基于計算機技術的光刻設備數(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

從設備管理角度來說，諸如設備開動率、設備停機率、設備故障率乃至現(xiàn)在比較受歡迎的設備綜合效率（OEE）等都是企業(yè)設備管理的重要指標和企業(yè)持續(xù)改善的重要參數(shù)[1]。在設備基礎數(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過至少2次的光刻工藝，所以光刻設備作為功率半導體制造過程中的關鍵設備和產能瓶頸設備，其資產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）為例，說明該系統(tǒng)的基本設計思路和實現(xiàn)效果。

1 設備簡介

1.1 設備工藝介紹

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移光刻膠上的過程將器件或電路結構臨時“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 設備動作介紹

（1）開機。操作人員打開計算機后，指揮設備內部的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。該設備配置光學CCD傳感器，利用設備計算機配合PLC控制承片臺自動對準記號后，由操作員手工微調并確認。

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

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

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

（7）取片。曝光頭回位后，操作者手動釋放真空并取出硅片。

（8）關機。產品加工完成后，操作者指揮設備內部的PLC發(fā)出指令關閉汞燈電源，關閉計算機后，切斷設備電源。

2 數(shù)據(jù)需求設計

由于該設備以PLC為控制中心，其主要動作都是通過PLC發(fā)出指令完成的。從設備設計控制原理來說，設備的使用狀態(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。在軟件面板設置設備故障按鍵，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束。故障停機時間=∑各故障停機時間。

（2）開機時間。設備開機時間=負荷時間（每天中PLC指令汞燈電源得電到指令汞燈電源關閉的累計時間）-設備故障時間，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、制造計劃導致設備開啟后閑置的情況存在，而設備進行工藝時必然存在曝光頭不斷旋轉和回位的狀態(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，歷經整個工作時間，直到快門關閉且5 min之內未再次開啟時，則本階段計時結束（設備故障狀態(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。設備時間開動率=開動時間/負荷時間（每日應工作時間-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）設備綜合效率（OEE）。設備綜合效率=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的汞燈電源開啟時間（含故障停機時間內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備（或工藝）允許范圍則提醒操作員進行調整或報修。

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束時間，點擊“查詢”按鈕，自動計算并顯示從起始時間到結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 結束語

基于光刻設備控制信號變化的設備綜合效率（OEE）分析軟件，可以很真實和便捷地獲得設備的各種運行效率（含OEE）、設備關鍵部件（汞燈）壽命、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)（如曝光照度不均勻性）等運營關鍵參數(shù)，對提升設備用戶的資產運營水平，投資后評價甚至設備制造商的設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備中去[2]，具有很好的推廣效果。

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

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