自動化離子注入設備控制系統的研究與設計

周 波，佘鵬程，羅 超

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙410111）

離子注入機是半導體離子摻雜工藝線上的關鍵設備之一，隨著市場對半導體器件要求的不斷提高，對離子注入機的綜合要求也越來越高。硅片傳輸控制系統作為整機控制系統一個重要組成部分，直接決定了整機的生產效率和可靠性[1]。傳輸控制系統是復雜的離散事件動態系統，硅片傳輸個體行為邏輯和協作行為邏輯都具有嚴格的時序性，有限狀態機模型能夠有效描述這一控制特征[2]。有限狀態機從結構體系上有層級狀態機、并發狀態機等，離子注入設備具有復雜的控制系統，要完整實現控制流程建模，須采用自上而下的層級狀態機思想[3]。通過引入層級狀態機思想，建立硅片傳輸設備的個體行為分層模型，作為控制系統的基礎，并且建立具有強時序性的邏輯調度任務狀態模型，形成一個穩定、可靠的晶片傳輸調度系統。設備通過控制一系列部件可完成所需的工藝，控制系統可實現自動上下料、自動真空、自動引束、自動工藝、與設備自動化系統EAP交互等功能，并可實時監控和保存工藝數據、響應異常錯誤、報警等。

1 系統結構及工藝流程

1.1 系統結構組成

設備工作原理是離子源產生的離子在一定能量的引出電壓作用下，通過分析磁鐵磁場作用分選出所需要的單一離子。離子隨后進入加速管獲得所需要的能量后進入光路單元。在靜電四極透鏡作用下將產生X、Y方向的聚焦作用，通過偏轉掃描板將束均勻地注入在工件（如硅片）的表面上。設備系統結構組成包括：光路系統、電氣系統、靶室系統、控制系統、輔助系統等五大部分；其中輔助系統含真空系統、配電系統、去離子水系統、壓空系統、氮氣系統、源氣箱以及屏蔽機房等，整機結構圖如圖1所示。

圖1 離子注入機系統結構圖

1.2 工藝流程

離子注入設備工藝流程較復雜，晶片需經過上料、定向、預熱、注入、冷卻、下料等一系列工藝流程。離子注入工藝具體步驟如圖2所示。

圖2 離子注入工藝流程圖

2 控制系統總體設計

設備控制系統主要通過工控機（IPC）結合可編程邏輯控制器（PLC）的控制模式。

其中PLC安裝在設備現場，主要用來控制閥、電機、氣缸、機械手、流量計等執行機構，檢測光電傳感器、行程開關、編碼器等狀態信息并反饋給上位機，包含DI/DO系統控制、ADDA控制、伺服運動系統、溫度控制系統、束流控制系統和傳輸控制系統等。控制系統總體設計如圖3所示。

圖3 控制系統總體設計圖

軟件內部對設備操作、人身安全進行了安全互鎖[4]。監控軟件為較好的人機操作界面（HMI），基于VS2010編程平臺，設備控制軟件架構設計圖如圖4所示。

圖4 設備控制系統軟件架構設計

3 控制系統功能設計

設備控制系統主要功能包括：設備操作、工藝管理、設備調試、數據管理、數據分析、數據交互。設備操作根據設備結構分塊顯示，主要包括真空系統模塊、束線系統模塊、輔助系統模塊、氣路系統模塊、溫度控制模塊、劑量控制模塊、傳輸系統模塊等。設備調試針對所有控制部件操作，包括IO點控制、冷泵、機械手、溫控器、電機等。工藝管理包含工藝配方編輯和自動工藝運行。配方編輯包括移動、重命名、刪除或添加配方組等操作。數據管理包含用戶管理、日志監控、數據庫操作等；其中用戶管理主要針對用戶權限的管理，日志監控包含操作日志、報警日志等，數據庫操作包括數據備份、數據刪除等。數據分析則包括實時查看工藝數據、質譜分析圖以及數據監控，數據監控包含實時數據、歷史數據、參數設置等。數據交互則為設備與設備自動化系統通過SECS/GEM進行通訊，達到對設備遠程控制和狀態監控，實現設備運行的自動化。

3.1 真空系統

設備真空系統模塊包含離子源真空系統、束線真空系統、靶室真空系統、片庫真空系統，其中離子源真空系統、束線真空系統、片庫真空系統由干泵、分子泵、粗抽閥、前級閥、插板閥構成。靶室因工藝要求真空度較高，則由干泵、冷泵、粗抽閥、插板閥構成。所有真空系統均配置薄膜規進行壓力檢測。真空系統可自動、手動控制。

3.2 束線系統

束線系統主要包括燈絲電源、陽極電源、偏置電源、源磁場電源、三電極、引出電源、引出抑制電源、分析器電源等電源控制，通過DO、AD、DA模塊對電源進行實時控制，各電源的操作均考慮了安全聯鎖。束流系統可自動引束、手動引束。

3.3 輔助系統

輔助系統主要用于監控設備的水、電、氣、安全等外圍狀態信息，主要包括設備的總體布局圖、通信信號、水報警信號、電信號、氣信號、門信號等外圍信號及相關操作。

3.4 冷卻系統

冷卻系統主要包括水箱、去離子樹脂筒與樹脂芯、純水泵、流量開關、壓力表及各種閥門管道等組成，主要控制水泵開關、水位信號、水溫信號、水阻信號等。

3.5 氣路系統

設備工藝過程中需要通入氫氣、氬氣、氦氣、三氟化硼等特定的氣體維持一定的氣壓，氣路系統由4路氣體組成，均通過工藝氣體閥門和質量流量控制器（MFC）控制工藝氣體的精度。通過AD模塊檢測氣體通過MFC的流量，DA模塊用于設定氣體流量攝入值。

3.6 溫度控制系統

在晶片注入前，用于靶臺加熱，采用高溫靶加熱技術。靶盤通過電阻加熱方式，以達到工藝所需溫度，加熱器通過Modbus 485通信方式進行控制。

3.7 劑量控制系統

劑量控制是離子注入的重要前提。劑量控制主要為劑量的均勻性控制。均勻性控制是根據束流大小在水平向的分布，通過算法獲得相應的各點的掃描電壓斜率值，并把這些值事先存儲到掃描發生器的RAM中，在執行掃描的過程中，掃描發生從RAM中實時地讀出這些數值來產生電壓波形。這樣實現了水平向掃描速度隨著水平向各位置點對應的速度大小成比例調節，從而保證了每次掃描注入離子在水平向分布的均勻性。設備劑量控制是通過232串口通信方式，掃描電機包含垂直掃描電機以及水平掃描電機，均具有EtherCAT總線接口。

3.8 傳輸系統

傳輸系統控制包含機械手、靶臺旋轉電機、定向臺電機、片庫升降電機等一系列部件組合控制。為提高產能，設備采用雙片庫+雙機械手操作，且為保證控制的精準性，所有電機均采用伺服電機，經EtherCAT總線方式連接。傳輸流程圖如圖5所示。

圖5 傳輸流程圖

傳輸系統控制主要為取片和放片過程。在傳輸過程中，除機械手自身操作外，還需考慮電機操作、閥門開關等。有限狀態機是閉環系統，就是把復雜的晶圓傳輸控制邏輯分解成有限個穩定狀態，在每個狀態上判斷事件，變連續處理為離散數字處理，在可能出現的傳輸狀態中反復切換，一直到晶圓全部傳輸完成狀態出現，狀態機的工作才停止。有限狀態機可歸納為現態、條件、動作、次態四要素。以本設備為例，現態就是當前狀態，次態就是下一狀態，狀態包括機械手的位置（含左片庫、左機械手、定向臺、右機械手、預熱臺、靶臺、冷卻臺）、檢測是否攜帶晶片、晶片是否定向、晶片是否預熱、晶片是否注入、晶片是否冷卻。其中，預熱前需進行定向，注入前需進行預熱，冷卻前需進行注入。條件也可稱為事件，當一個條件被滿足，將會觸發一個動作，或者執行一次狀態的遷移，事件包括機械手取片、機械手放片。取片前提條件包括：電機空閑，目標位置可伸進（包括電機上下或旋轉操作以及閥門開關），機械手空閑且指向正確，并且不攜帶硅片。放片前提條件包括：電機空閑，目標位置可伸進，機械手空閑且指向正確，攜帶硅片。動作包括定向、預熱、注入、冷卻等具體操作。機械手從目標位置取放片流程圖如圖6所示。

圖6 機械手取放片流程圖

圖7 調度策略

4 結束語

通過研究離子注入機設備的控制系統，介紹了離子注入機設備控制系統的架構及功能設計，結合有限狀態機和最優路徑的思想，設計了一套高效能的自動上下料傳輸控制系統，并已在生產線上穩定運行。