劉 麗，李學(xué)威，陳 睿，李 靜

(1．沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110045；2．沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司，沈陽 110168)

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300mm IC的自動物料搬運(yùn)系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉 麗1，李學(xué)威2，陳 睿2，李 靜1

(1．沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110045；2．沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司，沈陽 110168)

在集成電路(Integrated Circuit, IC)制造行業(yè)中，自動物料搬運(yùn)系統(tǒng)(Automatic Material Handling System, AMHS)有效地提高了生產(chǎn)速度、縮短了生產(chǎn)周期，因此設(shè)計(jì)AMHS具有重要意義。文章分析了AMHS控制功能要求，確定了電氣控制總體方案，進(jìn)行了系統(tǒng)供配電方案設(shè)計(jì)，尤其是非接觸供電，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)方案。通過分析實(shí)際裝置的技術(shù)指標(biāo)，表明所設(shè)計(jì)的300mm AMHS滿足要求。

自動物料搬運(yùn)系統(tǒng)；非接觸供電；電氣設(shè)計(jì)

0 引言

IC制品生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備昂貴、物料搬運(yùn)任務(wù)龐大[1]，為提高生產(chǎn)設(shè)備利用率、降低生產(chǎn)周期、節(jié)約成本，對工廠的自動化程度提出了更高的要求，因而快速穩(wěn)定的物料搬運(yùn)系統(tǒng)——自動物料搬送系統(tǒng)得到快速發(fā)展。AMHS的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2-3]和調(diào)度[4-6]方面的提升，是提高AMHS運(yùn)行效率的重要方面。性能優(yōu)良的AMHS具有傳遞準(zhǔn)確、迅速等特點(diǎn)，還可減少晶圓搬運(yùn)過程中由于震動而產(chǎn)生的品質(zhì)問題[7-9]。AMHS主要由控制系統(tǒng)、搬運(yùn)系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)組成[11]。機(jī)械完成各部分的物理結(jié)構(gòu)，軟件實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的運(yùn)作，而電氣則是連接軟件與機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵橋梁，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)，因此進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文針對300mm半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)線的AMHS進(jìn)行供配電設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)主要設(shè)備OHT控制系統(tǒng)，Stocker控制系統(tǒng)以及道岔控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的電氣控制設(shè)計(jì)，并通過實(shí)際裝置的性能指標(biāo)對設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。該系統(tǒng)可有效的提高晶圓搬運(yùn)過程的效率。

1 AMHS總體方案設(shè)計(jì)

AMHS是業(yè)界最靈活的集合儲存、運(yùn)輸和管控FAB廠不同制程區(qū)域之間以及制程設(shè)備、量測機(jī)臺和Stocker之間的制品搬運(yùn)解決方案。AMHS主要包括潔凈軌道系統(tǒng)、OHT和Stocker等。

1.1 系統(tǒng)功能要求

本文主要是針對300mm晶圓自動搬運(yùn)系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行分析。供配電系統(tǒng)主要功能包括實(shí)現(xiàn)OHT和Stocker堆棧機(jī)的非接觸供配電，OHT維護(hù)系統(tǒng)交流供配電設(shè)計(jì)，Stocker庫存管理控制系統(tǒng)供配電以及道岔控制系統(tǒng)供配電。電氣控制系統(tǒng)主要功能是進(jìn)行OHT搬運(yùn)系統(tǒng)控制，Stocker存儲系統(tǒng)控制和道岔系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)。

1.2 AMHS控制系統(tǒng)組成

AMHS中的物料管控系統(tǒng)(Material Control System, MCS)負(fù)責(zé)從上層制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)端接收指令，并發(fā)指令給搬送控制器(MCP)執(zhí)行，主要功能為查詢系統(tǒng)中晶舟(Front Opening Unified Pod, FOUP)的信息，控制FOUP在系統(tǒng)中的搬送；MCP從MCS端接收并執(zhí)行搬送命令，負(fù)責(zé)分配小車在各區(qū)域的分布，制定最優(yōu)搬送路徑，同時(shí)監(jiān)控每輛小車運(yùn)行狀態(tài)及監(jiān)控搬送指令的執(zhí)行情況。AMHS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 300mm AMHS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

MCS與MCP、MES和Stocker間采用以太網(wǎng)通信，使用兩個(gè)路由器級聯(lián)，將通信網(wǎng)絡(luò)分為兩層，MES和MCS在同一層，便于MES垂直下達(dá)命令和掌握現(xiàn)場工況。MCP、Stocker、OHT和道岔PLC在同一層，方便MCP接到MCS下達(dá)的任務(wù)后對OHT、Stocker和道岔PLC進(jìn)行調(diào)度。該控制結(jié)構(gòu)縮短了從MES到執(zhí)行設(shè)備間的通信距離，扁平化的控制結(jié)構(gòu)可以盡量提高調(diào)度任務(wù)下達(dá)和生產(chǎn)狀態(tài)反饋的效率。

2 AMHS電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AMHS系統(tǒng)龐大，電氣功能繁多，本文只從主要功能及大的設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行分析，主要包括供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 非接觸供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

非接觸供電技術(shù)將空氣作為松耦合介質(zhì)，以高頻輻射的方式為相關(guān)電氣設(shè)備提供電能[12]。因其靈活便利、免維護(hù)、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。在潔凈度100級的無塵室內(nèi)，采用電纜為移動設(shè)備供電會因摩擦而產(chǎn)生粉塵污染，不能保證室內(nèi)潔凈度。因而為保證潔凈度，AMHS中的OHT和Stocker的堆棧機(jī)均采用非接觸供電方式供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 非接觸供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本次設(shè)計(jì)非接觸供電容量為8臺OHT和1套Stocker，OHT功率為1.2kW，Stocker功率為1.55kW，非接觸供電電纜線路損耗按總功率的5%計(jì)算，且由于OHT和Stocker各軸不同時(shí)運(yùn)動，故非接觸供電總功率設(shè)計(jì)為11kW即可滿足要求。該非接觸供電系統(tǒng)相對于電刷型接觸式供電，可避免顆粒與噪音產(chǎn)生，電能損耗低，節(jié)能環(huán)保；無電池結(jié)構(gòu)，大大減輕車身重量，節(jié)約成本。

2.1.2 常規(guī)供配電設(shè)計(jì)

AMHS的交流供配電對象是OHT維護(hù)系統(tǒng)、道岔控制系統(tǒng)、Stocker庫存管理系統(tǒng)及MCS/MCP控制系統(tǒng)，均為單相220V交流。24V直流電則用于控制柜內(nèi)的控制器及驅(qū)動器板卡等設(shè)備供電。系統(tǒng)供電如表1所示。

表1 AMHS供配電表

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AMHS控制系統(tǒng)主要包括OHT控制系統(tǒng)，Stocker控制系統(tǒng)以及道岔控制系統(tǒng)。各部分由控制器、驅(qū)動板卡以及相關(guān)元器件構(gòu)成。

2.2.1 OHT控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

OHT控制系統(tǒng)由新松公司機(jī)器人控制器(RC)、位控板、IO板以及電機(jī)驅(qū)動器板卡、電機(jī)及碼盤、傳感器等設(shè)備構(gòu)成，控制系統(tǒng)互聯(lián)圖如圖3所示。

OHT系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)通訊、定位、行走和抓取等功能。

(1) OHT通訊功能

OHT作為搬運(yùn)FOUP的載體，既需要與MCP系統(tǒng)進(jìn)行通訊，也需要與半導(dǎo)體前端模塊(EFEM)設(shè)備進(jìn)行通訊。OHT與MCP系統(tǒng)通訊采用無線以太網(wǎng)技術(shù)，由TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)OHT位置和狀態(tài)等信息的可靠傳輸；OHT與EFEM設(shè)備基于E84協(xié)議進(jìn)行通訊，通過紅外線傳感器檢測FOUP下方是否有人或障礙物，保證取放FOUP動作安全。

(2) OHT定位功能

OHT通過軌道上鋪設(shè)密集的條形碼進(jìn)行定位，每個(gè)條形碼都有唯一編碼地址。OHT經(jīng)過條形碼后讀取條形碼信息，將讀取到的條形碼信息發(fā)送給MCP，MCP系統(tǒng)通過該信息每隔一段時(shí)間刷新一次OHT位置，由此定位OHT在軌道上的位置。

由于OHT在軌道上行走時(shí)可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，故只對行走電機(jī)進(jìn)行碼盤閉環(huán)控制不能實(shí)現(xiàn)OHT在軌道上的準(zhǔn)確定位。因此需要增加對軌道上鋪設(shè)的條碼進(jìn)行整車的全閉環(huán)控制。條碼閉環(huán)在RC中實(shí)現(xiàn)，碼盤閉環(huán)在位控板1中實(shí)現(xiàn)，速度環(huán)和電流環(huán)在行走驅(qū)動器中實(shí)現(xiàn)，控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

(3) OHT運(yùn)動功能

OHT接收MCP的指令，從源地址運(yùn)動到目的地址。軌道采用單軌設(shè)計(jì)，MCP通知小車OHT前進(jìn)，OHT在正常工作時(shí)，只有前進(jìn)方向。MCP實(shí)時(shí)向OHT發(fā)送目的點(diǎn)，道岔由MCP控制，MCP預(yù)先規(guī)劃OHT減速區(qū)。OHT出現(xiàn)故障時(shí)，MCP通過上位調(diào)度封閉一條路徑，而不會導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停止工作。

(4) OHT抓取功能

OHT運(yùn)動到EFEM設(shè)備上方，通過精確定位調(diào)整后，接收MCP指令，抓取硅片裝載系統(tǒng)(LoadPort)上的FOUP，通過卡抓上的光電傳感器判斷是否抓住FOUP，抓取后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、并且通過兩個(gè)卡手將FOUP卡緊，同時(shí)通知MCP抓取FOUP成功。

(5) OHT傳感器功能

安全行車光距離傳感器，在行車過程中檢測是否與前車碰撞的危險(xiǎn)，通過反饋信號系統(tǒng)可以采取防撞車策略；激光雷達(dá)分別檢測前方和下方是否有障礙物，避免小車在前行或夾手下降過程中對生產(chǎn)人員造成傷害；橫向限位和旋轉(zhuǎn)限位確保夾手到達(dá)FOUP上方后可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

2.2.2 Stocker控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Stocker控制系統(tǒng)采用PC作為控制器，對Stocker中所有庫存中FOUP和晶圓的ID、貨位狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、管理并調(diào)度堆棧機(jī)、自動載入口、手動載入口的動作；堆棧機(jī)采用新松公司的RC控制器，對堆棧機(jī)的行走、升降和手臂部分等進(jìn)行控制；貨位狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)利用PLC采集貨位狀態(tài)信息?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

堆棧機(jī)控制器控制行走電機(jī)完成堆棧機(jī)在軌道上行進(jìn)，具有較高定位精度；控制升降電機(jī)完成機(jī)械手提取和下放FOUP；控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)和橫移電機(jī)分別完成機(jī)械手調(diào)整貨位上FOUP的水平方向角度和垂直于軌道方向距離。貨位監(jiān)控PLC完成貨架狀態(tài)信息的采集、手動/自動出入口處傳感器信號的采集以及信號燈和蜂鳴器等的控制。利用條形碼技術(shù)和無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)完成自動載入、載出口及手動載入、載出口的FOUP的存取。

2.2.3 道岔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AMHS的軌道道岔系統(tǒng)位于軌道附近，執(zhí)行裝置為氣缸，為減少從地面到空中控制器部分的電纜數(shù)量，且提高控制系統(tǒng)的可靠性，采用PLC作為道岔系統(tǒng)的控制器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖3 OHT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 Stocker控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 道岔控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

道岔控制器PLC接收MCP指令，通過控制電磁閥來控制氣缸伸展收縮，完成變軌操作?？紤]到安全性，采用帶有抱閘的氣缸，通過氣缸抱閘的鎖緊力保持變軌機(jī)構(gòu)的位置。

3 AMHS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，AMHS在上海某公司進(jìn)行示范應(yīng)用，現(xiàn)場整體示意圖如圖7所示，主要由OHT，潔凈Stocker，潔凈軌道系統(tǒng)等構(gòu)成。

上海線的AMHS采用一個(gè)interbay與一個(gè)intrabay的形式，兩bay之間由四個(gè)道岔進(jìn)行貫穿連接，另附有通往維修間的道岔構(gòu)成全部軌道。整體的軌道將各個(gè)設(shè)備、Stocker、維修機(jī)、UTS等通過OHT小車本體相互串聯(lián)?，F(xiàn)場有3臺OHT和1套Stocker。

圖7 上?，F(xiàn)場軌道布局示意圖

OHT和Stocker的綜合性能指標(biāo)如表2和表3所示。

表2 OHT性能指標(biāo)

表3 Stocker 性能指標(biāo)

表2和表3的性能指標(biāo)表明本文所設(shè)計(jì)的AMHS滿足IC搬運(yùn)要求，OHT和Stocker等設(shè)備潔凈等級及可靠性等指標(biāo)均達(dá)到實(shí)際要求。其運(yùn)行速度可達(dá)90m/min，顯著提高了系統(tǒng)生產(chǎn)速度、縮短了生產(chǎn)周期。

4 結(jié)論

本文針對300mm IC制品的AMHS進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了系統(tǒng)供配電設(shè)計(jì)，包括非接觸供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和常規(guī)供配電設(shè)計(jì)，完成了OHT、Stocker和道岔系統(tǒng)等幾個(gè)重要部分的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過基于此設(shè)計(jì)的實(shí)際AMHS裝置驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性可達(dá)17000h，運(yùn)行速度可達(dá)90m/min，滿足了系統(tǒng)對晶圓搬運(yùn)生成效率的要求。

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(編輯 李秀敏)

Electric Control System Design and Implementation of AMHS for 300mm IC

LIU Li1，LI Xue-wei2，CHEN Rui2，LI Jing1

(1.Shenyang Polytechnic College, Dadong District, Shenyang 110045, China;2.Shenyang Siasun Robot and Automation Co., Ltd., Shenyang 110168, China)

In Integrated Circuit (IC) industry, Automatic Material Handling System (AMHS) improved the production rate and shortened the production cycle effectively. Therefore, it was of great significance to design the AMHS. By analyzing the functional requirement of control system, the total scheme of electric control was proposed. The power supply scheme was designed especially for the contactless power system, and the electric control scheme of key equipments was designed. Through analyzing the technical index of actual equipment, it was shown that the reliability of 300mm AMHS was satisfied.

automatic material handling system; contactless power system; electric design

1001-2265(2017)07-0119-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.07.028

2017-04-05

國家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)(2014ZX02103005)

劉麗(1971—)，女，沈陽人，沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡姎饧夹g(shù)，(E-mail)liulisy@126.com。

TH166;TG506

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