基于PLC控制的晶圓檢測系統的設計與實現

［摘 要］文章設計了晶圓檢測系統，用于晶片盒中晶圓位置狀態的檢測。通過重復測試，驗證了本晶圓檢測系統在檢測晶圓在晶片盒中位置狀態和晶圓數量的準確性，達到了預期設計要求。

［關鍵詞］晶圓位置檢測；伺服電機；反饋；數據處理

［中圖分類號］TP212 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0134–03

在全自動半導體設備中，晶片盒是半導體設備中晶圓的載體，若干晶圓放置于晶片盒內，晶片盒放置在承載臺上。在半導體設備進行晶圓加工前，需要自動運行掃描晶片盒內晶圓的數量，獲取晶片盒內晶圓的位置狀態。可以說晶圓檢測裝置是全自動半導體設備不可缺少的單元。一般情況下，晶圓檢測系統中配置晶圓掃描傳感器以獲取晶圓數量與狀態信息，其固定在伺服電機控制的滾珠絲杠拖動的垂直升降平臺上。晶片盒晶圓檢測設備（裝置）大部分被國外廠商壟斷，價格較貴，貨期長。為解決此問題，沈陽芯源微電子設備股份有限公司自主進行了晶圓檢測系統的研發與設計，以提高國產半導體設備競爭力。

1 晶圓檢測系統設計

本晶圓檢測系統采用PLC（可編程邏輯控制器）作為主控制器，PLC 通過EtherCAT 高速總線控制和獲取電機位置，電機帶動升降機構上下運動。掃描傳感器即激光傳感器固定在運動機構上。晶片盒放置在晶片盒載臺上不動。作為安全保護，升降機構的行程配置限位光電開關。晶片盒載臺配有晶片盒檢測傳感器，并配有專用于檢測晶圓是否滑出晶片盒的傳感器，防止晶圓滑出，造成碎片風險。圖1 為晶圓檢測系統的結構示意。

1.1 硬件選型

1.1.1 晶圓檢測傳感器

傳感器是本系統的核心元件，必須能穩定檢測識別0.1 mm 以下的變化，并快速輸出信號。選擇傳感器的技術指標如下：①必須是激光傳感器；②光軸直徑為1 mm ；③檢測距離為3 600 mm（Max）；④響應時間為50 μs[HSPD（High Speed，高速）]。

1.1.2 執行機構

執行機構設計成熟的旋轉電機加絲杠方式，穩定可靠，核心執行部件為伺服電機和絲杠，其技術指標參數如下：①旋轉軸。伺服電機，編碼器分辨率21 位。②絲杠導程5 mm，精度0.005 mm。

1.1.3 控制器

主控制器選擇PLC，選用歐姆龍NX1P 系列，程序容量為1.5 MB，最大支持4 軸位置控制，支持EtherCAT 通訊，CPU 自帶IO 端子，可用于傳感器的接入。編程語言支持主流梯形圖和ST 語言（結構化文本），并且可以混合編程，方便程序開發，其運行速度和可靠性完全滿足本系統控制需求。

1.2 控制系統設計

晶圓檢測系統控制的核心部件為PLC，與上位機的接口為以太網口，通訊協議為Modbus TCP，上位機發送指令給PLC，PLC 根據指令控制載有激光傳感器的升降機構運動，并控制伺服驅動器開啟鎖存功能，當激光傳感器輸出信號發生變化時，鎖存電機位置，然后根據記錄的所有鎖存位置進行數據處理，獲取晶圓在晶片盒中的位置與狀態信息。圖2 為晶圓檢測控制系統示意。

1.2.1 晶圓位置檢測

晶圓位置數據來源于激光傳感器，激光傳感器配有放大器，放大器設置為HSPD 工作模式，可達到快速響應的目的。晶圓位置檢測方法為：激光掃過晶圓時，在晶圓邊緣有信號的翻轉變化，利用信號變化鎖存此刻伺服電機的編碼器位置。

1.2.2 電機控制

電機控制原理如圖3 所示， 電機控制采用EtherCAT 總線控制方式，工作在CSP（周期同步位置）模式下，PLC 發送位置和速度控制指令給伺服驅動器，伺服驅動器閉環調整控制電機以設定速度達到設定位置。設計上為了保證運行安全，不超過機構行程，在機械極限位置配有正、負限位傳感器，接入PLC，當限位信號觸發時，停止電機的運行。另外，整個晶圓檢測系統正常運行前需要找到系統零點，配置零位傳感器。初始上電時，通過PLC 控制電機負向回歸，找到系統的原點。

1.2.3 晶圓檢測系統軟件設計

晶圓檢測系統控制步驟如下：

（1）初始化動作，找到系統零點。

（2）通過晶圓滑出檢測傳感器檢測晶圓是否滑出片盒，如果晶圓滑出則報警，不再執行運動，需人為處理，將晶圓恢復至正常位置；如果檢測晶圓沒有滑出，即等待上位機下發掃描命令。

（3）接收到掃描指令，執行掃描動作，PLC 控制傳動絲杠運動到掃描起點，PLC 控制驅動器的啟用鎖存功能；然后，PLC 控制傳動絲杠從掃描起點運動到掃描終點，同時PLC 動態記錄激光傳感器信號變化時的伺服電機編碼器位置值，每一片晶圓正常會記錄2 個數據，上升沿記錄1 個，下降沿記錄1 個；掃描完成后控制電機回到原點位置。

（4）根據采集的晶圓位置數據，計算當前晶圓位置狀態信息和總數；結果數據存儲到固定通訊存儲區，等待上位機讀取計算結果，即片盒中晶圓數量以及狀態是否正常。

軟件控制流程如圖4 所示。

2 晶圓檢測系統的算法

晶圓檢測系統算法即晶圓位置的數據處理和晶圓位置狀態的判斷方法。晶圓位置狀態包括無片狀態、有片狀態。有片狀態包含正常狀態、斜槽狀態、疊片狀態。

由于PLC 控制器在收到掃描命令后運行，其可以根據特定的算法檢索晶片盒中的晶圓狀態信息。根據晶圓的厚度和位置來判斷晶圓狀態。

2.1 晶圓厚度

（1）厚度上限計算：厚度上限= 晶圓厚度× 閾值系數。

（2）晶圓狀態判斷：當根據掃描計算出的晶圓厚度大于0 且小于厚度上限時，晶圓在晶片盒中狀態為厚度正常；當計算出的晶圓厚度大于厚度上限時，晶圓在晶片盒中狀態為厚度異常。

2.2 晶圓位置

（1）晶圓位置計算：晶圓位置= 基準位置+ 槽距×（槽數–1）。

（2）晶圓狀態判斷：當根據掃描計算出的晶圓中心點位置小于晶圓位置偏差，且晶圓厚度在正常范圍內時，晶圓在晶片盒中的狀態為正常；當計算出的晶圓中心點位置大于晶圓位置偏差，且晶圓厚度異常時，晶圓在晶片盒中狀態為斜槽；當掃描計算出的晶圓中心點位置小于晶圓位置偏差，且晶圓厚度異常時，晶圓在晶片盒中狀態為疊片。

3 晶圓檢測系統測試實驗

測試實驗采用人為在片盒中放置3 種不同狀態的晶圓（斜槽、疊片、正常），然后用系統進行掃描測試，驗證檢測結果是否正確，具體驗證實驗如下。

（1）測試晶圓疊片、斜槽情況。片盒為25 槽，隨機將第2、7、8、10、12 槽放置疊片，第14、16、18、23、25 槽放置為斜槽，在該情況下進行掃描檢測，系統可檢測出異常并報警提示。

（2）測試哪槽有晶圓及晶圓數量等的準確性。將晶圓隨機放置在片盒的第1、3、5、6、7、11、15、17、23、25 槽，并進行掃描檢測，系統可準確掃描出晶圓的位置及數量。

（3）測試整個系統的重復穩定性。將25 槽片盒放滿晶圓，編寫循環測試程序，每次掃描后判斷檢測的晶圓數量與放置的是否一致，一致則繼續進行下一次掃描，如此連續運行1 個月，掃描檢測結果穩定，無異常發生，驗證了系統的穩定可靠。

4 結論

從實驗結果來看，本晶圓檢測系統可以穩定的檢測出片盒內晶圓的數量，并準確識別出片盒內斜槽或疊片的異常晶圓，滿足公司設備對晶圓檢測系統的需求，有效解決了進口同類設備貨期長、價格貴的問題，對未來公司發展起到較好的促進作用。

參考文獻

[1] 廖常初.PLC 編程及應用（第五版）[M]. 北京：機械工業出版社，2019.

[2] 哈肯· 基洛卡. 工業運動控制：電機選擇、驅動器和控制器應用[M]. 北京：機械工業出版社，2018.

[3] 李正軍.EtherCAT 工業以太網應用技術[M]. 北京：機械工業出版社，2020.