尤新勇,劉克新,李 翰

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司半導(dǎo)體事業(yè)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.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司半導(dǎo)體事業(yè)部，湖南株洲 412001）

0 引言

從設(shè)備管理角度來說，諸如設(shè)備開動(dòng)率、設(shè)備停機(jī)率、設(shè)備故障率乃至現(xiàn)在比較受歡迎的設(shè)備綜合效率（OEE）等都是企業(yè)設(shè)備管理的重要指標(biāo)和企業(yè)持續(xù)改善的重要參數(shù)[1]。在設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集方面，從最初的依賴操作人員的手動(dòng)點(diǎn)檢錄入，到簡單的設(shè)備電路計(jì)時(shí)，所獲得的數(shù)據(jù)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且其真實(shí)性和有效性也不能使人滿意。提出一個(gè)利用設(shè)備自身的PLC或工業(yè)計(jì)算機(jī)，來代替繁瑣的人工錄入或者昂貴的MES系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)營數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。在制造過程中，最簡單的功率晶閘管器件也需要經(jīng)過至少2次的光刻工藝，所以光刻設(shè)備作為功率半導(dǎo)體制造過程中的關(guān)鍵設(shè)備和產(chǎn)能瓶頸設(shè)備，其資產(chǎn)運(yùn)行效率直接影響了整條工藝線的運(yùn)行節(jié)拍。以在半導(dǎo)體制造行業(yè)通用的94-25C型半自動(dòng)光刻機(jī)（四川南光真空科技有限公司生產(chǎn)）為例，說明該系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)效果。

1 設(shè)備簡介

1.1 設(shè)備工藝介紹

光刻機(jī)是功率半導(dǎo)體器件制造工藝中必不可少的工藝設(shè)備之一，主要利用光刻膠的光敏感特性和特定波長的紫外光，實(shí)現(xiàn)將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)“復(fù)制”到硅片上的作用。光刻機(jī)的分辨率和重復(fù)對(duì)準(zhǔn)精度，往往可以決定半導(dǎo)體企業(yè)的晶圓加工的工藝能力。

1.2 設(shè)備動(dòng)作介紹

（1）開機(jī)。操作人員打開計(jì)算機(jī)后，指揮設(shè)備內(nèi)部的PLC發(fā)出指令開啟汞燈電源，對(duì)汞燈進(jìn)行預(yù)熱。

（2）裝片。半自動(dòng)光刻機(jī)采用手動(dòng)裝片后，指揮PLC打開真空控制閥，將硅片固定在承片臺(tái)上。

（3）自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。該設(shè)備配置光學(xué)CCD傳感器，利用設(shè)備計(jì)算機(jī)配合PLC控制承片臺(tái)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)記號(hào)后，由操作員手工微調(diào)并確認(rèn)。

（4）曝光頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)就位。對(duì)準(zhǔn)確認(rèn)后，設(shè)備主控PLC發(fā)出指令曝光頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到位。

（5）定時(shí)曝光。曝光頭到位后，PLC根據(jù)程序設(shè)定曝光時(shí)間，打開快門，對(duì)硅片進(jìn)行定時(shí)曝光。

（6）曝光頭自動(dòng)回位。定時(shí)曝光結(jié)束后，PLC發(fā)出指令曝光頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)回位。

（7）取片。曝光頭回位后，操作者手動(dòng)釋放真空并取出硅片。

（8）關(guān)機(jī)。產(chǎn)品加工完成后，操作者指揮設(shè)備內(nèi)部的PLC發(fā)出指令關(guān)閉汞燈電源，關(guān)閉計(jì)算機(jī)后，切斷設(shè)備電源。

2 數(shù)據(jù)需求設(shè)計(jì)

由于該設(shè)備以PLC為控制中心，其主要?jiǎng)幼鞫际峭ㄟ^PLC發(fā)出指令完成的。從設(shè)備設(shè)計(jì)控制原理來說，設(shè)備的使用狀態(tài)變化都可以根據(jù)PLC的輸入輸出指令表的狀態(tài)變化（表1）。設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)單元并進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)識(shí)。

（1）故障停機(jī)時(shí)間。在軟件面板設(shè)置設(shè)備故障按鍵，故障報(bào)修時(shí)由操作員點(diǎn)擊開始計(jì)時(shí)，故障修復(fù)后由操作員驗(yàn)收復(fù)位則計(jì)時(shí)結(jié)束。故障停機(jī)時(shí)間=∑各故障停機(jī)時(shí)間。

（2）開機(jī)時(shí)間。設(shè)備開機(jī)時(shí)間=負(fù)荷時(shí)間（每天中PLC指令汞燈電源得電到指令汞燈電源關(guān)閉的累計(jì)時(shí)間）-設(shè)備故障時(shí)間，單位小時(shí)。

（3）凈工作時(shí)間?？紤]到汞燈電源得電后，存在汞燈預(yù)熱、制造計(jì)劃導(dǎo)致設(shè)備開啟后閑置的情況存在，而設(shè)備進(jìn)行工藝時(shí)必然存在曝光頭不斷旋轉(zhuǎn)和回位的狀態(tài)變化（且狀態(tài)變化間隔不可能超過5 min的極限工藝曝光時(shí)間）。因此，定義從快門開啟的時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，歷經(jīng)整個(gè)工作時(shí)間，直到快門關(guān)閉且5 min之內(nèi)未再次開啟時(shí)，則本階段計(jì)時(shí)結(jié)束（設(shè)備故障狀態(tài)下的快門狀態(tài)變化，不計(jì)入凈工作時(shí)間和加工數(shù)量）。凈工作時(shí)間=∑各階段計(jì)時(shí)，單位小時(shí)。

（4）加工數(shù)量。每加工一片硅片，快門需要狀態(tài)變化一次。加工數(shù)量=快門開啟次數(shù)。

（5）時(shí)間開動(dòng)率。設(shè)備時(shí)間開動(dòng)率=開動(dòng)時(shí)間/負(fù)荷時(shí)間（每日應(yīng)工作時(shí)間-計(jì)劃停機(jī)時(shí)間）100%，保留小數(shù)點(diǎn)后2位。

（6）凈開動(dòng)率。凈開動(dòng)率=凈工作時(shí)間/應(yīng)工作時(shí)間100%，保留小數(shù)點(diǎn)后2位。

（7）速度開動(dòng)率。速度開動(dòng)率=標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)/（凈工作時(shí)間/加工數(shù)量）。

（8）合格品率。每班結(jié)束時(shí)，由操作員工在軟件手動(dòng)錄入不合格品數(shù)量（默認(rèn)值=0）后，則合格品率=（加工數(shù)量-不合格品數(shù)量）/加工數(shù)量100%，保留小數(shù)點(diǎn)后2位。

（9）設(shè)備綜合效率（OEE）。設(shè)備綜合效率=時(shí)間開動(dòng)率×速度開動(dòng)率×合格品率[1]，保留小數(shù)點(diǎn)后2位。

（10）汞燈工作壽命。每次維修人員更換汞燈后，手動(dòng)點(diǎn)擊更換汞燈按鍵，即開始新的一個(gè)汞燈生命周期，軟件自動(dòng)累計(jì)并保存上一汞燈生命周期內(nèi)的汞燈電源開啟時(shí)間（含故障停機(jī)時(shí)間內(nèi)的汞燈電源開啟時(shí)間），即為上一汞燈的使用壽命。

（11）曝光照度不均勻性。操作人員每天工作前錄入利用紫外輻照度計(jì)測量的5組曝光區(qū)域內(nèi)的照度數(shù)據(jù)（輻照能功率密度），軟件自動(dòng)計(jì)算并保存曝光照度的平均值和不均勻性指標(biāo)，如平均值和不均勻性指標(biāo)溢出設(shè)備（或工藝）允許范圍則提醒操作員進(jìn)行調(diào)整或報(bào)修。

曝光照度不均勻性=（Max（照度數(shù)據(jù)）-Min（照度數(shù)據(jù)））/Avg（照度數(shù)據(jù)）。

表1 PLC輸入輸出指令表

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與效果驗(yàn)證

系統(tǒng)利用設(shè)備自帶的PLC上的RS232通信接口，通過RS-232C通信電纜與工控電腦上的MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。計(jì)算機(jī)讀取PLC的數(shù)據(jù)狀態(tài)，通過MCGS組態(tài)軟件的運(yùn)行策略進(jìn)行計(jì)算，得到需要統(tǒng)計(jì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

（1）雙擊桌面“MCGS組態(tài)環(huán)境”圖標(biāo)，開始運(yùn)行管理軟件開始運(yùn)行。

（2）歷史數(shù)據(jù)記錄（圖1）。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。人工錄入起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，點(diǎn)擊“查詢”按鈕，自動(dòng)計(jì)算并顯示從起始時(shí)間到結(jié)束時(shí)間這一時(shí)間段的數(shù)據(jù)（圖2）。

（4）數(shù)據(jù)導(dǎo)出（圖3）。點(diǎn)擊“開機(jī)時(shí)間導(dǎo)出”、“有效時(shí)間導(dǎo)出”按鈕，10 s后分別將開機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表和有效工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)表以Excel表格形式導(dǎo)出到D：導(dǎo)出數(shù)據(jù)（當(dāng)日日期）開機(jī)時(shí)間.xls和D：導(dǎo)出數(shù)據(jù)（當(dāng)日日期）有效時(shí)間.xls。

（5）汞燈壽命統(tǒng)計(jì)。更換汞燈后，請(qǐng)先登錄，再點(diǎn)擊“更換汞燈”按鈕，自動(dòng)生成新的汞燈編號(hào)（原汞燈編號(hào)+1）。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)更新”按鈕，汞燈壽命統(tǒng)計(jì)表自動(dòng)生成已報(bào)廢汞燈的記錄。當(dāng)前使用的汞燈數(shù)據(jù)見圖4，歷史汞燈壽命統(tǒng)計(jì)見圖5。

圖1 歷史數(shù)據(jù)記錄

圖2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

圖4 當(dāng)前使用的汞燈數(shù)據(jù)

圖5 歷史汞燈壽命統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

基于光刻設(shè)備控制信號(hào)變化的設(shè)備綜合效率（OEE）分析軟件，可以很真實(shí)和便捷地獲得設(shè)備的各種運(yùn)行效率（含OEE）、設(shè)備關(guān)鍵部件（汞燈）壽命、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（如曝光照度不均勻性）等運(yùn)營關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)提升設(shè)備用戶的資產(chǎn)運(yùn)營水平，投資后評(píng)價(jià)甚至設(shè)備制造商的設(shè)備自動(dòng)化水平有著很大的幫助。該軟件可以通過適當(dāng)修改各參數(shù)的計(jì)算方式，就可以推廣到其他類型的設(shè)備中去[2]，具有很好的推廣效果。

［1］魏昌盛.真空鍍膜機(jī)的設(shè)備綜合效率計(jì)算方法［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品.2011（2）：165-166.

［2］趙炯，李呈光，肖豪，等.大型設(shè)備機(jī)載智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電一體化.2015（8）：45-46.