CC BY
12
DOI 10.36622^Ти.2022.18.3.002 УДК 62-503.55
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ НАНЕСЕНИЯ ФОТОРЕЗИСТА
А.Н. Анненков, О.В. Белоусова Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: уровень технологий фотолитографии и оборудования для их реализации является определяющим критерием достижения требуемых проектных норм в микроэлектронике, радиоэлектронике, оптике и микроэлектромеханических системах. Работа связана с разработкой аппаратного состава системы управления автоматизированной технологической установкой нанесения фоторезиста, выполненной в кластерном конструктивном исполнении с контролируемой газовой средой, а также созданием пакета её программного обеспечения. В соответствии с разработанными алгоритмами управления, разрядными сетками обработки команд и сигналов датчиков, а также циклограммами работы на каждый модуль и установку в целом был создан пакет программного обеспечения, предназначенный для управления узлами и модулями автоматизированной установки нанесения фоторезиста УНФ -200А, логирования в базу технических характеристик узлов и модулей, а также показателей технологического процесса для мониторинга этих значений на экране. Программа состоит из нескольких главных модулей, а именно: модулей транспорта, термообработки, термостабилизации, загрузчика, приёмника, нанесения, а также вспомогательных модулей: работа с базой данных, вывод показателей, логирование, взаимодействие с промышленными логическими контроллерами и обработка ошибок. Разработанное программное обеспечение отрабатывает ряд блокировок, введённых во избежание не предусмотренной регламентом обработки подложек, а также для выхода из строя модулей установки или причинения вреда здоровью обслуживающего персонала. Интерфейс программного обеспечения имеет средства вывода сообщения о срабатывании блокировок, а также способы снятия блокировок
Ключевые слова: автоматическая установка нанесения фоторезиста, кластерное конструктивное исполнение, контролируемая газовая среда, система управления, функциональные технологические модули, программное обеспечение
Актуальность и проблематика работы
Технологии фотолитографии применяются для формирования топологического рельефа на поверхности подложек из различных материалов (кремний, пьезокерамика, кварц, оптическое стекло и т.д.) при производстве элементной базы в микроэлектронике, радиоэлектронике, оптике, микроэлектромеханических системах. Оборудование, на котором они реализованы, в значительной степени определяет технический прогресс в ряде важнейших современных производств.
В целом уровень технологий фотолитографии и оборудования для их реализации является определяющим критерием достижения требуемых проектных норм. Для большинства российских производителей электронной комплектующей базы сегодня актуальным является технологическое перевооружение своего производства для работы на подложках диаметром 150 и 200 мм с критическими размерами 0,18 и 0,35 мкм. Российские предприятия с лидирующими позициями на рынке отечественной микроэлектроники в настоящее вре-
© Анненков А.Н., Белоусова О.В., 2022
мя имеют уровень технологии 0,090 0,065 мкм.
С точки зрения окупаемости и удовлетворения ряда потребителей в современном высокотехнологичном оборудовании, сегодня актуальна задача разработки автоматизированных установок, выполненных в кластерном конструктивном исполнении с контролируемой газовой средой, состоящей из ряда технологических модулей, полностью закрывающих каждую технологическую операцию фотолитографии. В дальнейшем возможно их объединение в кластерный комплекс. Данный подход отражён в разработках конструкторского бюро технологических машин [1], входящего в инженерно - технический центр АНОО ВО «Международный институт компьютерных технологий» [2].
Назначение автоматизированной установки нанесения фоторезиста - формирование на полупроводниковой пластине (подложке) слоя плёнки из раствора полимера с заданными значениями толщины и разнотолщинности.
Общий вид автоматизированной установки нанесения фоторезиста приведён на рис. 1. Технические характеристики установки приведены в [1].
Рис. 1. Автоматическая установка нанесения фоторезиста
Основные модули установки: система управления установкой; транспортный модуль (робот-манипулятор); модуль центрифуги; модули приёмки и загрузки п/п пластин; модуль инструмента (дозатора); модуль термообработки; модуль термостабилизации.
В соответствии с разработанными алгоритмами управления, разрядными сетками обработки команд и сигналов датчиков, а также циклограммами работы на каждый модуль и установку в целом был создан новый пакет программного обеспечения (ПО) для блока управления автоматизированной установки фоторезиста в кластерном конструктивном исполнении с контролируемой газовой средой.
Далее рассмотрим структуру аппаратной части системы управления и примеры разрядных сеток обработки команд и сигналов датчиков, а также циклограмм работы отдельных модулей.
Описание аппаратной части системы управления
Аппаратная часть установки, с точки зрения системы управления, представляет собой ряд устройств, каждое из которых обладает набором входных и выходных сигналов определенного типа.
Состав системы управления представляется в виде трёх иерархических уровней. На верхнем уровне расположен промышленный компьютер с различными платами (устройствами) расширения под управлением операционной системы Windows. Среда разработки ПО - C++ [3]. На втором уровне размещены программируемые логические контроллеры (ПЛК) фирмы Siemens [4] или их китайские аналоги. На нижнем уровне системы управления размещены блоки управления двигателями, сервоприводами и исполнительными механизмами.
Подключение ПЛК к промышленному компьютеру осуществляется посредством COM портов. Номера портов с четвертого по шестой. Параметры COM порта: 9600 бит/сек,
8 бит данных, четность не контролируется, 1 стартовый и 1 стоповый биты. Для подключения используются преобразователи RS-232 -RS-485 фирмы Siemens [5]. Рекомендуемая среда разработки STEP7 [6, 7].
В качестве отдельных единиц в системе управления выделим покупные изделия, которые сопровождаются драйверами и алгоритмами обмена и функционирования. Такие модули подключаются к промышленному компьютеру посредством стандартных интерфейсов (RS-232, USB, Ethernet).
Таковыми модулями являются:
ПИД-регулятор ТРМ-101 СР фирмы ОВЕН [8]. Предназначен для задания и поддержания температуры «горячей» плиты модуля термообработки п/п подложек. Подключение к промышленному компьютеру через преобразователь USB - RS-485 AC-4 фирмы ОВЕН [9]. Параметры обмена через виртуальный COM порт: 9600 бит/сек, 8 бит данных, четность не контролируется, 1 стартовый и 1 стоповый биты. Протокол обмена фирмы ОВЕН.
Электропривод центрифуги. Подключён к промышленному компьютеру через COM порт номер 1. Параметры обмена через COM порт: 9600 бит/сек, 8 бит данных, чётность не контролируется, 1 стартовый и 1 стоповый биты.
Термостат жидкостный ВТВ-1, объем 8 литров. Производитель фирма ТЕРМЕКС. Предназначен для поддержания заданной температуры фоторезиста. Подключение к промышленному компьютеру через COM порт номер 3. Параметры обмена через виртуальный COM порт: 9600 бит/сек, 8 бит данных, четность не контролируется, 1 стартовый и 1 стоповый биты. Протокол обмена фирмы ТЕРМЕКС.
Принято следующее разделение исполнительных и информационных устройств: быстродействующие электромеханические устройства и датчики, требующие импульсного или аналогового управления с высокими частотой и разрешением, и сравнительно инерционные устройства: пневматические клапаны управления пневмоциллиндрами, генераторы и датчики вакуума, которые не предъявляют высоких требований к быстродействию управляющей системы.
Структура программного обеспечения транспортного модуля
Транспортный модуль включает в свой состав как быстродействующие электромеха-
нические элементы (шаговый двигатель со встроенным драйвером), инкрементальный импульсный энкодер, оптический пролётный датчик начального положения координаты поворота и координаты выдвижения, так и сравнительно инерционный генератор вакуума и датчик вакуума. Транспортный модуль представляет собой двухкоординатный манипулятор с вакуумной присоской в качестве рабочего органа.
Манипулятор работает в полярной системе координат, т.е. положение рабочего органа (Р) описывается величиной угла поворота от исходного положения (Ф) и расстоянием от центра вращения манипулятора (р). В качестве пояснения дан рис. 2.
х
Рис. 2. Определение положения рабочего органа в полярной системе координат манипулятора
Основное назначение транспортного модуля в обеспечении позиционирования рабочего органа в ряде точек на рабочей плоскости, а также обеспечения фиксации и расфиксации полупроводниковых подложек (далее подложек) в этих точках. Эти точки связаны со следующими технологическими позициями: загрузки подложек, центрифугирования и нанесения фоторезиста или иного полимера, термообработки, термостабилизации и выгрузки подложек. Необходима процедура и элементы программного интерфейса для задания, настройки и сохранения координат рабочего органа в указанных технологических позициях, а также для проведения пусконаладочных и любых регламентных работ на установке. Необходимо контролировать наличие подложки на рабочем органе манипулятора постоянно в течение всех транспортных операций. В случае исчезновения подложки с рабочего органа в течение транспортной операции должна срабатывать блокировка «НЕТ П/П ПОДЛОЖКИ НА МАНИПУЛЯТОРЕ». Исходным положением, которое является началом отсчета координаты Ф (Ф = 0), является позиция загрузки подложек, положение которой задается датчиком исходного положения координаты пово-
рота. Исходное положение координаты выдвижения манипулятора р (р = 0) задается датчиком исходного положения координаты выдвижения. Управление фиксацией и расфикса-цией подложки на рабочем органе осуществляется с помощью включения и выключения генератора вакуума. Определение факта фиксации и наличия подложки на рабочем органе, а также факта расфиксации (отсутствия подложки) осуществляется с помощью датчика вакуума. Важным требованием является требование недопустимости совершения манипулятором более одного оборота (Ф< 360°) для избежания перекручивания проводов и выхода транспортного модуля из строя. Для обеспечения выполнения этого требования введён датчик конечного положения. В случае получения сигнала от этого датчика необходимо изменить направление вращения манипулятора на противоположное. Изменение координаты Ф осуществляется поворотом манипулятора вокруг своей оси. Поворот осуществляется с помощью шагового двигателя фирмы Festo со встроенным драйвером. Для управления шаговым двигателем используются сигналы «ТМ. ШАГ» и «ТМ. НАПРАВЛЕНИЕ». Для формирования этих сигналов, а также опроса состояния датчиков «ТМ. ПОВОРОТ. ИСХОДНОЕ» и «ТМ. ПОВОРОТ. КОНЕЧНОЕ» назначен ПЛК фирмы Siemens. Поворот манипулятора должен быть запрещен до тех пор, пока координата выдвижения р не равна нулю, т.е. отсутствует сигнал с датчика «ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. ИСХОДНОЕ». Изменение координаты р осуществляется выдвижением рабочего органа манипулятора вдоль прямой, проходящей через ось манипулятора. Выдвижение осуществляется с помощью мотор-редуктора. Обратная связь по положению осуществляется с помощью импульсного инкрементального энкодера, соединенного с первичным валом мотор- редуктора. Определение исходного положения осуществляется с помощью датчика «ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. ИСХОДНОЕ». Управление мотор-редуктором осуществляется с помощью блока BMD производства фирмы «Электропривод» [10] и специально разработанным для него программным обеспечением на основе подхода, изложенного в [11]. Входными сигналами для блока BMD являются сигналы «ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. ПУСК/СТОП» и «ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. НАПРАВЛЕНИЕ». Формирование этих сигналов осуществляется посредством ПЛК. Сигнал с импульсного инкре-ментного энкодера также поступает на ПЛК.
Разрядная сетка для транспортного моду- циклограмма транспортного модуля.
ля приведена в табл. 1, а на рис. 3 приведена
Начальным условием Зля выполнения загрузки п/п побложки является расположение манипулятора 6 юойном по коорЗинате и по ЬыЭЕшенио.
Примечание, олгсриппы btiioroenjsi отЭелыух операций, их грешные условия описсны й разЭеле 1; Вел|г-нны in:-rft <iO и 4 n наатршВаяпся; осущЕсайляпъ ггабсчет прйЬеренных iHeen кассеты lue fanee 25!
Обооидобоние Опероция IP
Модуль зегрузки Приведение 6 исходное 1
Ожидоние кассеты на модуле загрузки 2
Ко = 100: ¿>5 = 12001 ПроЬерка наличия кассеты 3
Опускание но оЗну ячейку кассеты 1д6о этапа) К I 1 П.п-I.ini.ip Г|ррппщ|1| -п^пш п -г Г"."1Г|м|
Приведение 6 исходное по координоте поборота S
Приведение в исходное по координате выдвижения 6 / Р" \
Выдвижение для загрузки п/п подложки 1 3 1
Включение вакуума 8 V S )
Выключение Ьокццио Ч i 1
ПроЬерка датчика вакуума И) /
Транспортный модуль Поборот к модуле центрифуги 11 У
Выдвижение к модуле центрифуги и ---^
Поборот к модулю термообработки И
Выдвижение к медцдю термообработки %
Поворот к подщс те рно стабилизации 1Ь
Выдбижение к подул« термостсюилизации ь
Поворот к модули выгрузки п/п подложки 17
Выдвижение к модулю быгоизки п/п подложки 18
Щ - Лейсггбйя Аля обработки п/п поЭпстки На = .00. = 12001 Щ - Процесс длительность которого определяется текналпгсчетш продрогшей - Опрос бапмжсЬ BmMMjel Еознтнпсть Йлокиробко
Рис. 3. Циклограмма транспортного модуля
Для режима диагностики необходимо обеспечить возможность выполнения следующих команд и индикацию следующих величин:
1. Манипулятор в исходное - по этой команде необходимо сначала осуществить перемещение рабочего органа до датчика «ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. ИСХОДНОЕ», а затем осуществить поворот против часовой стрелки до датчика «ТМ. ПОВОРОТ. ИСХОДНОЕ». Перед началом каждого перемещения по любой координате необходимо проверить наличие сигнала от датчика исходного положения для данной координаты. Алгоритм поиска датчика исходного положения по любой координате должен обеспечивать точное, устойчивое, надежное и воспроизводимое позиционирование в исходном положении.
2. Поворот в исходное - по этой команде необходимо осуществить поворот на малой скорости до получения сигнала с одного из датчиков: ТМ. ПОВОРОТ. ИСХОДНОЕ или ТМ. ПОВОРОТ. КОНЕЧНОЕ.
В случае срабатывания датчика ТМ. ПОВОРОТ. ИСХОДНОЕ цель достигнута. В случае срабатывания датчика ТМ. ПОВОРОТ. КОНЕЧНОЕ необходимо изменить направление движения по координате поворота на противоположное и двигаться до срабатывания датчика ТМ. ПОВОРОТ. ИСХОДНОЕ. Первоначальное направление движения выбирается при отладке.
3. Выдвижение в исходное - по этой команде необходимо осуществить перемещение рабочего органа манипулятора до срабатывания датчика ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. ИСХОДНОЕ.
4. Поворот - по этой команде необходимо осуществить поворот на указанное количество шагов ШД. Положительные значения означают поворот по часовой стрелке, отрицательные - против часовой стрелки.
5. Выдвижение - по этой команде необходимо осуществить перемещение рабочего органа манипулятора по координате выдвижения на указанное количество шагов (импульсов с датчика - энкодера). Положительные значения означают выдвижение от датчика исходного положения, а отрицательные - движение по направлению к датчику исходного положения по данной координате.
6. Включение/выключение вакуума. Визуальное отображение назначения элемента управления должно соответствовать действию, которое будет выполнено при активации данного элемента управления.
7. Вывод состояния датчика «ТМ. ПОВОРОТ. ИСХОДНОЕ»
8. Вывод состояния датчика «ТМ. ПОВОРОТ. КОНЕЧНОЕ»
9. Вывод состояния датчика «ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. ИСХОДНОЕ»
10. Вывод состояния датчика «ТМ. ВАКУУМ»
На рис. 4 приведена циклограмма работы модуля центрифугирования.
Таблица 1
. Разрядная сетка для транспортного модуля_
№п п Наименование сигнала Назначение Активный уровень Источник сигнала Приемник сигнала
1 ТМ. ПОВОРОТ. ШАГ 1 импульс = 1 шаг ШД (с учетом дробления шага) Фронт импульсного сигнала ПЛК Драйвер ШД
2 ТМ. ПОВОРОТ. НАПРАВЛЕНИЕ Выбор направления вращения «1» = CCW «0» = CW ПЛК Драйвер ШД
3 ТМ. ПОВОРОТ. ИСХОДНОЕ Датчик исходного положения «0» Датчик ПЛК
4 ТМ. ПОВОРОТ. КОНЕЧНОЕ Датчик конечного положения «0» Датчик ПЛК
5 ТМ. ВЫДВИЖЕ-НИЕ.ПУСК/СТОП Пуск или стоп мотор-редуктора на выдвижение Фронт импульсного сигнала ПЛК Блок BMD
6 ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. НАПРАВЛЕНИЕ Выбор направления выдвижение «1» = CCW «0» = CW ПЛК Блок BMD
7 ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. ИСХОДНОЕ Датчик исходного положения «0» Датчик ПЛК
8 ТМ. ВЫДВИЖЕНИЕ. ЭНКО-ДЕР Импульсы с энкодера на валу двигателя Фронт импульсного сигнала Энкодер ПЛК
9 ТМ. ВАКУУМ. ВКЛЮЧЕНИЕ Включение клапана эжектора «1»=ВКЛ. «0»=ВЫКЛ. Плата ввода-вывода Эжектор
10 ТМ. ВАКУУМ. ДАТЧИК Факт наличия вакуума «0» Датчик вакуума Плата ввода-вывода
начальным условием с/у рааоты па центршругираоания и ншесению фоторезиста яоляется нплачце г/г ппйлпкю Б пайнятом & Верхнее ппшкение стслике центрифуги, манипуляпср Ь исхойном па коорЭинате ЬыЭЬихения, инструмент и ценглротор b исхойном. Параметры центрифугироЬпния прцЬоЭу заЗаны.
| - ЯештАия Злч воройлтш r/n no3.itо.и
§ - Працвсс Зллвднють которого опреЙЕЛяегпя технологической орогрпи-ш ' 'СаШ ЮЬ - означает ааслеЗайям/ьныи перенос ю аозные сгарссти центриф^иоо&аш - Опрос ЗптчиюЬ Внимание* Воэютссть 01сьирав>и
Рис. 4. Циклограмма модуля центрифугирования
Структура программного обеспечения модуля термообработки
Модуль термообработки (далее модуль ТО) предназначен для термической обработки подложки с нанесённым фоторезистом. В состав модуля входят два основных узла: устройство подъема/опускания/фиксации подложки и нагреватель.
Управление нагревателем осуществляется с помощью ПИД-регулятора ТРМ-101-СР фирмы ОВЕН [9]. Значение температуры и параметры регулирования для ПИД-регулятора
передаются от промышленного компьютера через преобразователь USB- RS-485.
Исполнительным устройством является линейный актуатор фирмы «Электропривод» на базе шагового двигателя. В состав входит оптический пролетный датчик начального положения «ТО. ИСХОДНОЕ», а также генератор вакуума с вакуумным датчиком.
Для управления шаговым двигателем линейного актуатора применен блок управления ШД - SMSD-1.5 фирмы «Электропривод», для которого основными сигналами управления
являются сигналы «ТО. ШАГ», «ТО. НАПРАВЛЕНИЕ», «ТО. РАЗРЕШЕНИЕ» [10].
По фронту сигнала «ТО. ШАГ» шаговый двигатель актуатора поворачивает ротор на один шаг, при изменении сигнала «ТО. НАПРАВЛЕНИЕ» направление вращения ШД линейного актуатора меняется на противоположное, при отсутствии сигнала «ТО. РАЗРЕШЕНИЕ» снимается напряжение с обмоток ШД. Таким образом, в те промежутки времени, когда устройств о подъ -ема/опускания/фиксации подложки не используется, для уменьшения нагрева ШД и экономии электроэнергии необходимо снимать сигнал «ТО. РАЗРЕШЕНИЕ». Для обеспечения фиксации подложки на модуле ТО необходимо подать сигнал «ТО. ВАКУУМ. ВКЛЮЧЕНИЕ» на клапан генератора вакуума и прове-
рить факт надежной фиксации подложки на модуле ТО по сигналу с датчика вакуума «ТО. ВАКУУМ». Выдвижение рабочего органа транспортного модуля на позиции термообработки при наличии подложки на рабочем органе запрещено до тех пор, пока отсутствует сигнал с датчика «ТО. ИСХОДНОЕ». Недопустимо размещать подложку на горячей плите модуля термообработки до выхода на заданный температурный режим. Необходимо контролировать наличие подложки на модуле термообработки по сигналу датчика вакуума данной позиции «ТО. ВАКУУМ» в течение всего времени обработки подложки на данной позиции. Разрядная сетка для модуля термообработки приведена в табл. 2. На рис. 5 приведена циклограмма модуля термообработки.
Начальным услоЬием Зля пробеЭения термообработки ябляется наличие п/п поЭложки на побнятых В рабочее положение иглах ТО, манипулятор 6 исхоЭном по коорЭинате ЬыЗ&ижения. МоЭуль ТО бышел на заЭанныи температурный режим.
Примечание; алгоритмы Выполнения отдельных операций, их граничные условия описаны В разделе 1.
Обооидо&ание Опеоаиия №
ПИЛ рдгцляпор ТРМ-101-СР Ожидание 1 шшшшш
ПрибеЗение игл Ь исходное 1 шш 1
Подъем игл Ь рабочее
МоЭуль термообработки Опускание игл "на зазор"
Включение Ьакццма s ЕЯ 1
Выключение Ьакццма ь _ 6 ]
Проверка датчика Ьакццма 7
Ожидание быхоЗа нагревателя на режим 8
И - Действия Зля обработки п/п подложки
- Процесс длительность которого определяется технологической программой
- Опрос датчиков Внимание! Возможность блокировки
Рис. 5. Циклограмма модуля термообработки
Таблица 2
_Разрядная сетка для модуля термообработки_
№пп Наименование сигнала Назначение Активный уровень Источник сигнала Приемник сигнала
1 ТО. ПОДЪЕМ. ШАГ 1 импульс = 1 шаг ШД (с учетом дробления шага) Фронт импульсного сигнала ПЛК Драйвер ШД SMSD-1.5
2 ТО. ПОДЪЕМ. НАПРАВЛЕНИЕ Выбор направления вращения «1» = CCW «0» = CW ПЛК Драйвер ШД SMSD-1.5
3 ТО. ПОДЪЕМ. РАЗРЕШЕНИЕ Разрешение работы драйвера SMSD-1.5 «0» Плата ввода-вывода Драйвер 1Ь SMSD-1.5
4 ТО. ИСХОДНОЕ Датчик исходного положения «0» Датчик ПЛК
5 ТО. ВАКУУМ. ВКЛЮЧЕНИЕ Включение/выключение генератора вакуума «1» - вкл. «0» - выкл Плата ввода-вывода Генератор вакуума
6 ТО. ВАКУУМ Датчик наличия вакуума (фиксация п/п подложки) Фронт импульсного сигнала Датчик Плата ввода-вывода
Примечание. Направление вращения: CW - подъем, CCW - опускание.
Для режима диагностики необходимо обеспечить возможность выполнения следующих команд и индикацию следующих величин:
1. Иглы в исходное - по этой команде необходимо осуществить опускание игл до датчика «ТО. ИСХОДНОЕ». Проверить выполнение команды по состоянию соответствующего датчика.
2. Фиксация подложки - по этой команде необходимо осуществить включение генератора вакуума. Перед началом каждого перемещения по любой координате необходимо проверить наличие сигнала от датчика исходного положения для данной координаты.
3. Подъем/опускание игл - по этой команде необходимо осуществить подъем или опускание игл на заданное количество шагов.
4. Вывод состояния датчика «ТО. ИСХОДНОЕ»
5. Вывод состояния датчика «ТО. ВАКУУМ»
Структура программного обеспечения модуля термостабилизации
Модуль термостабилизации (далее модуль ТС) предназначен для охлаждения п/п подложки до заданной температуры после операции термической обработки, перед выгрузкой в приемную кассету. В состав модуля входят два основных узла: устройство подъема/опускания/фиксации подложки и устройство термостатирования. Исполнительным устройством является линейный актуатор фирмы «Электропривод» на базе шагового двигателя. В состав входит оптический пролетный датчик начального положения «ТС. ИСХОДНОЕ», а также генератор вакуума с вакуумным датчиком.
Для управления шаговым двигателем линейного актуатора применен блок управления ШД - SMSD-1.5 фирмы «Электропривод» [10], для которого основными сигналами управления являются сигналы «ТС. ШАГ», «ТС. НАПРАВЛЕНИЕ», «ТС. РАЗРЕШЕНИЕ».
По фронту сигнала «ТС. ШАГ» шаговый двигатель актуатора поворачивает ротор на один шаг, при изменении сигнала «ТС. НАПРАВЛЕНИЕ» направление вращения ШД линейного актуатора меняется на противоположное, при отсутствии сигнала «ТС. РАЗРЕШЕНИЕ» снимается напряжение с обмоток ШД.
Таким образом, в те промежутки времени, когда устройство подъ-
ема/опускания/фиксации п/п подложки не используется, для уменьшения нагрева ШД необходимо снимать сигнал «ТС. РАЗРЕШЕНИЕ».
Для обеспечения фиксации подложки на модуле ТС необходимо подать сигнал «ТС. ВАКУУМ. ВКЛЮЧЕНИЕ» на клапан генератора вакуума и проверить факт надежной фиксации п/п подложки на модуле ТС по сигналу с датчика вакуума «ТС. ВАКУУМ».
Выдвижение рабочего органа транспортного модуля на позиции термообработки при наличии п/п подложки на рабочем органе запрещено до тех пор, пока отсутствует сигнал с датчика «ТС. ИСХОДНОЕ».
Недопустимо размещать п/п подложку на плите модуля термостабилизации до выхода термостата на заданный температурный режим.
Необходимо контролировать наличие подложки на модуле термостабилизации по сигналу датчика вакуума данной позиции «ТС. ВАКУУМ» в течение всего времени обработки подложки на данной позиции.
Разрядная сетка для модуля термостабилизации приведена в табл. 3.
На рис. 6 приведена циклограмма модуля термостабилизации.
Начальным услобием Зля проЬеЗения термострабилизации ябляется наличие п/п поЭложки на поЭнятых Ь рабочее положение иглах ТС, манипулятор 6 исхоЗном по коорЭинате ЬыЗ&ижения. МоЭуль ТС бышел на заданный температурный режим.
Примечание; алгоритмы Выполнения отдельных операций, их граничные услоВия описаны В разделе 1.
Обооидобание Операция №
Ожидание 1 шшшж
ПрибеЗение игл Ь исходное 2 I [ 8 1
МоЭуль пермостабилизации ПоЭъем игл Ь рабочее положение
Опускание игл "на зазор" к
Включение бакццма S Ь I Т
Выключение Вакуума ь 6 1
Проберка датчика Вакуума 7 и
Термостат Ожидание Выхода термостата на режим 8
Щ - ДейстЬия Эля обработки п/п подложки
§§§- Процесс длительность которого определяется технологической программой - Опрос ЗатчикоЬ. Внимание! Возможность блокировки
Рис. 6. Циклограмма работы модуля термостабилизации
Таблица 3
Разрядная сетка для модуля термостабилизации_
№пп Наименование сигнала Назначение Активный уровень Источник сигнала Приемник сигнала
1 ТС. ПОДЪЕМ. ШАГ 1 импульс = 1 шаг ШД (с учетом дробления шага) Фронт импульсного сигнала ПЛК Драйвер ШД SMSD-1.5
2 ТС. ПОДЪЕМ. НАПРАВЛЕНИЕ Выбор направления вращения «1» = CCW «0» = CW ПЛК Драйвер ШД SMSD-1.5
3 ТС. ПОДЪЕМ. РАЗРЕШЕНИЕ Разрешение работы драйвера SMSD-1.5 «0» Плата ввода вывода Драйвер ^ SMSD-1.5
4 ТС. ИСХОДНОЕ Датчик исходного положения «0» Датчик ПЛК
5 ТС. ВАКУУМ. ВКЛЮЧЕНИЕ В ключение/в ыключение генератора вакуума «1» - вкл. «0» - выкл Плата ввода-вывода Генератор вакуума
6 ТС. ВАКУУМ Датчик наличия вакуума (фиксация п/п подложки) Фронт импульсного сигнала Датчик Плата ввода-вывода
Примечание. Направление вращения: CW - подъем, CCW - опускание.
Для режима диагностики необходимо обеспечить возможность выполнения следующих команд и индикацию следующих величин:
1. Иглы в исходное - по этой команде необходимо осуществить опускание игл до датчика «ТС. ИСХОДНОЕ». Проверить выполнение команды по состоянию соответствующего датчика. Перед началом каждого перемещения по любой координате необходимо проверить наличие сигнала от датчика исходного положения для данной координаты.
2. Фиксация подложки - по этой команде необходимо осуществить включение генератора вакуума.
Перед началом каждого перемещения по любой координате необходимо проверить наличие сигнала от датчика исходного положения для данной координаты.
3. Подъем/опускание игл - по этой команде необходимо осуществить подъем или опускание игл на заданное количество шагов.
4. Вывод состояния датчика «ТС. ИСХОДНОЕ»
5. Вывод состояния датчика «ТС. ВАКУУМ»
Структура библиотеки технологических программ, пользовательский интерфейс и блокировки
Разработанная библиотека технологических программ представляет собой набор макросов, обеспечивающих автоматическую обработку подложек с заданными характеристиками, а также процедуру записи макросов как в режиме выполнения диагностических команд
(режим диагностики), так и автономно в форме табличного задания.
Список команд и параметров, подлежащих записи в макрос, определялся как задание.
Процедура записи и сохранения макроса обеспечивает описание последовательных операций с переменными параметрами (пара-метризируемые операции), такими как:
- нанесение фоторезиста (доза, время, температура фоторезиста),
- режим нанесения фоторезиста (в центр, сканирование),
- подача азота (есть или нет, время подачи),
- центрифугирования (скорости, ускорения, времена обработки),
- отмывка краевого валика (есть или нет, время отмывки),
- отмывка обратной стороны (есть или нет, время отмывки),
- термообработка (температура, время термообработки, контактно или на зазоре),
- термостабилизация (время обработки, контактно или на зазоре),
- граничные условия, условия выполнения и временные интервалы между операциями.
Транспортные операции (загрузка, выгрузка, перенос подложек) являются жёстко детерменированными по граничным условиям и условиям выполнения, таким как:
- наличие или отсутствие кассеты на столике модуля загрузки и (или) модуля приемки,
- наличие или отсутствие пластины на технологическом модуле,
- сигналы датчиков, обеспечивающих функционирование модулей.
Структура библиотеки технологических программ обеспечивает удобный доступ, выбор, просмотр описания и характеристик, а также загрузку технологических программ.
Под термином пользовательский интерфейс понимается совокупность графических, текстовых и мультимедийных элементов для ввода параметров, задания команд, а также вывода параметров, основных и вспомогательных данных, выбора режима функционирования установки.
Пользовательский интерфейс обеспечивает удобное и интуитивно понятное управление работой установки для оператора с начальным уровнем компьютерной подготовки.
Пользовательский интерфейс структурно разделен на три основные части, представляющие собой основные режимы работы установки и программного обеспечения:
Первая часть - режим ДИАГНОСТИКА.
В режиме диагностики обеспечивается возможность индивидуальной работы с каждым технологическим модулем установки.
Доступ к режиму диагностики защищен паролем для исключения доступа к данному режиму неавторизованного персонала.
В режиме ДИАГНОСТИКА необходимо, чтобы элементы управления и отображения информации, относящиеся к конкретным модулям, были соответственно сгруппированы и визуально отделены друг от друга.
Перечень команд и данных для отображения в режиме ДИАГНОСТИКА приведен в описании технологических модулей выше.
Элементы управления и отображения информации сопровождаются всплывающими подсказками (с возможностью отключения пользователем) о назначении данного элемента.
Вторая часть - режим РАБОТА.
В режиме РАБОТА обеспечена индикация основных параметров функционирования установки (наличие необходимого уровня давления воздуха, наличия основных технологических сред и т.п.), а также обеспечено срабатывание блокировок (с отображением соответствующих сообщений) и одновременно возможность снятия блокировок.
Основными командами являются команды «ПУСК», «СТОП», а также элементы управления для выбора и загрузки технологической программы для работы установки.
Третья часть - режим формирования базы технологических параметров (БТП).
С точки зрения программного интерфейса режим формирования БТП обеспечивает удобное и однозначное создание технологических программ, а также сохранение вновь созданных программ и удобный доступ к ранее созданным программам.
Доступ к режиму формирования БТП защищен паролем для исключения доступа к данному режиму неавторизованного персонала.
Хранение файлов с технологическими программами должно осуществляться в защищенной от стирания и изменения сторонним программным обеспечением структуре (в разделе жесткого диска).
Описание всех управляющих элементов и элементов отображения данных подробно изложено в соответствующей документации на разработанную автоматизированную установку нанесения фоторезиста с тем расчётом, чтобы освоить мог их назначение и особенности
функционирования пользователь с начальной компьютерной подготовкой.
В составе установки предусмотрено наличие одной или нескольких веб-камер для отображения процесса функционирования установки (или отдельных модулей) на дисплее персонального компьютера, в том числе и с использованием удаленного доступа, а также записи соответствующей видеоинформации в файл.
Для обеспечения возможности настройки транспортной и других систем установки разработан соответствующий инструментарий, позволяющий задавать и сохранять для использования в работе программы следующие данные:
- количество шагов по координате поворота от исходного до позиции нанесения фоторезиста;
- количество шагов (импульсов с энкодера) по координате выдвижения от исходного до позиции нанесения фоторезиста;
- количество шагов по координате поворота от исходного до позиции термообработки;
- количество шагов (импульсов с энкоде-ра) по координате выдвижения от исходного до позиции термообработки;
- количество шагов по координате поворота от исходного до позиции термостабилизации;
- количество шагов (импульсов с энкодера) по координате выдвижения от исходного до позиции термостабилизации;
- количество шагов по координате поворота от исходного до позиции приемки обработанных п/п подложек;
- количество шагов (импульсов с энкодера) по координате выдвижения от исходного до позиции приемки обработанных п/п подложек;
- количество шагов для модулей загрузки и приемки п/п подложек, для обеспечения пере-
мещения на одну ячейку кассеты (отдельно для каждого модуля);
- количество шагов для обеспечения подъема игл модулей ТО и ТС в положение от исходного до рабочего (отдельно для каждого модуля), а также количество шагов для обеспечения обработки на зазоре.
Доступ к режиму настройки параметров защищен паролем.
Разработанное программное обеспечение отрабатывает ряд блокировок, введённых во избежание не предусмотренной регламентом обработки подложек, а также для выхода из строя модулей установки или причинения вреда здоровью обслуживающего персонала.
Интерфейс программного обеспечения имеет средства вывода сообщения о срабатывании блокировок, а также способы снятия блокировок.
Разработанное руководство оператора включает в себя описание обработки блокировок и способы их снятия для продолжения работы.
В процессе отладки установки, а также в ходе пуско-наладочных работ на площадях заказчика перечень необходимых блокировок может как увеличиться, так и сократиться.
Этот факт учтён при разработке ПО, то есть, предусмотрена процедура включения или выключения блокировок, защищенная от несанкционированного применения пароля.
Необходимо учитывать, что отсутствие сигнала от любого из датчиков в то время, когда сигнал должен присутствовать, вызывает блокировку системы с выводом сообщения и диалогом для снятия блокировки и запроса дальнейших действий. Примеры блокировок приведены в табл. 4.
Таблица 4
Примеры блокировок
№пп Название блокировки Описание и способ снятия
1 Отсутствие подачи сжатого воздуха Определяется по сигналу с датчика давления. Сопровождается включением красного индикатора состояния установки. Полностью блокирует работу установки в режиме РАБОТА. Снятие блокировки должно осуществляться в диалоге сообщения о срабатывании блокировки.
2 Отсутствие п/п пластины на рабочем органе транспортного модуля Определяется по отсутствию сигнала с датчика ТМ. ВАКУУМ. ДАТЧИК по истечении времени 1с после включения генератора вакуума на ТМ.
3 Отсутствие п/п пластины на столике центрифуги Определяется по отсутствию сигнала с датчика ЦЕНТРИФУГА. ВАКУУМ. ДАТЧИК по истечении времени 1с после включения генератора вакуума на ТМ.
4 Отсутствие п/п пластины на позиции ТО Определяется по отсутствию сигнала с датчика ТО. ВАКУУМ. ДАТЧИК по истечении времени 1с после включения генератора вакуума на ТМ.
Продолжение табл. 4
5 Отсутствие п/п пластины на позиции ТС Определяется по отсутствию сигнала с датчика ТС. ВАКУУМ. ДАТЧИК по истечении времени 1с после включения генератора вакуума на ТМ.
6 Отсутствие загрузочной кассеты на столике модуля загрузки Определяется по отсутствию сигнала с датчика ЗАГРУЗЧИК. КАССЕТА
7 Отсутствие приемной кассеты на столике модуля приемки Определяется по отсутствию сигнала с датчика ПРИЕМНИК. КАССЕТА
8 Невыполнение команды на этапе приведения в исходное состояние Определяется по отсутствию сигнала с любого из датчиков исходного положения
Заключение
В соответствии с разработанными алгоритмами был создан новый эффективный пакет программного обеспечения, предназначенный для управления узлами и модулями автоматизированной установки нанесения фоторезиста УНФ-200А, логирования в базу технических характеристик узлов и модулей, а также показателей технологического процесса для мониторинга этих значений на экране. Программа состоит из нескольких главных модулей, а именно модулей транспорта, термообработки, термостабилизации, загрузчика, приемника, нанесения и вспомогательных модулей: работа с базой данных, вывод показателей, ло-гирование, взаимодействие с ПЛК, обработка ошибок.
На основании госконтрактов и прямых НИОКР в период 2011 - 2020 гг. они были поставлены предприятиям РФ, нуждающимся в современном высокотехнологичном оборудовании, среди которых можно назвать такие, как ОАО «Лианозовский электромеханический завод» [12] (Лианозовские радары), г. Москва; Ордена Трудового Красного Знамени «Институт химии силикатов» имени И.В. Гребенщикова» [13], г. Санкт-Петербург; АО «Государственный оптический институт им. Вавилова» [14], г. Санкт-Петербург; АО «ТАГАТ» им. С.И. Лившица [15], г. Тамбов и др.
Литература
1. Конструкторское бюро технологических машин (КБТМ) [сайт]. URL: http://vkbtm.ru]. (Дата обращения: 16.02.2022)
2. АНОО ВО «Международный институт компьютерных технологий» [сайт]. URL: Ы1р://йс!ги/наука. (Дата обращения: 16.02.2022)
3. C++ (язык программирования) [Электронный ресурс]. URL: https://ru.bmstu.wiki/C%2B%2B (Дата обращения: 15.02.2022).
4. Компания Сименс. Каталог. Микроконтроллер [сайт]. URL: https://www.siemens-pro.ru/s7-1200/6AG1214-1BD23-2XB0.html (Дата обращения: 16.02.2022).
5. Siemens. Каталог. Преобразователи RS-232 - RS-485. [сайт]. URL: https://search.dc.siemens.com/en?q=converter (дата обра-щения:16.02.2022) .
6. Программное обеспечение STEP7 [сайт]. URL: https://www.elinc.ru/Downloads/Siemens/step7_in_manual_r u.pdf (Дата обращения: 16.02.2022) .
7. PLC Programming with SIMATIC STEP7. Siemens [Электронный ресурс]. URL: https://new.siemens.com/global/en/products/automation/indu stry-software/automation-software/tia-portal/software/step7-tia-portal.html. (Дата обращения: 16.02.2022).
8. Компания ОВЕН. Оборудование для автоматизации. Каталог. Регуляторы [сайт]. URL: https://owen.ru/product/trm101(Дата обращения: 16.02.2022).
9. Компания ОВЕН. Оборудование для автоматизации. Каталог. Usb-преобразователь [сайт]. URL: https://owen.ru/product/owen_as4 (Дата обращения: 16.02.2022) .
10. ООО «Электропривод». Каталог. Блоки управления двигателями BMD [сайт]. URL: https://electroprivod.ru/bmd (Дата обращения: 16.02.2022).
11. Белоусова О.В., Беляков П.Ю. Разработка шагового электропривода общепромышленного назначения с электронной коммутацией// Электроэнергетика и электротехника: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. / отв. ред. д-р техн. наук, проф., зав. каф. электроэнергетики Анненков А.Н. Воронеж: АНОО ВО «Междунар. ин-т ком-пьют. технологий», 2019. С. 132 - 135
12. ОАО «Лианозовский электромеханический завод» [сайт]. URL: https://lemz.ru (Дата обращения: 15.02.2022)
13. ФГБУН Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН (ИХС РАН) [сайт]. URL: https://www.iscras.ru (Дата обращения: 15.02.2022)
14. АО «НПО Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова» [сайт]. URL: http://goi.ru (Дата обращения: 15.02.2022)
15. АО «ТАГАТ» им. С.И. Лившица [сайт]. URL: https://tagat.ru (Дата обращения: 15.02.2022).
Поступила 20.04.2022; принята к публикации 10.06.2022
Информация об авторах
Анненков Андрей Николаевич - д-р техн. наук, доцент, проректор по научной работе, Международный институт компьютерных технологий (394026, г. Воронеж, ул. Солнечная, 29 б), е-mail: annenkovandray@yandex.ru, тел.: +7(473) 233-11-93; 8951-870-37-77, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1914-8075
Белоусова Олеся Владимировна - старший преподаватель кафедры «Электроэнергетика», Международный институт компьютерных технологий (394026, г. Воронеж, ул. Солнечная, 29 б), е-mail: sova.ol@mail.ru, тел.: +7(473)239-25-96; 89081328759
DEVELOPMENT OF SOFTWARE FOR AUTOMATED PHOTORESIST APPLICATION UNIT
A.N. Annenkov, O.V. Belousova International Institute of Computer Technology, Voronezh, Russia
Abstract: the level of photolithography technologies and equipment for their implementation is a determining criterion for achieving the required design standards in microelectronics, radioelectronics, optics and microelectromechanical systems. The work is related to the development of the hardware composition of the control system of the automated technological installation for applying photoresist, made in a cluster design with a controlled gas medium, as well as the creation of a package of its software. In accordance with the developed control algorithms, command and sensor signal processing bit grids, as well as operation cyclograms for each module and installation as a whole, a software package was created to control the units and modules of the automated installation of application of the UNF photoresist -200A, logic to the database of technical characteristics of units and modules, as well as process indicators for monitoring these values on the screen. The program consists of several main modules, namely: transport, heat treatment, thermal stabilization, loader, receiver, application, as well as auxiliary modules: database operation, indicator output, logic, interaction with industrial logic controllers and error processing. The developed software works out a number of interlocks introduced to avoid non-scheduled processing of substrates, as well as to fail the installation modules or harm the health of maintenance personnel. The software interface has means of displaying a message about the interlock actuation, as well as methods of unlocking
Key words: automatic installation of photoresist application, cluster design, controlled gas medium, control system, functional process modules, software.
References
1. Design Bureau of Process Machines, available at: http://vkbtm.ru (date of access: 16.02.2022)
2. International Institute of Computer Technologies, available at: http://iict.ru/наука (date of access: 16.02.2022)
3. C++ (programming language), available at: https://ru.bmstu.wiki/C%2B%2B (date of access: 15.02.2022).
4. Siemens. Directory. Microcontroller, available at: https://www.siemens-pro.ru/s7-1200/6AG1214-1BD23-2XB0.html (date of access: 16.02.2022).
5. Siemens. Directory. Converters RS-232 - RS-485, available at: https://search.dc.siemens.com/en?q=converter (date of access: 16.02.2022).
6. Software STEP7, available at: https://www.elinc.ru/Downloads/Siemens/step7_in_manual_ru.pdf (date of access: 16.02.2022).
7. "PLC Programming with SIMATIC STEP7", Siemens, available at: https://new.siemens.com/global/en/products/automation/industry-software/automation-software/tia-portal/software/step7-tia-portal.html (date of access: 16.02.2022).
8. ARIES Company. Automation equipment. Directory. Regulators, available at: https://owen.ru/product/trm101 (date of access: 16.02.2022).
9. ARIES Company. Automation equipment. Directory. USB converter, available at: https://owen.ru/product/owenas4 (date of access: 16.02.2022).
10. LLC "Electric Drive." Directory. BMD motor control units, available at: https://electroprivod.ru/bmd (date of access: 16.02.2022).
11. Belousova O.V., Belyakov P.Yu. "Development of a step electric drive for general industrial purposes with electronic switching", Proc. of the Int. Sci. and Tech.l Conf.: Electric Power and Electrical Engineering (Elektroenergetika i elektrotekhnika), Voronezh, 2019, pp. 132-135.
12. Lianozovskiy Electromechanical Plant, available at: https://lemz.ru (date of access: 15.02.2022)
13. FSBUN of the Order of the Red Banner of Labor Institute of Silicate Chemistry named after I.V. Grenshchikov RAS, available at: https://www.iscras.ru (date of access: 15.02.2022)
14. State Optical Institute named after S. I. Vavilov, available at: http://goi.ru (date of access: 15.02.2022)
15. TAGAT named after S.I. Livshits, available at: https://tagat.ru (date of access: 15.02.2022).
Submitted 20.04.2022; revised10.06.2022 Information about the authors
Andrey N. Annenkov, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Deputy Rector for Scientific Work, International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechnaya str., Voronezh 394026, Russia), e-mail: annenkovandray@yandex.ru, tel.: +7951-870-37-77, +7(473)233-11-93, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1914-8075
Olesya V. Belousova, Assistant Professor, International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechnaya str., Voronezh 394026, Russia), e-mail: sova.ol@mail.ru, tel.: +7 (473)239-25-96, +7908-132-87-59
