基于无线MEMS传感器的晶圆传输振动监测系统设计*

廖清远， 叶柏龙

(中南大学 信息科学与工程学院, 湖南 长沙 410083)

基于无线MEMS传感器的晶圆传输振动监测系统设计*

廖清远， 叶柏龙

(中南大学 信息科学与工程学院, 湖南 长沙 410083)

如何对半导体工厂运行中的晶圆传输设备进行监测也成为半导体厂商面临的主要问题之一。针对现有晶圆传输的振动监测问题，结合MEMS传感器和无线传输特点，提出了基于无线MEMS加速度传感器的晶圆传输过程的振动监测系统。系统以MEMS电容式加速度传感器为测试载体采集振动数据，通过蓝牙无线传感器网络将采集到的数据传输到主服务器，在监控PC上实时显示和处理，从而获得晶圆传输过程的振动信息。最后通过仿真验证可得，采用MEMS传感器可以满足轻负载的晶圆传输过程的测试需求，而且采用蓝牙无线传输方式也可以避免监测系统中的布线复杂，成本高等不足。系统实现了半导体工厂中的晶圆传输全过程的在线实时监测，可以及早发现生产线中设备的故障。

微机电系统； 加速度传感器； 无线传输； 晶圆； 振动监测

0 引 言

随着晶圆尺寸越来越大，对传输的运动稳定性和效率要求也越来越高[1]。传输过程的运动稳定性(振动性能)是决定晶圆的良好率的关键指标之一，如何对半导体工厂运行中的晶圆传输设备进行监测也成为半导体厂商面临的主要问题之一。传统的加速度传感器测量装置体积大、质量重，而采用有线数据传输方式的振动监测系统，布线复杂，成本高，无法用于晶圆传输的在线监测[2]。

随着半导体和集成电路技术的发展，传感器开始向集成化、微型化发展，其特点是体积小、质量轻、灵敏度高，MEMS加速度传感器也被广泛地用于机械振动的测量与监控[3]。用蓝牙无线传感器取代传统有线传感器装置，可以减少布线，降低监测系统部署成本，增加监测系统的灵活性、可维护性和可扩展性[4]。

针对现有晶圆传输的振动监测问题，结合MEMS传感器和无线传输特点，本文提出了基于无线MEMS加速度传感器的晶圆传输过程的振动监测系统，该系统不仅可以模拟晶圆的传输过程，对其振动状况进行在线监测，而且还可以对晶圆传输设备的振动性能进行分析，提早发现设备的故障，并为设备的故障点判定提供依据。

1 晶圆传输振动监测系统设计

晶圆传输振动监测系统是由振动数据采集、数据传输、数据分析三部分组成。振动数据采集模块采用的是美国Wafersense公司的振动测试传感器AVS300[5]，其载体采用的是类晶圆的碳纤维圆盘结构，具有质量轻、抗震性好等特点，可以模拟晶圆的传输状态。整个振动数据传输系统是由多个振动数据采集模块和无线接收模块子网组成的无线传输网络，及无线数据接收模块与服务器组成的有线传输网络组成，如图1所示。在振动数据的采集部分，以一定数量的振动数据采集模块分布在晶圆传输路径(如图1弓形折线路径)上，振动数据采集模块将采集到的振动信号经过A/D转换后，将采集到数据传输给在其传输范围内的无线接收模块。每个无线接收模块将接收到的数据服务器进行数据汇集，服务器最终将数据传输给数据监控终端工业PC进行下一步的数据分析处理。

图1 振动监测系统组成框图

2 数据传输网络

2.1 数据传输网络结构

如图2所示，振动采集模块AVS300核心是由三维MEMS电容式加速度传感器信号检测模块、单片机微控制器模块、蓝牙无线传输与管理模块及电源模块组成。三维MEMS电容式加速度传感器信号检测模块负责对环境变化引起的振动信息的收集，并将收集的振动信号传输给单片机微控制器模块，经A/D转换后，通过后端的蓝牙无线传输与管理模块将数据传输给与无线接收模块前端的蓝牙模块。蓝牙采用分散式网络结构和快跳频以及短包技术，支持点对点和点对多点通信[6]。AVS300采用的蓝牙是一对一串口数据通信方式，振动数据采集模块作为主端设备，预存有从端设备的PIN码、地址等；无线接收模块作为从端设备被设为静默状态，即只能与指定的主端通信，不被别的蓝牙设备查找，因此，在系统中一个数据采集模块可以与多个无线接收模块链接。如图1所示，振动数据采集模块初始状态下与无线接收模块1建立链接，实现数据的传输，当振动数据采集模块脱离无线接收模块1的传输范围时，则断开与模块1的链接，与其它模块建立新的联系[7]。无线接收模块通过后端的无线网卡芯片通过TCP/IP协议与Internet上的服务器进行通信，实现数据的远程传输。

图2 数据传输网络结构

2.2 无线接收模块节点配置

无线接收模块的硬件模块由蓝牙模块、单片机微控制器模块、网卡芯片模块及电源模块组成。振动信号采集模块中的蓝牙无线传输与管理模块监测蓝牙模块所在的环境，当环境发生变化时,触发蓝牙模块的输入/输出管脚中断将信息传送给蓝牙模块 ,再以无线的方式传送给无线接收模块。无线接收模块节点配置与蓝牙传输距离、半导体工厂中晶圆传输设备的布局、无线接收模块所放置的位置相关，一般情况下，无线接收模块会放置在工厂的墙壁端，然后通过布置在墙壁内的网线与服务器连接。

对于无线传输系统，发射功率可以从理论上计算出系统所能达到的最远的发射距离，系统的接收灵敏度与系统能够接收的信号距离相关[4]。设系统无线发射功率为Ptr，系统接收功率为Pre，有效接收孔径面积为Ae，发射天线和接收天线的增益分别为Gtr，Gre，传输距离为R，距离R的各向同性天线的功率密度为Sarg，具有不同发射增益的天线的功率密度为Starg，各参数具有以下关系

Starg=Gtr×Sarg,

(1)

(2)

(3)

其中，Pre的值越大，说明数据被传输的性能越好，因此,Ptr越大，则可以传输的距离也越远。在此得出的最大的距离R为理论上的最远传输距离，而在实际工程应用中会存在许多因素减小传输距离，如因系统的匹配问题而导致发射功率的下降，因传输过程中障碍物反射、散射、吸收以及一些其它信号的干扰等导致能量的损耗。因此，实际传输距离远小于理论值，在无线系统设计过程中需要考虑的是尽可能减少损耗，提高发射功率而使传输距离达到最大。

AVS300无线传输模块采用的是class A 的2.4 GHz RF的蓝牙设备，其传输距离可达100 m[7]。但是由于半导体工厂内各设备的封闭和信号的干扰，经充分测试，AVS300的稳定传输距离约为65 m。为了保证传输的稳定性，在无线接收模块配置时，利用了其60 m的稳定传输距离，即每个无线传输模块与在晶圆传输路径上的AVS300之间的距离应小于60 m。

3 数据处理与分析系统

基于LabVIEW开发虚拟仪器检测系统，可以有效利用电脑的软硬件资源，比传统的仪器更具有优越性能[8]。晶圆传输振动监测系统功能主要三部分，即参数设置、数据处理、实时显示以及数据存储等。其中，基础参数设置主要是对系统的通信参数[4]和AVS300的采集基本参数设置，以便数据的正常传输；数据存储完成数据的记录，在需要进行数据回放以便进一步分析时，可以将程序保存的数据记录文件.csv读出。

为了便于控制蓝牙模块的重新配对，数据处理与分析系统与半导体工厂的工厂自动化(factory automation，FA)系统建立了接口链接，通过晶圆传输设备的状态控制蓝牙模块的配对。在蓝牙配对时，晶圆传输设备运动处于停止阶段，且停止的时间大于蓝牙模块的配对时间，因此,保证了对晶圆各个传输过程的监控。

4 系统性能分析

系统采集的数据如图3所示，为振动传感器的时域特征曲线，显示了在传输过程中晶圆不同时刻的X,Y,Z三个方向的加速度，加速度越大，晶圆振动越大。不同时刻，晶圆被传输到不同的设备上，因此,该曲线也可以反映出晶圆传输设备的状况。

图3 振动时域图

为了对系统的性能进行分析，以35 m×80 m车间内监测系统为例进行分析，为了完成车间内晶圆传输状态的监控，该系统采用了1个AVS300，2个无线传输模块。采用该系统与采用独立AVS300系统的对比结果如表1所示。实验结果表明:与独立式AVS采集相比，在AVS数据采集时间相同和延时小于1 s的情况下，采用该系统与独立式AVS相比，效率提高了约200 %。

表1 系统性能比对结果

5 结束语

针对半导体工厂晶圆传输的振动监测问题，本文设计并开发了基于蓝牙无线MEMS电容式加速度传感器的振动监测系统，该系统通过蓝牙无线传输网络与有线传输网络相结合的方式，完成了振动数据的远程传输，可实现对半导体工厂中的整条生产线上的晶圆传输的振动状况进行在线实时监测，基于监测数据还可以实现早期发现晶圆传输设备的故障，并对设备出现的故障进行诊断，提高晶圆的良好率。

[1] Ming C,Xu Y,Baohong S,et al. Research on a novelR-θwafer-handling robot[C]∥2012 IEEE International Conference on Automation and Logistics,ICAL 2007,2007: 597-602.

[2] 黄荣久，方 杰，刘 煜. 无线传感器网络在机械振动监测中的应用[J]. 传感器与微系统，2012,31(1)：149-152.

[3] 赵玉龙,刘 岩,孙 禄. 机械故障信息监测MEMS高频加速度传感器[J].振动测试与诊断，2012,32(6)：875-882.

[4] 徐丽晓. 工业现场传感数据无线传输技术研究[D]. 成都：电子科技大学,2013.

[5] CyberOptics Semiconductor. WaferSense®auto vibration system [EB/OL]. [2008—11—06].http:∥www.cyberopticssemi.com/products/wafersense.

[6] Liu Yan，Wang Kun.Trust control in heterogeneous networks for Internet of things[C]∥International Conference on Computer Application and System Modeling (ICCASM),2010:632-636.

[7] 钱志鸿.蓝牙技术数据传输综述[J].通信学报,2012,33(4):143-151.

[8] 李青霞,任焱晞,陈俊达.基于LabVIEW的振动自动测试与分析系统[J].振动与冲击,2003,22(2):30-32.

Design of vibration monitoring system for wafer

transmission based on wireless MEMS sensor*LIAO Qing-yuan, YE Bo-long

(School of Information Science and Engineering,Central South University, Changsha 410083,China)

A vibration monitoring system of wafer transmission is designed. Taking the MEMS capacitive acceleration sensor as test vector to collect vibration data,and the Bluetooth wireless sensor networks(WSNs) is used to transmit the signal data to host computer,on monitoring computer,data processing and real-time display can be completed. The MEMS sensor can meet the light load test requirement of wafer transmission process,and using of the Bluetooth mode can avoid drawbacks of complex wiring，high cost in vibration monitoring system. With the help of the vibration system，online real-time supervision of wafer transmission in semiconductor factory can be realized，and the breakdown can be detected early.

MEMS; acceleration sensor; wireless transmission; wafer; vibration monitoring

2014—07—31

国家创新基金资助项目(11C26214305383)； 中央财政2012年科技成果转化资金资助项目([财建2012]258号)；湖南省科技厅资助项目(2012SK3172)；国家自然科学基金资助项目(61103143)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0102—03

TP 391

A

1000—9787(2015)04—0102—03

廖清远(1974-),男，湖南益阳人，硕士，副教授，高级工程师，主要研究方向为软件工程、计算机网络。