于：① 該函數的數據輸入類型為變體類型，將簇或者其它數據集合體轉換成變體后，可以整體一次性刻入配方文件；② 變體能兼容所有數據類型以及所有不同的數據組合體；③數據使用安全可靠，系統以該字段配方信息刻入時的簇為模板，將讀取配方內部變體轉換成相應的簇數據，當刻錄信息簇的類型與轉換信息簇的類型不一致時，配方數據將無法被識別。

3.2 多線程協同

系統15個循環作為15線程單獨運行，各線程之間若通過屬性調用、局部變量或者全局變量傳遞命令數據的方式來協調這15個循環之間的運行，由于各線程運行速度不匹配，這樣容易造成數據競爭，導致Whlie之間命令傳達遺漏的問題［4］，并且對于這樣一個龐大的系統而言，全部使用以上三種方式實現命令傳遞很不現實，所以本系統利用隊列和通知器來協調各線程之間的運行，隊列相當于各循環之間的緩存空間［5］，利用它來彈性調節各循環的速度差，從而解決競態問題。

本程序設計了15個隊列分別為：MainQueue、流程、鍍銅槽空閑、鍍銅槽完成、鍍銅1槽、鍍銅2槽、鍍鎳槽空閑、鍍鎳槽完成、鍍鎳1槽、鍍鎳2槽、水洗（SC）槽空閑、水洗槽完成、水洗1槽、水洗2槽、水洗3槽以及暫停通知。在這些隊列之中，Main Queue最為關鍵，其擔負著線程之間系統主要命令的傳輸，它將系統各個模塊緊密地串聯在一起，形成一個整體并協調運行。系統各模塊協同運行框圖如圖3所示。

▲圖3 系統各模塊協同示意框圖

▲圖4 數據交換過程圖

3.3 多線程間的數據交換

本系統為多線程控制程序，各線程程序中很多控制本線程或其它線程運行的關鍵數據在數據處理模塊中交流頻繁（傳遞及更新），系統各線程根據這些數據的情況來自動執行相應命令，因此這些數據的傳輸交換不能出現任何差錯，對數據傳輸的載體方面本系統的要求是數據傳輸響應快、避免數據競爭以及數據安全可靠。本程序所設計的LV2全局變量，相對系統內置的全變量和共享變量而言，有兩個方面的優勢［6］：①LV2全局變量可以防止競爭狀態出現，因為功能全局變的Vi是不可重入的，所以把它作為子Vi時，絕對不可能出現兩個功能全局變量Vi同時執行的情況；②LV2全局變量中的全局數據只能被全局變量本身使用，調用這個全局變量的程序只能使用全局變量提供的方法對數據進行操作，這樣，就可以通過提供某些特定的數據操作方法對訪問模塊中的數據加以限制，提高數據的安全性。

在本系統中所設計的LV2全局變量有：ROBOT、FOUP、Pre、Cu、Ni、Au、SC、Cu1、Cu2、Ni1、Ni2、SC1、SC2、SC3。絕大多數數據交換在數據處理模塊，數據處理模塊中無時無刻不在進行各硬件間LV2全局變量的數據交換或更新。以每次命令形成模塊形成的命令執行過程為例，介紹數據交換過程如圖4所示。

4 總結

利用LabVIEW軟件平臺，采用模塊化設計以及多線程技術，構建了一個高效、可靠的全自動晶圓電鍍系統。本系統已經在上海新陽半導體材料有限公司投入組裝測試，實踐表明，所設計的程序運行穩定，加工生產效率高及抗干擾能力強，系統采用模塊設計，主程序與執行單元程序逐一分開成單獨線程，便于系統升級及增減系統硬件，達到了預期設計的目的。

［1］ 張立茗.我國電鍍設備發展的發展和現狀 ［J］.電鍍與精飾，2001，23（5）：13-15.

［2］ 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［3］ 范輝，張宇文，袁緒龍.基于LabVIEW的水洞實驗軟件測控平臺設計［J］.測控技術，2007，26（12）:61-63.

［4］ 張紅名，李曉峰.基于LabVIEW的多線程編程技術比較研究［J］.電子技術應用，2008（10）：89-91.

［5］ 穆運明，劉旺開，尹祿高.基于LabVIEW的航空發動機測試系統［J］.兵工自動化，2011，30（2）:70-72.

［6］ 阮奇楨.我和LabVIEW［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2012.