摘要：美國ASYST科技公司，是專門提供晶圓生產(chǎn)線所需自動化設備的供應商，目前在設計與測試集成系統(tǒng)領域處于全球領先地位。面對持續(xù)發(fā)展的巨大市場，為提升制造設備性能，進而提高半導體制造生產(chǎn)率，ASYST采用MEI和SynqNet技術，成功完成了革命性的機器人控制EFEM核心部分的設計。 1 用戶概況及用戶需求 　　2005年3月10日，國際半導體設備及材料協(xié)會（SEMI）公布了半導體設備行業(yè)的最新報告。該報告稱，由于市場對新型高端晶片設備的需求強勁，2004年全球半導體設備生產(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、臺灣等地相繼成為晶片生產(chǎn)設備的最大市場，全球的半導體廠商越來越多地將其晶圓廠設在亞太地區(qū)。面對市場的快速發(fā)展和競爭的加劇，半導體產(chǎn)業(yè)界一直在尋找同時具有高性能和低成本的晶圓處理解決方案。 　　作為全球領先的半導體設計與測試集成系統(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，以繼續(xù)在半導體制造設備設計及解決方案上保持領導地位，開始制造針對下一代半導體的制造設備前端模塊（EFEM）。 　　對于半導體廠商來講，他們對于生產(chǎn)率的關注主要集中在以下幾個方面： 　　如何縮小半導體制造設備前端模塊（EFEM）操作所需的空間——空間的寶貴驅(qū)使設備制造商不斷地將實現(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)非常關鍵，任何差錯，尤其是在運動控制中的差錯都意味著巨大的經(jīng)濟損失。 2 設計方案及實施效果 　　ASYST的SpartanTM EFEM 項目充分考慮了半導體制造的要求，明確了要采用數(shù)字運動網(wǎng)絡，并最終選擇MEI 和SynqNet R 技術作為Spartan EFEM 系統(tǒng)的關鍵控制部分，完成了晶圓廠前端制成革命性的自動化工具的設計和制造。MEI 和SynqNet R 技術滿足甚至超過了對運動性能的嚴格要求，實現(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體制造設備前端模塊（EFEM）的要求。 [align=center] 設計創(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器的雙抓爪直角坐標型機器人，生產(chǎn)率高。[/align] 　　MEI和SynqNet R 技術能實現(xiàn)配線的顯著減少和配線速度的提高，這顯然推動了ASYST作出最終決定。同時，運動網(wǎng)絡的設計也必須確保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計要素，從以下幾方面對Spartan EFEM進行了創(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)品中最小型化的設計，不僅超過了適用于現(xiàn)有設備尺寸的SEMI標準，并且在市場上建立了新的標準。ASYST的工程師重新考慮了Spartan EFEM 內(nèi)部的機器人設計，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，同時大大降低了Spartan EFEM 的總重量。同時，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 　　在整個設計中，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)上進行了極大的創(chuàng)新，以滿足效率要求，其中，MEI 運動控制器也發(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器的雙抓爪直角坐標型機器人以進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。機器人的Z 軸為側(cè)面固定設計，從而避免了在平面關節(jié)型（Scrara）晶圓輸送機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)和過濾功能的先進微粒控制器，Spartan EFEM 的設計能夠滿足ISO Class 1 水平和較好的微環(huán)境選項。 　　該設計除了去除Spartan EFEM 下面的部分，還創(chuàng)新了裝載端口的設計，與標準裝載端口相比，從根本上降低了總成本，并極大地改善了加工集成。 Spartan EFEM 使用嚴格的專利框架設計，大大降低了在現(xiàn)有工具上的安裝時間。Spartan EFEM 統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)點使裝載端口能夠直觀且及時地進行校準工作。 　　在設計的創(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應用在各種場合。這種雙重工具性能和靈活性能夠幫助ASYST實現(xiàn)快速定制，以滿足其客戶的嚴格要求。 　　2.2.2 MEI運動控制器 　　由于工作空間非常狹小，ASYST需要設計有效控制機器人的復雜路徑。據(jù)ASYST控制器技術高級主管Mike Krolak 表示:“MEI軟件的能力和靈活性使我們能夠進行非常復雜的路徑計劃，并利用MPI （運動編程庫C/C++）的能力，作為我們基于網(wǎng)絡的用戶圖像界面（GUI）的運動引擎。而GUI 能夠為我們的客戶提供一個便于使用的操作界面，同時使用戶能夠‘示教’該機器人以適應他們的特殊應用。” 　　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，Kollmorgen Servotronix 集團、Danaher Motion提供定制雙軸SynqNet伺服驅(qū)動器。 　　像大多數(shù)全MEI SynqNet應用一樣，運動控制器必須與視覺系統(tǒng)、輸入/輸出和其它反饋設備可靠地相互作用才能實現(xiàn)運動控制的精度和速度。Krolak表示：“MEI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完全適用于我們的技術規(guī)格，能夠?qū)崿F(xiàn)基于客戶機的運動控制，基于PC 的集中控制，主機級功能，可擴展性，遠程診斷，以及用于數(shù)字網(wǎng)絡的各種功能強大的調(diào)整工具。” 　　2.3 系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性 　　Spartan EFEM的設計要求具有極強的穩(wěn)定型，ASYST通過采用MEI 控制軟件和SynqNet基于網(wǎng)絡的運動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了這一特性。 　　2.3.1 MEI控制軟件 　　遠程診斷能力—Krolak表示：“我們很注重Spartan EFEM 的遠程診斷能力。由于所有的MEI軟件工具可以接受TCP/IP并且可以作為一臺客戶機運行，我們能夠遠程運行全部診斷軟件，并能訪問SynqNet 驅(qū)動器和實際系統(tǒng)的機械部分。我們具有這樣運行的能力是絕對至關重要的。” 　　運動數(shù)據(jù)精確分析—ASYST采用核心MEI編程軟件庫、運動編程界面（MPI）以及像MotionScope這樣的實時分析工具，來實現(xiàn)精確的運動數(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，例如處理時間的反應，對數(shù)據(jù)進行描述和比較，直到獲得我想要的結(jié)果為止。重要的是這個數(shù)據(jù)是實時的，讓我在調(diào)整系統(tǒng)性能參數(shù)時，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工具，以實現(xiàn)在其它運動軟件包中從前所未見的高水平機器調(diào)整。Krolak說：“BodeTool將我對機械反應的可見性水平帶到了一個全新水平。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SynqNet運動控制器，我能夠同時激發(fā)任一軸或者兩個軸，并看到象Asyst Spartan那樣的系統(tǒng)頻率反應。這是EFEM/晶圓分類機以前從未有過的。由于Spartan EFEM主機運行VxWorks，我能夠從一個遠程主機上以客戶機的模式進行完整的分析測試。我能夠徹底測試該系統(tǒng)，以確保任何運動命令不會影響該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且通過最佳調(diào)整來發(fā)揮甚至更大的運動性能。” 　　MPX運動編程軟件—Spartan EFEM在開發(fā)和生產(chǎn)線測試中還使用了來自MEI的MPX （運動編程ActiveX）軟件。MPX是一個能夠運行ActiveX 的軟件包，可在任何ActiveX兼容的環(huán)境中進行編程。MPX能夠在生產(chǎn)過程中快速測試Spartan EFEM運動系統(tǒng)和調(diào)整參數(shù)，以便快速確定在機器的性能中是否存在著任何偏差。通過標準的TCP/IP連接遠程獲取數(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)絡的運動控制 　　SynqNet 是一個基于以太網(wǎng)（IEEE 802.3）的物理層高速運動網(wǎng)絡，擁有簡化的數(shù)據(jù)層和定時模型，以確保能在一個系統(tǒng)中的各個節(jié)點進行同步操作。其固件/配置下載、遠程診斷、各節(jié)點的高速伺服同步刷新和容錯操作等性能，可完全滿足Asyst 的網(wǎng)絡要求。 　　Spartan EFEM的控制器和界面都基于創(chuàng)新的網(wǎng)絡服務。全部控制器都通過一個標準網(wǎng)絡瀏覽器來運行，以進行設置、配置和診斷。這個用于控制的中央主機運行VxWorks以實現(xiàn)實時性能，VxWorks連接到運行一系列ASYST 和MEI軟件工具的基于Windows的操作系統(tǒng)。這個網(wǎng)絡功能背后的思想就是利用來自機器級到企業(yè)的遠程診斷能力。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上收集的實時數(shù)據(jù)并將其傳送到機器主機，在一個安全的網(wǎng)絡連接上進行傳送以及進行遠程分析。就客戶服務、機器可用性和可靠性而言，Spartan EFEM在預示維護和現(xiàn)場服務的效果上，顯然具有明顯的優(yōu)勢。 　　Spartan EFEM基于網(wǎng)絡的配置工具也具有強大的聯(lián)網(wǎng)功能，能夠進行遠程配置和設置，通過一個直觀且方便使用的用戶圖像界面（GUI）完成全部用戶編程，實現(xiàn)快速操作。 3 實施效果及用戶反饋 　　綜上所述， Spartan EFEM的設計改變了傳統(tǒng)的勞動密集型EFEM制造過程，以先進的MEI SynqNet控制技術對復雜的前端解決系統(tǒng)進行了創(chuàng)新和改進。從而使Spartan EFEM滿足了半導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，ASYST也對MEI SynqNet給予了高度的評價，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化設備來降低成本并增加生產(chǎn)力。他們關心的不只是購買成本，也包括整個系統(tǒng)部署的時間和成本、各項服務和維修費用，以及因設備故障和交互操作不良所導致的產(chǎn)能損失等。廠商需要針對這些問題在設計工具時下功夫改正，其中也包括自動晶圓處理系統(tǒng)。”控制器技術高級主管Mike Krolak認為：“MEI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完全適用于我們的技術規(guī)格，能夠?qū)崿F(xiàn)基于客戶機的運動控制，基于PC 的集中控制，主機級功能，可擴展性，遠程診斷，以及用于數(shù)字網(wǎng)絡的各種功能強大的調(diào)整工具。”