基于LabVIEW的单片式晶片自动化电镀设备通信系统

□ 明志发 □ 郭 帅 □ 桂志刚 □ 王博文

1.上海市智能制造及机器人重点实验室 上海 200072

2.上海新阳半导体材料有限公司 上海 200073

随着科学技术的突飞猛进,半导体制造技术面临日新月异的变化。半导体晶片电镀，就是在硅晶片、砷化镓晶片等衬底的金属层上进行金属的电化学沉积。与微电子制造中其它电子电镀相比，半导体晶片电镀在种类、功能、精度、质量以及电镀方法上均有所不同，技术要求非常高，随着半导体行业的快速发展，对晶片电镀设备的要求越来越高。另外，晶片电镀设备涉及的硬件模块非常多，自动化程度要求高，控制系统应具备较高的安全性和稳定性。由于整个控制系统比较复杂，本系统使用LabVIEW软件为每个工序设计了独立的控制模块，每个模块都可以实现单独作业，极大地提高了设备的稳定性和可维护性。LabVIEW是由美国NI公司开发的，它作为当今最完善、影响力最大的一种图形化编程语言，拥有丰富的工具包，极大地提高了编程者的效率［1-4］。LabVIEW现行的串口通信方式主要有2种：RS232和RS485。LabVIEW现行的网络通信方式有4种：①使用TCP、UDP等传输协议编程；②使用DataSocket技术进行网络通信；③现场实时发布测控程序的网页，异地采用浏览器进行监控；④采用无需协议的远程桌面控制。这些通信方式能使计算机之间和本地不同VI之间的通信得以轻松实现［5］。

1 设备的组成

▲图1 设备外观及布局图

▲图2 晶片电镀设备控制系统图

本设备适用于半导体前道芯片铜互连电镀（Damascene）的工艺流程，包括 E-coating、EDPR、各式清洗等前后处理工序以及化学镀、电镀工序，可根据生产、工艺需要量身定制适用于4～12in（1in=24.5 mm）晶片。设备可实现手动、半自动、全自动控制模式,外观及布局如图1所示，主要包括晶片传送机械手、自动传送装置、调整器、前处理、2个镀Cu槽、2个镀Ni槽、1个镀Au槽、3个水洗槽。自动传送装置用于半导体制造过程中硅晶片的自动传送。采用了安全密封装置，不仅能防止该产品自身产生尘粒，还能够防止晶片出入之际产生的尘粒。前处理是为了提高晶片电镀质量所做的相应处理，在每次完成一次电镀工序后，都会进行一次水洗工序。本设备一共加入了3个水洗槽，大大提高了生产效率，降低了成本。整个加工流程是：晶片传送机械手将晶片从自动传送装置中取出，经过调整器工序，传送到前处理槽，再根据所设定的工艺配方，进行相应的电镀工艺，每完成一次电镀工序，都会经过一次水洗工序，晶片所有工序完成后，将晶片放入自动传送装置中。

系统的通信主要包括：自动传送装置模块、机械手和电镀槽（欧姆龙PLC和电镀直流电源）模块3个部分。上位机使用研华工控机，内部增加多串口卡及千兆以太网卡。图2所示为本设备控制系统图，除了调整器以外，每个槽位都有独立的PLC控制模块，且每个镀槽都可以单独对晶片进行电镀，通过设置不同的工艺参数，可以满足不同的产品需求。

2 基于LabVIVE的串口与自动传送装置之间的通信

自动传送装置用于半导体制造过程中硅晶片的自动传送，能读取晶片信息，包括晶片数量、重片或倾斜等信息，其通信方式采用的是RS232C。在通信过程中，上位机采用被动接收方式接收数据，为保证接收数据的正确性，采用数据帧的方式进行通信。LabVIEW软件通过串口配置节点，设置串口通信的波特率、数据位数、校验方式、停比位等参数，参数设置好后，利用读串口节点读取串口缓冲区的数据，程序中设置每70 ms从串口中读取数据，根据不同的数据作出相应的处理，并将手动和自动模式命令分开处理，防止数据产生冲突而被忽略，整个程序结束时，利用关闭串口节点函数，将占用的串口资源释放掉［6］。

自动传送装置的协议格式见表1，它的所有命令都由ASCLL字符组成。ACK中，串口通信发出的指令格式Command是具体的命令内容，［LF］是命令结束标志。Data/Event是自动传送装置响应的数据，具体有晶片信息、状态等数据，包括错误代码（ERR:xxx+［LF］）等。如果由于外部条件使自动传送装置的状态改变，自动传送装置会响应Event数据，也仅仅是在发送字符ASCLL过程中发生，而其它条件下不会接受到它 的 响 应 。 例 如 ：CFG_SLOTS 17+［LF］， 其 中CFG_SLOTS是设置槽位命令，17是设置的槽位数，［LF］是结束标志。在完成命令后，自动传送装置响应的信息是0+［LF］。在通信过程中，如果发生错误，自动传送装置就会反馈C+Error code+［LF］，如果自动传送装置的状态发生改变，就反馈C+state code+［LF］。

表1 自动传送装置协议格式

表2 机械手协议格式

表3 FINS指令格式

表4 FINS响应格式

3 基于LabVIEW的以太网与机械手的通信

机械手为韩国生产的水平传输机械手，具有高效、快速、平稳等特点。通信方式采用以太网，协议格式见表2。LabVIEW内部集成的TCP/IP协议模块，可以快速实现LabVIEW与机械手之间的以太网通信。TCP协议提供了可靠的网络连接，其整个过程为：首先服务器端通过主机名或者IP地址与端口建立侦听，等待客户端连接，然后客户端根据主机的IP地址和端口号发出连接请求，等到服务器和客户端建立连接后，通过读写函数与 TCP 数据进行通信［7］。

表2中，机械手的Command主要包括位置、参数、移动等指令。ACK是以太网通信发出的指令格式，由“-”开头，中间是具体的通信命令，最后是命令结束标志。Data/NAK是机械手响应的数据，具体有速度、位置等数据， 包括错误代码 （ERR:xxx［CR］［LF］）等。Complete是在命令完成后机械手响应的信息，格式由“>”开头，中间是具体的通信命令，最后是命令结束标志， 例如： 命令格式为 “-PUTINTO/T 2，3，1［CR］［LF］”，表示通过上手臂将晶片旋转 180°后放到镀Cu1 槽中，其中“PUTINTO”表示放晶片，“/T”表示将晶片旋转180°，“2”（开始已定义好的参数）表示镀Cu1槽，“3”表示自动传送装置中第三个槽位的晶片，“1”表示用机械手的上手臂，“［CR］［LF］”是结束标志。 在完成命令后，机械手响应的信息是“>PUTINTO/T 2，3，1［CR］［LF］”。

4 基于LabVIEW的以太网与镀槽模块通信

电镀槽共有3种不同的槽位，槽位内部除了存储不同的电镀液以及进行相应的电镀生产外，其它硬件电器设备一致，因此控制模块的PLC及电气元件都使用相同的型号。本文仅介绍镀槽中的镀Cu1槽，在镀Cu1槽的控制模块中，主要由欧姆龙PLC模块和电镀直流电源与上位机进行通信。

每个镀槽都有独立的PLC控制模块，欧姆龙PLC是基于LabVIEW的以太网来进行通信的，其通信是基于FINS/TCP方式。FINS帧分为FINS指令帧和FINS响应帧两种形式，指令帧在发送FINS指令时使用，响应帧则在接收到FINS指令后对其返回响应时使用，它们都是由一个FINS报文 （存储传输控制信息）、一个FINS指令域（存储一个FINS指令）以及一个FINS参数/数据域（存储指令参数和发送/响应数据）所组成。响应帧的FINS指令域内容与所接收到的FINS指令域相同。

表3是FINS指令格式，表4是FINS响应格式，ICF为信息控制域，用于标明指令和响应；RSV为系统保留；CGT为网关允许数据目；DNA为目的网纲号；DA1为目的节点号；DA2为目的单元号；SNA为源网络号；SA1为源网节点；SA2为源单元号；SID为服务和响应的标识号，可任意设置，指令各响应对应相同；MRC和SRC分别为FINS指令的主指令和从指令；参数/数据域，用于标明所操作的数据地址、范围等，在表4中MRES和SRES构成响应码，用来检测数据错误信息［8］。

欧姆龙PLC的以太网通信通过发送FINS指令实现，上位机发送FINS指令，可以直接读取或写入PLC相应的数据，PLC部分无需编写接收和发送程序。本系统采用LabVIEW的TCP/IP实现通信，上位机向PLC发送FINS指令，读取PLC的内存区域数据。

▲图3 操作界面的主要界面

电镀直流电源使用美国艾德科斯公司产品，是单输出直流功率开关电源，配有RS232/USB/GPIB/以太网通信接口，本系统采用以太网与上位机进行通信。以太网通信基本原理是一样的，在电镀直流电源控制过程中，只需对电流进行设置，通信指令比较简单，整个设备的主要操作界面如图3所示。

5 结束语

整个通信系统中，各工序模块都有独立的通信系统，通过上位机协调各模块之间的通信，彼此独立编写的通信系统模块，确定各模块之间的数据交换安全可靠，同时也很好地处理了整个系统的人机交互，数据采集，数据监控和状态显示。本系统自动化程度高，减轻劳动强度，减少人为操作的失误，每个动作结合紧凑，极大地提高了晶片电镀的安全性和稳定性。

［1］ 张伟锋，曹颖杰，李永红.圆片级电镀技术探讨［C］.2010中国电子制造技术论坛，成都，2010.

［2］ 段晋胜，魏红军，胡子卿.晶圆精密电镀中的垂直剪切镀设备的研制［J］.电子工艺技术，2013，34（3）.

［3］ 刘子玉，蔡坚，王谦，等.硅晶圆上窄节距互连铜凸点［J］.清华大学学报，2014，54（1）.

［4］ Richar Hollman.双面电镀在先进封装中应用的可行性研究［J］.电子工业专用设备，2012，206（17）.

［5］ 刘龙启，李银.基于LabVIEW的以太网数据监听与通信［J］.国外电子测量技术，2012，31（7）.

［6］ 吕向锋，高洪林，马亮.基于LabVIEW串口通信的研究［J］.国外电子测量技术，2009，28（12）.

［7］ 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典［M］北京：电子工业出版社，2013.

［8］ 戴斌，朱建平，袁焱.基于FINS协议的OMRON PLC与上位机以太网通信的实现［J］.电子技术，2009，9（14）.