摘要：美國ASYST科技公司，是專門提供晶圓生產(chǎn)線所需自動(dòng)化設(shè)備的供應(yīng)商，目前在設(shè)計(jì)與測試集成系統(tǒng)領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位。面對持續(xù)發(fā)展的巨大市場，為提升制造設(shè)備性能，進(jìn)而提高半導(dǎo)體制造生產(chǎn)率，ASYST采用MEI和SynqNet技術(shù)，成功完成了革命性的機(jī)器人控制EFEM核心部分的設(shè)計(jì)。 1 用戶概況及用戶需求 　　2005年3月10日，國際半導(dǎo)體設(shè)備及材料協(xié)會(huì)（SEMI）公布了半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)的最新報(bào)告。該報(bào)告稱，由于市場對新型高端晶片設(shè)備的需求強(qiáng)勁，2004年全球半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)商銷售額成長67%，從2003年的222億美元攀升至371億美元。日本、臺(tái)灣等地相繼成為晶片生產(chǎn)設(shè)備的最大市場，全球的半導(dǎo)體廠商越來越多地將其晶圓廠設(shè)在亞太地區(qū)。面對市場的快速發(fā)展和競爭的加劇，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界一直在尋找同時(shí)具有高性能和低成本的晶圓處理解決方案。 　　作為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與測試集成系統(tǒng)提供商，ASYST 科技公司為了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳生產(chǎn)率這一發(fā)展目標(biāo)，以繼續(xù)在半導(dǎo)體制造設(shè)備設(shè)計(jì)及解決方案上保持領(lǐng)導(dǎo)地位，開始制造針對下一代半導(dǎo)體的制造設(shè)備前端模塊（EFEM）。 　　對于半導(dǎo)體廠商來講，他們對于生產(chǎn)率的關(guān)注主要集中在以下幾個(gè)方面： 　　如何縮小半導(dǎo)體制造設(shè)備前端模塊（EFEM）操作所需的空間——空間的寶貴驅(qū)使設(shè)備制造商不斷地將實(shí)現(xiàn)有效流程所用空間推向極限。 　　如何提高晶圓制造的速度和效率，從而降低總體成本。 　　如何確保生產(chǎn)的安全性——作為首要問題，晶圓作業(yè)非常關(guān)鍵，任何差錯(cuò)，尤其是在運(yùn)動(dòng)控制中的差錯(cuò)都意味著巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 2 設(shè)計(jì)方案及實(shí)施效果 　　ASYST的SpartanTM EFEM 項(xiàng)目充分考慮了半導(dǎo)體制造的要求，明確了要采用數(shù)字運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并最終選擇MEI 和SynqNet R 技術(shù)作為Spartan EFEM 系統(tǒng)的關(guān)鍵控制部分，完成了晶圓廠前端制成革命性的自動(dòng)化工具的設(shè)計(jì)和制造。MEI 和SynqNet R 技術(shù)滿足甚至超過了對運(yùn)動(dòng)性能的嚴(yán)格要求，實(shí)現(xiàn)了高性能、低成本的晶圓處理解決方案，正在改變著市場對半導(dǎo)體制造設(shè)備前端模塊（EFEM）的要求。 [align=center] 設(shè)計(jì)創(chuàng)新： Spartan EFEM的體積是其它同類工具的一半，它利用了配有可選邊緣夾緊直線校準(zhǔn)器的雙抓爪直角坐標(biāo)型機(jī)器人，生產(chǎn)率高。[/align] 　　MEI和SynqNet R 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)配線的顯著減少和配線速度的提高，這顯然推動(dòng)了ASYST作出最終決定。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也必須確保Spartan EFEM能夠在所承諾的最佳生產(chǎn)率、安全性和可靠性的前提下，發(fā)揮一定水平的性能。因此，ASYST采用了SynqNet及MEI控制器軟件解決方案作為核心設(shè)計(jì)要素，從以下幾方面對Spartan EFEM進(jìn)行了創(chuàng)新，極大地縮小了工具體積，提高了晶圓制造效率，并加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。 　　2.1 空間縮小到同類工具的一半 　　首先， 在體積上，ASYST工程師開發(fā)的Spartan EFEM是同類產(chǎn)品中最小型化的設(shè)計(jì)，不僅超過了適用于現(xiàn)有設(shè)備尺寸的SEMI標(biāo)準(zhǔn)，并且在市場上建立了新的標(biāo)準(zhǔn)。ASYST的工程師重新考慮了Spartan EFEM 內(nèi)部的機(jī)器人設(shè)計(jì)，減小了體積，并完全去除了該工具的底部部分，以滿足最終用戶自身的加工要求，同時(shí)大大降低了Spartan EFEM 的總重量。同時(shí)，由于減少了需要處理的空氣量，在很大程度上又有效地高度優(yōu)化了氣流系統(tǒng)。 　　2.2 提高晶圓制造效率 　　在整個(gè)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化生產(chǎn)率得到了最優(yōu)先考慮，該系統(tǒng)必須做到快速并且精確。Spartan EFEM在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了極大的創(chuàng)新，以滿足效率要求，其中，MEI 運(yùn)動(dòng)控制器也發(fā)揮了重要作用。 　　2.2.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 　　為此，ASYST選定了配有可選邊緣夾緊直線校準(zhǔn)器的雙抓爪直角坐標(biāo)型機(jī)器人以進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。機(jī)器人的Z 軸為側(cè)面固定設(shè)計(jì)，從而避免了在平面關(guān)節(jié)型（Scrara）晶圓輸送機(jī)器人中所需的垂直空間。由于使用了具有創(chuàng)新空氣循環(huán)和過濾功能的先進(jìn)微?？刂破鳎琒partan EFEM 的設(shè)計(jì)能夠滿足ISO Class 1 水平和較好的微環(huán)境選項(xiàng)。 　　該設(shè)計(jì)除了去除Spartan EFEM 下面的部分，還創(chuàng)新了裝載端口的設(shè)計(jì)，與標(biāo)準(zhǔn)裝載端口相比，從根本上降低了總成本，并極大地改善了加工集成。 Spartan EFEM 使用嚴(yán)格的專利框架設(shè)計(jì)，大大降低了在現(xiàn)有工具上的安裝時(shí)間。Spartan EFEM 統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)點(diǎn)使裝載端口能夠直觀且及時(shí)地進(jìn)行校準(zhǔn)工作。 　　在設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和靈活性上，Spartan系統(tǒng)也能夠作為一般用途晶圓分類機(jī)應(yīng)用在各種場合。這種雙重工具性能和靈活性能夠幫助ASYST實(shí)現(xiàn)快速定制，以滿足其客戶的嚴(yán)格要求。 　　2.2.2 MEI運(yùn)動(dòng)控制器 　　由于工作空間非常狹小，ASYST需要設(shè)計(jì)有效控制機(jī)器人的復(fù)雜路徑。據(jù)ASYST控制器技術(shù)高級主管Mike Krolak 表示:“MEI軟件的能力和靈活性使我們能夠進(jìn)行非常復(fù)雜的路徑計(jì)劃，并利用MPI （運(yùn)動(dòng)編程庫C/C++）的能力，作為我們基于網(wǎng)絡(luò)的用戶圖像界面（GUI）的運(yùn)動(dòng)引擎。而GUI 能夠?yàn)槲覀兊目蛻籼峁┮粋€(gè)便于使用的操作界面，同時(shí)使用戶能夠‘示教’該機(jī)器人以適應(yīng)他們的特殊應(yīng)用。” 　　考慮到該系統(tǒng)高性能軸的緊密協(xié)同功能，ASYST選擇了基于XMP-SynqNet-PCI的控制器，同時(shí)，Kollmorgen Servotronix 集團(tuán)、Danaher Motion提供定制雙軸SynqNet伺服驅(qū)動(dòng)器。 　　像大多數(shù)全MEI SynqNet應(yīng)用一樣，運(yùn)動(dòng)控制器必須與視覺系統(tǒng)、輸入/輸出和其它反饋設(shè)備可靠地相互作用才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的精度和速度。Krolak表示：“MEI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完全適用于我們的技術(shù)規(guī)格，能夠?qū)崿F(xiàn)基于客戶機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，基于PC 的集中控制，主機(jī)級功能，可擴(kuò)展性，遠(yuǎn)程診斷，以及用于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的各種功能強(qiáng)大的調(diào)整工具。” 　　2.3 系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性 　　Spartan EFEM的設(shè)計(jì)要求具有極強(qiáng)的穩(wěn)定型，ASYST通過采用MEI 控制軟件和SynqNet基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了這一特性。 　　2.3.1 MEI控制軟件 　　遠(yuǎn)程診斷能力—Krolak表示：“我們很注重Spartan EFEM 的遠(yuǎn)程診斷能力。由于所有的MEI軟件工具可以接受TCP/IP并且可以作為一臺(tái)客戶機(jī)運(yùn)行，我們能夠遠(yuǎn)程運(yùn)行全部診斷軟件，并能訪問SynqNet 驅(qū)動(dòng)器和實(shí)際系統(tǒng)的機(jī)械部分。我們具有這樣運(yùn)行的能力是絕對至關(guān)重要的?！? 　　運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)精確分析—ASYST采用核心MEI編程軟件庫、運(yùn)動(dòng)編程界面（MPI）以及像MotionScope這樣的實(shí)時(shí)分析工具，來實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析。Krolak說：“在調(diào)整該系統(tǒng)的伺服性能上，Motion Scope是非常重要的。我能夠真正‘看見’數(shù)據(jù)點(diǎn)，例如處理時(shí)間的反應(yīng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述和比較，直到獲得我想要的結(jié)果為止。重要的是這個(gè)數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)的，讓我在調(diào)整系統(tǒng)性能參數(shù)時(shí)，能夠洞察所有反饋信息。” 　　ControlsToolkit（控制工具包）—包含BodeTool和FilterDesigner功能的ControlsToolkit是ASYST工程師所使用的又一個(gè)工具，以實(shí)現(xiàn)在其它運(yùn)動(dòng)軟件包中從前所未見的高水平機(jī)器調(diào)整。Krolak說：“BodeTool將我對機(jī)械反應(yīng)的可見性水平帶到了一個(gè)全新水平。這是我以前所不曾擁有的。使用基于簡單窗口的界面和一個(gè)SynqNet運(yùn)動(dòng)控制器，我能夠同時(shí)激發(fā)任一軸或者兩個(gè)軸，并看到象Asyst Spartan那樣的系統(tǒng)頻率反應(yīng)。這是EFEM/晶圓分類機(jī)以前從未有過的。由于Spartan EFEM主機(jī)運(yùn)行VxWorks，我能夠從一個(gè)遠(yuǎn)程主機(jī)上以客戶機(jī)的模式進(jìn)行完整的分析測試。我能夠徹底測試該系統(tǒng)，以確保任何運(yùn)動(dòng)命令不會(huì)影響該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且通過最佳調(diào)整來發(fā)揮甚至更大的運(yùn)動(dòng)性能?！? 　　MPX運(yùn)動(dòng)編程軟件—Spartan EFEM在開發(fā)和生產(chǎn)線測試中還使用了來自MEI的MPX （運(yùn)動(dòng)編程ActiveX）軟件。MPX是一個(gè)能夠運(yùn)行ActiveX 的軟件包，可在任何ActiveX兼容的環(huán)境中進(jìn)行編程。MPX能夠在生產(chǎn)過程中快速測試Spartan EFEM運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)整參數(shù)，以便快速確定在機(jī)器的性能中是否存在著任何偏差。通過標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP連接遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)的能力給予了Asyst監(jiān)測或分析來自任何位置的數(shù)據(jù)的靈活性。 　　2.3.2 基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制 　　SynqNet 是一個(gè)基于以太網(wǎng)（IEEE 802.3）的物理層高速運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，擁有簡化的數(shù)據(jù)層和定時(shí)模型，以確保能在一個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步操作。其固件/配置下載、遠(yuǎn)程診斷、各節(jié)點(diǎn)的高速伺服同步刷新和容錯(cuò)操作等性能，可完全滿足Asyst 的網(wǎng)絡(luò)要求。 　　Spartan EFEM的控制器和界面都基于創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。全部控制器都通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器來運(yùn)行，以進(jìn)行設(shè)置、配置和診斷。這個(gè)用于控制的中央主機(jī)運(yùn)行VxWorks以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能，VxWorks連接到運(yùn)行一系列ASYST 和MEI軟件工具的基于Windows的操作系統(tǒng)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能背后的思想就是利用來自機(jī)器級到企業(yè)的遠(yuǎn)程診斷能力。全部MEI軟件中的TCP/IP功能再次與ASYST的要求相符，即能夠?qū)C(jī)器信息取出并傳送到世界上任一位置，能夠通過MEI控制器檢索從SynqNet上收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并將其傳送到機(jī)器主機(jī)，在一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò)連接上進(jìn)行傳送以及進(jìn)行遠(yuǎn)程分析。就客戶服務(wù)、機(jī)器可用性和可靠性而言，Spartan EFEM在預(yù)示維護(hù)和現(xiàn)場服務(wù)的效果上，顯然具有明顯的優(yōu)勢。 　　Spartan EFEM基于網(wǎng)絡(luò)的配置工具也具有強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和設(shè)置，通過一個(gè)直觀且方便使用的用戶圖像界面（GUI）完成全部用戶編程，實(shí)現(xiàn)快速操作。 3 實(shí)施效果及用戶反饋 　　綜上所述， Spartan EFEM的設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型EFEM制造過程，以先進(jìn)的MEI SynqNet控制技術(shù)對復(fù)雜的前端解決系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)。從而使Spartan EFEM滿足了半導(dǎo)體廠商對于模塊占用空間、晶圓制造速度及生產(chǎn)安全性的要求，有效地提高了生產(chǎn)率，并深受ASYST用戶的好評。 　　同時(shí)，ASYST也對MEI SynqNet給予了高度的評價(jià)，正像 ASYST科技公司副總裁兼系統(tǒng)部門總經(jīng)理Wayne Nobles所說的：“今天，所有的半導(dǎo)體廠商都已開始規(guī)劃其下一代晶圓廠，他們必將大量使用自動(dòng)化設(shè)備來降低成本并增加生產(chǎn)力。他們關(guān)心的不只是購買成本，也包括整個(gè)系統(tǒng)部署的時(shí)間和成本、各項(xiàng)服務(wù)和維修費(fèi)用，以及因設(shè)備故障和交互操作不良所導(dǎo)致的產(chǎn)能損失等。廠商需要針對這些問題在設(shè)計(jì)工具時(shí)下功夫改正，其中也包括自動(dòng)晶圓處理系統(tǒng)?！笨刂破骷夹g(shù)高級主管Mike Krolak認(rèn)為：“MEI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完全適用于我們的技術(shù)規(guī)格，能夠?qū)崿F(xiàn)基于客戶機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，基于PC 的集中控制，主機(jī)級功能，可擴(kuò)展性，遠(yuǎn)程診斷，以及用于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的各種功能強(qiáng)大的調(diào)整工具?！?