基于计算机技术的光刻设备数据采集分析系统

尤新勇,刘克新,李 翰

（1.株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部，湖南株洲 412001；2.四川南光真空科技有限公司，四川成都 610000；3.株洲中车时代电气股份有限公司半导体事业部，湖南株洲 412001）

0 引言

从设备管理角度来说，诸如设备开动率、设备停机率、设备故障率乃至现在比较受欢迎的设备综合效率（OEE）等都是企业设备管理的重要指标和企业持续改善的重要参数[1]。在设备基础数据采集方面，从最初的依赖操作人员的手动点检录入，到简单的设备电路计时，所获得的数据不仅费时费力而且其真实性和有效性也不能使人满意。提出一个利用设备自身的PLC或工业计算机，来代替繁琐的人工录入或者昂贵的MES系统的设备运营数据采集和分析系统。在制造过程中，最简单的功率晶闸管器件也需要经过至少2次的光刻工艺，所以光刻设备作为功率半导体制造过程中的关键设备和产能瓶颈设备，其资产运行效率直接影响了整条工艺线的运行节拍。以在半导体制造行业通用的94-25C型半自动光刻机（四川南光真空科技有限公司生产）为例，说明该系统的基本设计思路和实现效果。

1 设备简介

1.1 设备工艺介绍

光刻机是功率半导体器件制造工艺中必不可少的工艺设备之一，主要利用光刻胶的光敏感特性和特定波长的紫外光，实现将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的作用。光刻机的分辨率和重复对准精度，往往可以决定半导体企业的晶圆加工的工艺能力。

1.2 设备动作介绍

（1）开机。操作人员打开计算机后，指挥设备内部的PLC发出指令开启汞灯电源，对汞灯进行预热。

（2）装片。半自动光刻机采用手动装片后，指挥PLC打开真空控制阀，将硅片固定在承片台上。

（3）自动对准。该设备配置光学CCD传感器，利用设备计算机配合PLC控制承片台自动对准记号后，由操作员手工微调并确认。

（4）曝光头自动旋转就位。对准确认后，设备主控PLC发出指令曝光头自动旋转到位。

（5）定时曝光。曝光头到位后，PLC根据程序设定曝光时间，打开快门，对硅片进行定时曝光。

（6）曝光头自动回位。定时曝光结束后，PLC发出指令曝光头自动旋转回位。

（7）取片。曝光头回位后，操作者手动释放真空并取出硅片。

（8）关机。产品加工完成后，操作者指挥设备内部的PLC发出指令关闭汞灯电源，关闭计算机后，切断设备电源。

2 数据需求设计

由于该设备以PLC为控制中心，其主要动作都是通过PLC发出指令完成的。从设备设计控制原理来说，设备的使用状态变化都可以根据PLC的输入输出指令表的状态变化（表1）。设计计时单元并进行状态标识。

（1）故障停机时间。在软件面板设置设备故障按键，故障报修时由操作员点击开始计时，故障修复后由操作员验收复位则计时结束。故障停机时间=∑各故障停机时间。

（2）开机时间。设备开机时间=负荷时间（每天中PLC指令汞灯电源得电到指令汞灯电源关闭的累计时间）-设备故障时间，单位小时。

（3）净工作时间。考虑到汞灯电源得电后，存在汞灯预热、制造计划导致设备开启后闲置的情况存在，而设备进行工艺时必然存在曝光头不断旋转和回位的状态变化（且状态变化间隔不可能超过5 min的极限工艺曝光时间）。因此，定义从快门开启的时刻开始计时，历经整个工作时间，直到快门关闭且5 min之内未再次开启时，则本阶段计时结束（设备故障状态下的快门状态变化，不计入净工作时间和加工数量）。净工作时间=∑各阶段计时，单位小时。

（4）加工数量。每加工一片硅片，快门需要状态变化一次。加工数量=快门开启次数。

（5）时间开动率。设备时间开动率=开动时间/负荷时间（每日应工作时间-计划停机时间）100%，保留小数点后2位。

（6）净开动率。净开动率=净工作时间/应工作时间100%，保留小数点后2位。

（7）速度开动率。速度开动率=标准工时/（净工作时间/加工数量）。

（8）合格品率。每班结束时，由操作员工在软件手动录入不合格品数量（默认值=0）后，则合格品率=（加工数量-不合格品数量）/加工数量100%，保留小数点后2位。

（9）设备综合效率（OEE）。设备综合效率=时间开动率×速度开动率×合格品率[1]，保留小数点后2位。

（10）汞灯工作寿命。每次维修人员更换汞灯后，手动点击更换汞灯按键，即开始新的一个汞灯生命周期，软件自动累计并保存上一汞灯生命周期内的汞灯电源开启时间（含故障停机时间内的汞灯电源开启时间），即为上一汞灯的使用寿命。

（11）曝光照度不均匀性。操作人员每天工作前录入利用紫外辐照度计测量的5组曝光区域内的照度数据（辐照能功率密度），软件自动计算并保存曝光照度的平均值和不均匀性指标，如平均值和不均匀性指标溢出设备（或工艺）允许范围则提醒操作员进行调整或报修。

曝光照度不均匀性=（Max（照度数据）-Min（照度数据））/Avg（照度数据）。

表1 PLC输入输出指令表

3 系统实现与效果验证

系统利用设备自带的PLC上的RS232通信接口，通过RS-232C通信电缆与工控电脑上的MCGS组态软件进行数据交换。计算机读取PLC的数据状态，通过MCGS组态软件的运行策略进行计算，得到需要统计的各项数据。

（1）双击桌面“MCGS组态环境”图标，开始运行管理软件开始运行。

（2）历史数据记录（图1）。

（3）数据统计。人工录入起始时间和结束时间，点击“查询”按钮，自动计算并显示从起始时间到结束时间这一时间段的数据（图2）。

（4）数据导出（图3）。点击“开机时间导出”、“有效时间导出”按钮，10 s后分别将开机时间统计表和有效工作时间统计表以Excel表格形式导出到D：导出数据（当日日期）开机时间.xls和D：导出数据（当日日期）有效时间.xls。

（5）汞灯寿命统计。更换汞灯后，请先登录，再点击“更换汞灯”按钮，自动生成新的汞灯编号（原汞灯编号+1）。点击“数据更新”按钮，汞灯寿命统计表自动生成已报废汞灯的记录。当前使用的汞灯数据见图4，历史汞灯寿命统计见图5。

图1 历史数据记录

图2 数据统计

图3 数据导出

图4 当前使用的汞灯数据

图5 历史汞灯寿命统计

4 结束语

基于光刻设备控制信号变化的设备综合效率（OEE）分析软件，可以很真实和便捷地获得设备的各种运行效率（含OEE）、设备关键部件（汞灯）寿命、设备状态数据（如曝光照度不均匀性）等运营关键参数，对提升设备用户的资产运营水平，投资后评价甚至设备制造商的设备自动化水平有着很大的帮助。该软件可以通过适当修改各参数的计算方式，就可以推广到其他类型的设备中去[2]，具有很好的推广效果。

［1］魏昌盛.真空镀膜机的设备综合效率计算方法［J］.中国新技术新产品.2011（2）：165-166.

［2］赵炯，李呈光，肖豪，等.大型设备机载智能数据采集系统设计［J］.机电一体化.2015（8）：45-46.