盧 睿

（遼寧警察學院 公安信息系，大連 116036）

0 引言

集束型半導體裝備由若干晶圓加工單元（Process Module，PM）和機器人物流搬運單元（Transfer Module，TM）組成一體，廣泛地應用于集成電路、LCD生產(chǎn)線。集束型裝備控制軟件 （Cluster Tool Controller, CTC）是裝備的分布式控制軟件，它與本地模塊控制器（Module Controller，MC）進行通信，監(jiān)視單元模塊中發(fā)生的事件及狀態(tài)變化，實時確定調度與控制命令，并且向模塊控制器發(fā)出符合集束型裝備模塊通信（Cluster Tool Module Communication，CTMC）標準的控制命令[1]。SEMI(Semiconductor Equipment and Materials Institute，國際IC裝備和材料協(xié)會）國際標準是實現(xiàn)集束型IC裝備的基礎和規(guī)范，符合SEMI標準是300mm晶圓加工廠的基本要求。目前國外對于CTC控制軟件的研究已經(jīng)向標準化、通用化控制系統(tǒng)平臺的總體趨勢發(fā)展。

目前已有一些與CTC實時調度系統(tǒng)相關的研究成果。文獻[1～3]提出了基于現(xiàn)場總線技術的CTC調度系統(tǒng)框架模型，但該模型并不符合SEMI標準。TrackSim系統(tǒng)采用Brook公司的AutoMod作為3D動畫建模工具，并應用到涂膠顯影工藝的Track機上，可用其評估不同的投料和派工規(guī)則的性能[4]。文獻[5]提出了基于加工和搬運模塊狀態(tài)機的CTC系統(tǒng)實時調度系統(tǒng)框架，并對設備失效、通信延遲等異常情況提供了處理方法。ClusterSim是基于AutoMod仿真系統(tǒng)的可定制仿真軟件，該軟件提供了詳細的統(tǒng)計報表，ToolSim系統(tǒng)是該系統(tǒng)的升級版本，應用在位于美國得克薩斯州的半導體生產(chǎn)線化學氣相淀積設備上。SWP（Single Wafer Processing）系統(tǒng)由韓國三星電子開發(fā)，用來測試臨時晶圓到達時的在線調度方法[6]。以上CTC調度系統(tǒng)相關研究沒有考慮采用SEMI標準，其效果與實際存在較大差異。

在對SEMI標準的研究基礎上，本文首先提出了滿足SEMI標準的CTC實時調度系統(tǒng)框架模型，包括用戶界面層、作業(yè)與調度管理層、模塊管理層、數(shù)據(jù)通信協(xié)議層和模塊控制器層。然后通過分析調度系統(tǒng)的測試和驗證過程，利用“虛擬控制”的思想，對調度系統(tǒng)框架模型進行了驗證。

1 基于SEMI標準的CTC控制軟件

1.1 SEMI標準

SEMI標準是國際IC裝備和材料協(xié)會聯(lián)合全球半導體制造廠、設備制造商共同制定的一系列針對半導體設計、制造、材料、加工等方面的行業(yè)標準規(guī)范，自動化軟硬件標準是其中重要的組成部分。

1.2 CTC控制軟件

圖1 CTC控制軟件架構

CTC控制軟件的主要工作是遵循SEMI標準，規(guī)劃生產(chǎn)及傳輸工作，管理與協(xié)調PMC和TMC控制器，并通過人機界面與操作人員溝通。CTC控制軟件架構如圖1所示，主要由用于批次晶圓管理的控制單元、用于晶圓加工和傳輸?shù)恼{度單元及PMC/ TMC（Transfer Module Controller）監(jiān)控單元等部分構成；同時，CTC控制軟件提供開放接口，支持用戶專用裝備的定制化開發(fā)。具體描述如下：

作業(yè)與調度管理（Job Management）模塊包含了工藝過程管理（Processing Managemen, E40）和控制作業(yè)管理（Control Job Management, E94）兩部分。工藝過程管理的主要功能是確保使用正確的配方（Recipe）來進行工藝制造，并管理工藝過程所用的資源?？刂谱鳂I(yè)管理部分可管理多個工藝過程，以及多個運載器（傳輸平臺裝置），對這些任務及資源進行宏觀的管理和調度。

配方管理（Recipe Management）模塊遵循SEMI E42標準。主要包含配方管理和配方解釋執(zhí)行兩部分，同時還提供了配方的編輯、下載及上載等服務。

產(chǎn)品跟蹤（E90）等標準。物料移動管理部分對物料的傳輸過程進行標準化。產(chǎn)品跟蹤部分提供了對晶圓在整個加工處理過程中的跟蹤功能。

2 調度系統(tǒng)架構模型

CTC是一個復雜的控制軟件，它完成與本地模塊控制器的消息傳遞與協(xié)調。其核心部分的調度與控制邏輯由CTC的調度系統(tǒng)實現(xiàn)。如圖2所示，該調度系統(tǒng)是一個分層架構模型，包括用戶界面層、作業(yè)與調度管理層、模塊管理層、數(shù)據(jù)通信協(xié)議層和模塊控制器層。作業(yè)與調度管理層根據(jù)裝備的狀態(tài)變化或模塊控制器中發(fā)生的事件確定高層調度決策，以使這些模塊能很好地相互協(xié)作，按照配方指定的晶圓流模式加工晶圓。

圖2 調度系統(tǒng)架構模型

模塊控制器包括加工單元控制程序（Process Module Controller, PMC）和傳輸單元控制程序（Transfer Module Controller, TMC）。PMC從CTC下載配方，監(jiān)視和控制配方的執(zhí)行過程和托盤在加工位置和傳輸位置之間升降移動。TMC控制真空機器人，在裝載室、加工單元腔體之間的裝載、移動和卸載。

2.1 作業(yè)與調度管理層

如圖3所示，作業(yè)與調度管理層讀取作業(yè)數(shù)據(jù)表以確定控制命令，作業(yè)數(shù)據(jù)表由調度決策產(chǎn)生的加工作業(yè)和搬運作業(yè)構成，制程工程師根據(jù)加工配方和晶圓流程模式調用調度算法庫的算法并產(chǎn)生調度決策。調度算法庫包括整數(shù)規(guī)劃模型、啟發(fā)式算法等構成[7,8]。

圖3 調度過程示意圖

2.2 模塊管理層

作業(yè)與調度管理層產(chǎn)生高層控制命令（作業(yè)），這些作業(yè)在模塊管理層將會被進一步分解為具體的調度任務。

加工模塊作業(yè)分解成一系列循環(huán)操作：腔室準備（托盤上移準備接受一個晶圓）→晶圓準備（槽閥打開）→關閉（槽閥關閉）→晶圓完成（托盤下移準備處理晶圓）→準備（讀取處理處方）→加工（開始加工）。加工模塊從調度控制邏輯接受控制命令，從而完成每一操作步驟，并向其發(fā)送響應以表示命令完成或失敗。同樣，搬運模塊也要分解成一系列的操作：準備→晶圓準備（槽閥打開）→執(zhí)行機械手的裝載、卸載或交換雙臂操作→關閉（槽閥關閉）。

2.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議層

數(shù)據(jù)通信協(xié)議屬于SEMI標準中的設備自動化/軟件標準，包括SECS-I、HSMS和SECS-II三個標準。根據(jù)各個標準的內容，按照協(xié)議分層。其中，SECS-I和HSMS屬于傳輸協(xié)議標準，描述了數(shù)據(jù)是如何通過物理媒介在設備與主機之前傳輸?shù)?，也就是前兩種協(xié)議負責數(shù)據(jù)通信的建立和斷開，而SECS-II屬于消息格式標準，定義了在設備與主機之前進行雙向會話時所使用的消息格式。

2.4 模塊控制器層

1）加工模塊控制器架構

加工模塊控制器主要接收來自CTC的命令，并從資料數(shù)據(jù)庫下載加工配方，并根據(jù)配方中的參數(shù)去完成特定的加工，并將執(zhí)行加工的結果返還PMC。如圖4所示PMC與CTC之間的通訊遵循CTMC的標準，其通訊的內容格式依照SECSII的消息格式，與CTC的網(wǎng)絡連接依照HSMS標準，PMC必須擁有圖形用戶界面來監(jiān)控加工模塊體的狀態(tài)、提供配方編輯的界面、顯示各種例外狀況和事件、3D模型顯示加工過程、用戶權限配置界面、IO配置等。

圖4 加工模塊控制器架構

搬運模塊控制器與加工模塊控制器具有類似的架構，所以在此不詳細論述該模塊的軟件架構。

2）模塊控制器層模型

在實時調度系統(tǒng)中，PMC和TMC作用為執(zhí)行上層下達的命令，并以消息事件返回給上層，通告命令的執(zhí)行情況。因此，模塊控制器僅模擬實際加工模塊、搬運模塊、托盤和槽閥等必要的活動，并且不考慮低層的I/O驅動程序和其它管理功能（配方管理等）。圖5給出上述組成模塊的狀態(tài)圖。

圖5 模塊控制器狀態(tài)圖

3 調度系統(tǒng)的測試與驗證

開發(fā)階段使用“虛擬控制”思想對調度系統(tǒng)進行測試和驗證?！疤摂M控制”需要完成以下功能：1) 開發(fā)人員可以指定各種操作加工單元和傳輸單元的測試場景；2) 仿真模塊控制器要像真實的PMC和TMC控制程序一樣遵循CTMC標準；3)模塊管理層具有CTMC通信接口，各個組成部分應遵循對應的CTMC標準；4) 能夠提供適當?shù)姆治龉ぞ?，方便開發(fā)人員從不同角度識別錯誤和分析統(tǒng)計。圖6的測試和驗證系統(tǒng)包括三個加工測試模塊和一個機械手物料搬運測試模塊。

各組成部分詳細解釋如下：

測試場景：用戶可以自定義晶圓流程模式和加工晶圓數(shù)量，模擬加工一批晶圓的調度過程，或者用手工方式向模塊控制器發(fā)命令。通信連接可以設定模塊控制器和CTC軟件互連所需IP地址和端口，該通信連接在TMC與PMC仿真程序也有類似功能菜單，不同的是，CTC作為網(wǎng)絡連接的客戶端，PMC作為網(wǎng)絡連接的服務端，而TMC既要作為客戶端與PMC連接，又要作為服務端接收CTC的連接。

圖6 測試和驗證系統(tǒng)

模塊管理程序：基于網(wǎng)絡事件驅動的有限狀態(tài)機，根據(jù)網(wǎng)絡通信對象不同，可以為通信客戶端或者服務端，自動進行網(wǎng)絡連接、超時斷開等（HSMS協(xié)議）；能夠將CTC發(fā)來的SECS-II格式解碼為模塊控制器需要的消息事件，改變模塊控制器狀態(tài)機的狀態(tài)，并將模塊控制器返回消息編碼為SECS-II格式。HSMS/SECS-II協(xié)議最終實現(xiàn)是通過面向對象的方法（composite和visitor設計模式）。

PMC與TMC仿真程序： PMC和TMC這兩類仿真對象具有相同的父類，其函數(shù)名稱以對應的事件或者命令命名，例如functionS4F23。每個模塊控制器仿真程序的狀態(tài)機由事件驅動函數(shù)實現(xiàn)，每個函數(shù)作為一個例程在一個狀態(tài)下執(zhí)行并且發(fā)送相應的回報消息，例如：在從CTC接收了控制命令后，從數(shù)據(jù)庫中讀取加工配方，在適當?shù)臅r間過后向CTC發(fā)出一個完成事件消息（例如：加工單元完成加工任務S4F23）。與PMC相比，TMC不僅需要與CTC通信，同時要建立多個線程與多個PMC通信，因此較為復雜。底層物理設備模擬需要考慮模擬信號、數(shù)字信號、加工時間以及意外事件，因僅對調度控制邏輯進行驗證，因此采用延時程序表示加工耗時，并定義異常事件規(guī)則庫，對應測試場景的意外事件類型和發(fā)生概率，滿足系統(tǒng)對隨機意外情況的測試需求。

分析工具：分析工具既可以在線分析實時數(shù)據(jù)，也可以離線查看數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)。這些消息包括CTC中的配方管理、調度程序與通信模塊管理程序之間的消息，CTC和模塊控制器程序之間的事件和控制消息。消息日志的消息格式為：模塊名稱、時間發(fā)生時間、發(fā)送模塊和接受模塊、消息名稱等記錄。分析工具的Gantt圖生成程序按CTC和模塊控制器名稱查詢所需的消息事件集合，按加工單元和機械手搬運單元分類實時顯示晶圓加工和搬運狀態(tài);分析消息發(fā)生的時間，以及消息間的時序邏輯關系，精確地計算晶圓加工時間、在加工單元的滯留時間、系統(tǒng)的產(chǎn)能等等。3D圖形動畫程序是由基于虛擬建模語言（Virtual Reality Modeling Language, VRML）開發(fā)。3D圖形動畫程序分析數(shù)據(jù)庫內CTC和模塊控制器的事件消息，按著模塊事件和狀態(tài)定義改變對應模塊的二維幾何形狀，實時顯示它們的圖形狀態(tài)。與單一監(jiān)視事件日志相比，檢查甘特圖、圖形動畫和統(tǒng)計結果極大地改進了驗證過程，同時也極大地改善了調度程序開發(fā)人員和系統(tǒng)工程師之間的通信。

4 結論

本文提出了滿足SEMI標準的CTC調度系統(tǒng)架構模型，該模型分為包括用戶界面層、作業(yè)與調度管理層、模塊管理層、數(shù)據(jù)通信協(xié)議層和模塊控制器層，并利用“虛擬控制”思想對該調度系統(tǒng)架構模型進行了驗證。結果表明該架構模型可以在開發(fā)階段降低驗證工作量，減少后期錯誤檢測量、縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，因此具有一定現(xiàn)實意義與應用價值。

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