基于有限状态机的集群式硅片传输控制系统设计

集成电路制造过程 中，硅片经历几十道精密工序，在上百台设备间和设备内部流转，硅片传输系统长期可靠运行Ⅲ。同时，为了保证清洁环境，减小干扰，整个加工过程的人工参与度极低。如何实现正确、可靠和高效的硅片传输行为控制成为IC装备研发中亟待解决的问题口 。

集群式设备 (Cluster Too1)是Fab中常见的- 种设备组织形式：-个集群式设备是Fab中的-个加工站点，能够完成-类功能 (如外延、淀积等)；集群式设备内部又包含其自身的若干工作子站点，实现更加精细的工序划分；在子站点之间通过机械手，按照预设的动作协作时序进行传输。集群式设备内部的硅片传输控制具有 麻雀虽小，五脏俱全”的特征，是-个典型的离散事件动态系统，设备行为控制可抽象为逻辑调度问题 。逻辑调度涉及规模庞大的设备微观行为的固化时序 J。

传统的基于离散事件的装备控制系统，由于机构较少行为简单，通常直观编写程序即可实现；随着装备集成度提高，层次化拈化的控制策略能够很大程度上降低逻辑调度复杂 ，但对并列子拈繁多的复杂逻辑处理依旧困难。离散系统中动态变化的状态能够体现设备活动过程中的关键信息，以状态及状态间的跃迁来引导、约束装备行为控制流是处理复杂逻辑的有效途径，也是本文的切入点。

本文以200mm集群式IC装备硅片传输系统为依托，从装备固有的行为规则出发，以处理复杂行为规则、提高运行可靠性为目标，阐述了利用有限状态机进行控制系统建模的方法；并且对基于状态机的控制软件系统进行了动态行为设计，解决了状态机分层、功能行为协作和协 同异常处理等问题，旨在设计-个清晰可靠的硅片传输微观逻辑调度系统。

1集群式硅片传输系统集群式IC装备的基本结构如图1所示。以硅片传输系统为平台，以机械手为核心，平台周围挂靠多个不同功能的工艺反应腔室。硅片从真空片架升降台 (Vacuum Cassete Elevator，VCE)进入设备，机械手实现硅片在各个站点间的传输。

图1集群式设备结构示意图 图2真空片架升降台结构示意机械手的基本结构包括-个铰链节点、机械收稿日期：2012-10-12作者简介：王海升 (1987-)，男，辅龙岩人，硕士研究生，研究方向为Ic装备控制。

[41 第35卷 第1期 2013-01(下)务l 訇 化机械手过程相似。

(a)机械手总体状态模型 J(b)机械手取片子状态模型图4机械手状态模型2.2逻辑调度任务的状态模型在构建完成相应设备的状态模型之后，为了实现二者的协调动作，需构建逻辑调度任务：根据所需实现功能的需求，从被控制的设备模型中，遵照其行为规则，抽取相应的指令接 口动作，按照-定的时序逻辑进行组合，从而实现某- 宏观功能。

逻辑调度具有很强的时序性，单-任务可以按照调用顺序建立状态模型。机械手与VCE的协作任务如图5所示。在逻辑调度任务中，同样存在在顺序推进任务逻辑时，因出现各种异常而进入错误状态。错误状态及其恢复状态与该任务下各[61 第35卷 第1期 2013-01(下)设备的相关状态对应。

图5机械手从VCE取片控制流状态模型3基于状态模型的协作行为逻辑调度任务根据特定时序调用相关设备的动作，涉及控制流层面的设备协作的动态行为和信息交互，其本质上是状态机之间的协作。

3.1设备协作与信息交互逻辑调度拈以状态机的形式定义了宏观任务的动作解析时序。在实现任务的过程中，以逻辑调度任务为主导。当任务被外部调用激活后，调用设备的相关动作，并遵循其状态约束，按照逻辑调度状态机规定的时序，步步推进动作。如图6所示，在机械手从Vl 取片任务逻辑调度器的主导下，调用机械手与VCE的相关动作，实现取片的动作协作和信息交互。

在任务动态推进的过程中，须遵循其本身和被调用设备的状态约束，每开始执行或执行完成-项子任务都进行严格的状态控制，新的状态作为下-步执行动作的前提条件。图6中的方括号表明-个对象在时序上的状态变迁。动作逻辑的调用以同步调用为主，使得严格时序的处理更加紧密。而在不同设备的动作同时进行的诚下，须进行异步调用。并行控制的动作分别由两个子任务承载；主任务在激活子任务后，等待完成事件，以保证并行任务的同步性和主任务的时序性，如图6中PickPreparing状态下，机械手和VCE的同时独立动作。

l 甸 化3.2协同异常处理在顺序推进状态机的过程中，可能遇到来源于机械故障、电气故障或是软件错误的各种异常。错误触发后，相应设备的状态机进入Error状态，并以返回值 (同步)或消息 (异步)的形式抛出错误编号。逻辑调度任务在收到错误的执行结果后，也进入错误状态；并将其他设备置入Error状态，保持现场，以防止其他任务对相关设备的调用，如图7所示。

7[Rcady]Y-f；Ready画 ReadyFmo]i UnkmdWafer 、 GoingToSI州i。 - m fllmcrD rI open] tun1Extend 、OiveW afer， fGivingWaf]， returtl WaferGivenC1O hnerDoor， 1 lClosinglrmerDoor]iReadyj图6机械手从VCE取片线程协作模型Pickinl(ElractingPicking/ReadyLov-icSchcduler j望鲤 I R.O&o3 I[Ruly] R。adyl Rc8dyFrecUnladW afer、 ： ： ..r t， nl l ” R0Im 、 -jJ 晰returnM rorJl、图7协同异常检测及抛出- 个任务执行失败后，可以自动或在外界干预下进行异常恢复，将逻辑调度任务恢复到之前的某-状态，并将被调用的设备恢复到相应状态。不同的异成以预设不同的恢复方式，甚至在不同的状态下，相同异常的恢复方式也不尽相同。异常恢复任务也是逻辑调度任务的-种，可以在状态机的框架下成为其原任务的子任务。如图8所示-种简单的恢复方式，机械手从VCE取片过程在错误恢复时，将任务和相应设备都恢复到初始状态。

4 结论本文对集群式硅片传输行为进行了研究，建立各子设备的状态机模型，预先定义并约束其行为 ；并建立了逻辑调度任务的状态机模型，实现设备间协作；讨论了构建在状态机基础上的动态协作行为、协同异常处理方式。装备微观行为控制大多具有 状态条件约束”和 动作时序严格”的特征，状态机是描述该行为特征的有力工具。

本文所讨论的设备行为分层建模方法，逻辑调度任务建模方法、状态机间的协作模式和异常处理模式是开发基于状态机的硅片传输控制系统中遇到的关键问题，在其他类似装备控制系统开发中也具有借鉴意义。

LogicSchedulerIEror]l 鲤 IErorJ RobotEror]图8协同异常处理Recovering[ReadyFree1