宋麗娟，宮 晨

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

全自動(dòng)光刻機(jī)的同步控制方法

宋麗娟，宮 晨

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

對(duì)于一種包含多個(gè)相對(duì)獨(dú)立又彼此干涉機(jī)構(gòu)的全自動(dòng)光刻機(jī)，設(shè)計(jì)合理的控制方法才能使各個(gè)機(jī)構(gòu)高效而穩(wěn)定地協(xié)同工作。按照機(jī)械結(jié)構(gòu)將設(shè)備劃分為4個(gè)控制對(duì)象，采用同步控制方法使這4個(gè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)并行工作。這種控制方法相對(duì)于順序執(zhí)行工藝流程的方式，極大地提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。而且，這種同步控制方法也可適用于具有類似控制要求的其他設(shè)備。

多機(jī)械手；同步控制；全自動(dòng)光刻機(jī)

隨著半導(dǎo)體設(shè)備自動(dòng)化水平不斷提高，效率已成為衡量全自動(dòng)設(shè)備性能的重要指標(biāo)之一。因此，如何設(shè)計(jì)一套安全、穩(wěn)定又高效的設(shè)備控制系統(tǒng)，是半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)工程師設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)時(shí)考慮的重要因素。在全自動(dòng)掩模光刻設(shè)備中，通常包含工作臺(tái)、預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)和機(jī)械手等多種結(jié)構(gòu)，本文介紹了一種包含多個(gè)機(jī)械手的全自動(dòng)光刻掩模機(jī)的軟件系統(tǒng)的同步控制方法。

1 設(shè)備同步分析

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

一種全自動(dòng)掩模光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由取料盒、收料盒、預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)、工作臺(tái)和兩組機(jī)械手構(gòu)成，是一個(gè)包含3個(gè)機(jī)械手的全自動(dòng)設(shè)備，包括了左側(cè)的聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂（雙臂機(jī)械手）和右側(cè)手臂（單臂機(jī)械手）。單、雙臂機(jī)械手是兩組看似獨(dú)立又彼此干擾的機(jī)構(gòu)，其中雙臂機(jī)械手是在X1軸和Y1軸上的二維運(yùn)動(dòng)；而單臂機(jī)械手僅進(jìn)行X2軸上的一維運(yùn)動(dòng)。兩組手臂均進(jìn)行點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，雙臂機(jī)械手的X1軸運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位為P1～P4，Y1軸運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位為 P5、P6；單臂機(jī)械手的 X2軸運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位為 P7～P10。

該設(shè)備的主要工藝流程：?jiǎn)伪蹤C(jī)械手從取料盒取片送至預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)，在預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)完成料片的預(yù)對(duì)準(zhǔn)，再由雙臂機(jī)械手將預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)上已完成預(yù)對(duì)準(zhǔn)和工作臺(tái)上已完成曝光的料片分別送至工作臺(tái)和收料盒，送到工作臺(tái)的料片再進(jìn)行曝光工藝，完成曝光后再被送至收料盒。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.2 并行時(shí)序

如果采用順序執(zhí)行工藝的方式，即取片→預(yù)對(duì)準(zhǔn)→送片→曝光→送收料盒的流程來完成一次工藝流程，工藝周期非常長(zhǎng)。而對(duì)于這樣一臺(tái)全自動(dòng)設(shè)備來說，這樣的生產(chǎn)效率過于低下。因此，分析該設(shè)備各機(jī)構(gòu)的工藝動(dòng)作，使各機(jī)構(gòu)能夠最大可能地并行工作，是提高設(shè)備效率的有效途徑。

圖2 各機(jī)構(gòu)的并行時(shí)序圖

運(yùn)行時(shí)序圖是一種能夠有效地體現(xiàn)各機(jī)構(gòu)在同一時(shí)間段內(nèi)的同步動(dòng)作、指示出其下一時(shí)間段運(yùn)動(dòng)所需的必要條件的示意圖。設(shè)計(jì)出正確的運(yùn)行時(shí)序圖是設(shè)備同步控制成功的關(guān)鍵，依據(jù)運(yùn)行時(shí)序圖，能夠清晰的將同時(shí)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件劃分成獨(dú)立的軟件控制模塊，模塊間的并行同步控制即是設(shè)備的同步控制。

對(duì)于圖1所示的多機(jī)械手全自動(dòng)光刻設(shè)備，單臂機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、工作臺(tái)、預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)可以并行協(xié)同工作，其運(yùn)行時(shí)序圖如圖2所示。從時(shí)間軸看，從0～t9是完成一片料片工藝過程的最小單位，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，各個(gè)機(jī)構(gòu)并行協(xié)同完成一次工藝流程。以下用圖2中的一部分來說明各機(jī)構(gòu)如何并行協(xié)同工作：當(dāng)預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)完成預(yù)對(duì)準(zhǔn)后，預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)的接片柱將料片抬起；同時(shí)，工作臺(tái)也完成了曝光工藝，工作臺(tái)的接片柱也將料片抬起，這時(shí)雙臂機(jī)械手才可以在預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)和工作臺(tái)同時(shí)取片。接著，當(dāng)預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)和工作臺(tái)的接片柱都降下后，雙臂機(jī)械手才可以去工作臺(tái)和收料盒送片。同樣的，放片流程中各機(jī)構(gòu)的協(xié)同工作過程與上述描述類似。

1.3 干涉點(diǎn)分析

設(shè)備的多機(jī)構(gòu)并行協(xié)同工作時(shí)，各機(jī)構(gòu)之間存在著多個(gè)干涉點(diǎn)。要保證設(shè)備運(yùn)行的正確性，必須根據(jù)設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行時(shí)序圖，準(zhǔn)確地整理出這些干涉點(diǎn)，以規(guī)避干涉點(diǎn)給設(shè)備運(yùn)行帶來的不安全因素。各機(jī)構(gòu)間的干涉點(diǎn)歸納為：

（1）雙臂機(jī)械手和單臂機(jī)械手。X軸方向——雙臂機(jī)械手在P1或P2點(diǎn)位的時(shí)候，單臂機(jī)械手才可以運(yùn)行至P7和P8；而當(dāng)單臂機(jī)械手在P9或P10點(diǎn)位的時(shí)候，雙臂機(jī)械手才可以運(yùn)行至P3和P4；Y軸方向——雙臂機(jī)械手進(jìn)行取放片工作時(shí)，它運(yùn)行在P5點(diǎn)；而當(dāng)工作臺(tái)在曝光工藝準(zhǔn)備機(jī)曝光過程中，它必須運(yùn)動(dòng)至P6的位置。

（2）雙臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)、工作臺(tái)。預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)完成預(yù)對(duì)準(zhǔn)并抬升接片柱，同時(shí)工作臺(tái)完成曝光并抬升接片柱后，雙臂機(jī)械手才可以進(jìn)入預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)和工作臺(tái)接片；而預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)接片柱降下、工作臺(tái)接片柱降下且掩模板架在高位時(shí)，雙臂機(jī)械手才可以進(jìn)入預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)和工作臺(tái)送片。

（3）單臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)。預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)接片柱降下時(shí)，單臂機(jī)械手才可以到預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)送片或者從P7點(diǎn)回到P9點(diǎn)。

2 同步控制方法

2.1 模塊的同步設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備各機(jī)構(gòu)正確的協(xié)同并行運(yùn)動(dòng)，依據(jù)上述的同步分析，設(shè)計(jì)了如圖3所示的同步控制方案：將單臂機(jī)械手、預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)、雙臂機(jī)械手和工作臺(tái)4個(gè)機(jī)構(gòu)分別設(shè)計(jì)為取料、預(yù)對(duì)準(zhǔn)、收料和曝光4個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊，并設(shè)計(jì)了故障監(jiān)控模塊以保證異常時(shí)各運(yùn)動(dòng)模塊能夠正常結(jié)束。這5個(gè)模塊分別創(chuàng)建5個(gè)對(duì)應(yīng)的后臺(tái)控制線程。

實(shí)現(xiàn)線程同步的方法有臨界區(qū)、信號(hào)量、事件和互斥量4種方式，其中事件（CEvent）是在內(nèi)核模式下工作，適用于一個(gè)線程等待另一個(gè)線程完成某任務(wù)。在該設(shè)備中，雙臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)、工作臺(tái)以及單臂機(jī)械手有干涉點(diǎn)，同時(shí)，單臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)、雙臂機(jī)械手也有干涉點(diǎn)。因此，要避免它們彼此沖突，一個(gè)部件在干涉點(diǎn)的時(shí)候，另一個(gè)部件就需要等待干涉源消失，而事件對(duì)象能夠完成這種線程之間的互相等待。

4 個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊的線程內(nèi)部都采用串行工作結(jié)構(gòu)，各運(yùn)動(dòng)模塊間通過事件對(duì)象實(shí)現(xiàn)同步，而運(yùn)動(dòng)模塊與故障模塊間通過退出變量進(jìn)行交互。當(dāng)某運(yùn)動(dòng)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，通知故障模塊異常發(fā)生，故障模塊再將異常反饋給其他的運(yùn)動(dòng)模塊，其依據(jù)異常類型將運(yùn)動(dòng)暫停或?qū)⒛K安全退出。

圖3 設(shè)備同步控制模塊

2.2 利用事件對(duì)象實(shí)現(xiàn)線程的同步

對(duì)上節(jié)中提到的三組機(jī)構(gòu)間的干涉點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種解決干涉的方法。單臂機(jī)械手和雙臂機(jī)械手都是點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，它們?cè)谀承c(diǎn)位會(huì)互相干涉，可以為兩組手臂分別設(shè)計(jì)兩個(gè)變量（分別為單臂機(jī)械手安全和雙臂機(jī)械手安全）來保證同步運(yùn)行時(shí)的安全。當(dāng)單臂機(jī)械手在P9和P10時(shí)，雙臂機(jī)械手安全；當(dāng)雙臂機(jī)械手在P1和P2時(shí)，單臂機(jī)械手安全。而對(duì)于單臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)、雙臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)、工作臺(tái)之間的干涉，則利用事件對(duì)象來實(shí)現(xiàn)這些線程間的同步。

2.2.1 事件設(shè)計(jì)

4 個(gè)運(yùn)動(dòng)線程事件的具體定義：

●單臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)之間的事件對(duì)象定義

A1：SingleArm_PreClib_Drop_Event（單臂機(jī)械手通知預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)已到放片位）

A2：SingleArm_PreClib_Evacuate_Event（單 臂機(jī)械手通知預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)已到后撤位）

A3：SingleArm_PreClib_RWait_Event（單臂機(jī)械手通知預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)已到取料等待位）

B1：PreClib_SingleArm_Drop_Event（預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)通知單臂機(jī)械手可以到放片位）

B2：PreClib_SingleArm_Evacuate_Event（預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)通知單臂機(jī)械手可以到后撤位）

B3：PreClib_SingleArm_RWait_Event（預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)通知單臂機(jī)械手可以回取料等待位）

●雙臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)之間的事件對(duì)象定義

C1：PreClib_DoubleArms_Pickup_Event（預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)通知雙臂機(jī)械手到預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)取片位）

C2：PreClib_DoubleArms_ToWrkTbe_Event（預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)通知雙臂機(jī)械手可去工作臺(tái)）

D1：DoubleArms_PreClib_Pickup_Event（雙臂機(jī)械手通知預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)已到預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)取片位）

D2：DoubleArms_PreClib_ToWrkTbe_Event（雙臂機(jī)械手通知預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)已到達(dá)工作臺(tái)）

●雙臂機(jī)械手和工作臺(tái)之間的事件對(duì)象定義

E1：DoubleArms_Wrk_Pickup_Event（雙 臂 機(jī) 械手通知工作臺(tái)已到工作臺(tái)取片位）

E2：DoubleArms_Wrk_PickupBack_Event（雙 臂機(jī)械手通知工作臺(tái)取完片已離開）

E3：DoubleArms_Wrk_DropBack_Event（雙臂機(jī)械手通知工作臺(tái)放完已回事件）

F1：Wrk_DoubleArms_Pickup_Event（工 作 臺(tái) 通知雙臂機(jī)械手取片）

F2：Wrk_DoubleArms_PickupBack_Event（工 作臺(tái)通知雙臂機(jī)械手取完片離開）

F3：Wrk_DoubleArms_DropBack_Event（工作臺(tái)通知雙臂機(jī)械手放完離開）

2.2.2 事件交互

上述事件之間的交互關(guān)系如圖4所示，4個(gè)運(yùn)動(dòng)線程內(nèi)部是順序執(zhí)行的，線程間通過事件對(duì)象來實(shí)現(xiàn)線程間的同步。以取料和預(yù)對(duì)準(zhǔn)線程間利用事件對(duì)象實(shí)現(xiàn)線程間的同步控制為例，當(dāng)單臂機(jī)械手從上料盒取完料片后，開始等待事件B1，而當(dāng)預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)設(shè)置了事件B1后，單臂機(jī)械手才將料片送至預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)的放片位，并設(shè)置事件A1；預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)等到事件A1后，接片柱開真空并抬升，再設(shè)置事件B2；單臂機(jī)械手等到事件B2后，運(yùn)動(dòng)到后撤位，設(shè)置事件A2；預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)等到事件A2后，接片柱關(guān)真空并下降，設(shè)置事件B3；單臂機(jī)械手等到事件B3后，再回到取片等待位，設(shè)置事件A3；預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)等到事件A3后，再執(zhí)行后續(xù)流程，至此，一次取料的流程就完成了。單臂機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)之間通過事件對(duì)象實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)線程的同步控制，事件之間交互的正確，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。收料線程和預(yù)對(duì)準(zhǔn)、曝光線程間的同步過程與上述描述類似。

圖4 單、雙臂機(jī)械手、預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)和工作臺(tái)間的事件交互示意圖

3 結(jié) 論

對(duì)多機(jī)械手的全自動(dòng)光刻機(jī)設(shè)計(jì)的同步控制方法，能夠使設(shè)備在實(shí)際工藝流程中安全、穩(wěn)定且高效地運(yùn)行。相對(duì)于順序執(zhí)行工藝流程的方式，并行工作方式大大提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，并且，這種同步控制的方法對(duì)其他半導(dǎo)體設(shè)備的并行控制

設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒價(jià)值。

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[1]孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]（美）Michael Quirk，（美）Julian Serda著，韓鄭生 譯.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.384-400.

The Synchronous Control Method for A Type of Automatic Mask Aligner

SONG Lijuan,GONG Chen
（The 45thResearch Institute of CETC,Beijing 100176,China）

Abstract:For a contains several relatively independent and mutual interference mechanism of automatic mask aligner,designs reasonable control methods to make efficient and stable institutions to work together.According to the mechanical structure could be divided into four control objects,adopts synchronize control method for parallel work of these four objects.This control method is compared with the sequential execution of process,greatly improves the efficiency of equipment.Moreover,the synchronize control method also can be applied to other equipment with similar control requirement.

Keywords:Multi-manipulator；Synchronize control；Automatic mask aligner

TN305.7

B

1004-4507（2013）11-0050-04

2013-04-24