双工件台系统的FMECA分析-曾纪栋

8
R
传感器控制卡
R
要求恢复已关断元件
S1
17
S1
功能操作器
9 Sn
R
VME单板计算机
运动控制卡
功率放大控制卡
执行电机
GO法的操作符
控制系统信号传递过程
14/28
掩模台GO法建模
10 1-9 1-4 4 5-1 1 12-3 6 4-2 3 9 7-6 5 7-5 2 2-8 7 12-7 11 1-10 14 2-13 17 13
触发发生器
S
3
R
路径分离器
S
R1 12 R2
R1
多信号发生器
S1
多路输入输出器
R1 13 R2 R3
4
R2 R3பைடு நூலகம்
S2 Sn
S1
信号发生器
5
R
线性组合发生器
S2 Sn
14
R
S2
有信号而导通的元件
S1
6
S2
R
限值概率门
S
15
R
S2 R
要求恢复已导通元件
有信号而关断的元件
S1
7
S1
16 S2
R
延迟发生器
S
权限重新分配的RPN计算
识别框架 {F1 , F2 ,, Fn }
证据集合E {E1, E2 ,, Em}
专家权重W {w1 , w2 ,, wm}
C E
识别框架内i专家的冲突因子ki
j 1 j i m ij j 1 j i m j 1 j i ij j 1 j i
23/28
基于权重的RPN计算
故障模式 识别号 模式 微动台 垂向电 机负载 过大 检测难 检测难 检测难 度等级 度等级 度等级 (D1) (D2) (D3) 2 2 6
DDR=2×0.3333+2×0.3333+6×0.3333 =3.3333
20201
权重
0.3333
0.3333
0.3333
m
m
ij
C E
n i p j
ij
其中 Cij
p 1, q 1 pq

n
mi ( Fp )m j ( Fq )
Eij
p q 1
m ( F )m ( F )
q
mi (Fp )表示为第i个专家对第p个命题的打分概率
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专家打分等级对应概率表
专家所评等级对应的等级概率
硅片台子系统的分析
硅片台中微动台的音圈电机的RPN值最大，音圈电机是影响硅片台子 系统可靠性的关键部件。实际粗动台的发生故障较高，但计算出的其他 零部件故障的RPN结果比较符合实际情况。
19/28
权限重新分配的RPN计算
证据独立区域
再分配的权限量w*
证据重叠区域
保留的基本权限Wb
m1 m2 m3
20/28

故障树定性分析只能分析会导致顶事件发生的原因，但不能说明各个 底事件的重要程度
12/28
GO法对控制系统的建模
方法 GO法
以成功信号状态开始分析最终 输出信号的成功状态 归纳法：以系统图和原理图为 基础 不同的人建模差别不大 类此系统原理图 尤其适用有实际物流的系统
FTA
以故障为向导，分析顶 事件发生的最终原因 演绎法：通过找出引起 上级事件的原因 不同的人建模差别较大 分层次逻辑图 适用大部分系统，但对 复杂系统建树困难
掩模台故障树
11/28
故障树定性分析



掩模台定性分析
掩模台的最小割集 {X1}，{X2}，{X3}，…… ，{X25}
故障树中引发顶事件发生的割集25个。都会影响掩模台的正常运行



硅片台定性分析
硅片的最小割集 {X1}，{X2}，{X3}，…… ，{X26}
故障树中引发顶事件发生的割集26个。都会影响硅片的正常运行
系 统 任 务 分 析
系 统 功 能 分 析
确 定 故 障 判 据
输 出 分 析 报 告
18/28
双工件台系统的CA分析

RPN法
RPN OPR * ESR * DDR
专家打分方式获取各个故障模式的可靠性数据 掩模台的CA分析
在32种列举的故障故障模式中，音圈电机的故障模式数较多，且RPN 值最大。它是影响此系列掩模台系统可靠性的关键部件。与实际中出现 故障的影响结果是比较接近的。
等级 专家 所评等级 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 0.9 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0.1 0.8 0.1 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0.1 0.8 0.1 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0.1 0.8 0.1 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0.1 0.8 0.1 0 0 6 0 0 0 0 0.1 0.8 0.1 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0.1 0.8 0.1 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0.1 0.8 0.1 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.8 0.1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.9
63.33
68.69064
35.56 33.33 32
31.69164 29.68406 31.59846
硅片台微动台的RPN值计算
25/28
主要内容
1. 研究背景及意义
2. 研究内容


双工件台系统结构介绍
双工件台系统的故障树建模 双工件台系统的FMECA分析
m 1 m Ci Ei 2 i 1 i 1
w
*
证据冲突权限w
* 1
C
i 1 m
m
i m
1 Ci Ei 2 i 1 i 1
w*
wi1
Ei
E
i 1
m
* w1
wi 2
1/ Ci
i
(1/ C )
i 1 i
m
* w2
W2 {w1, w2 ,, wm} {w1b w11 w12 , w2b w21 w22 ,, wmb wm1 wm2}
权限重新分配
故障模式 识别号 模式
DDR=2×0.3788+2×0.3788+6×0.2423 =2.969
20201
检测难 检测难 检测难 度等级 度等级 度等级 (D1) (D2) (D3) 2 0.3788 6 0.2423
微动台 垂向电 2 机负载 过大 权重 0.3788
24/28
RPN值计算方法比较
识别号 20209 故障模式 传统方法计算 改进分配权重 RPN值 后的RPN值 66.37 68.0193
20204
20206 20201 20212
微动台音圈电 机对其他运动 件产生干扰 微动台 X\Y\Z\RX\RY \RZ向运动精 度超标 微动台加速度 不能达到要求 微动台垂向电 机负载过大 微动台温差超 标
顶事件/输出事 件 建模方式
建模一致性
结构
适用范围
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GO法对控制系统的建模
逻辑关系 操作符 逻辑关系 操作符
S1
两状态单元
S
1
R
与门
10 Sn S1
R
S1
或门
2 Sn
R
M取K门
S2 Sn
11
R
PR PS * P 1
两状态单元的运算规则 P1为操作符的概率，是由 所代表元器件的故障率所 决定的。
8 12 1-11 15 1-12 16
编号 1 2 3 4
类型 5 4 12 1 7 7 12
单元名称 VME单板计算机 传感器处理卡2（SB_02） VME总线 运动控制卡8（MC_08） 运动控制卡9（MC_09） 运动控制卡10（MC_10） 功率放大控制卡5（PAC_05）
失效率λ（10-6/h） 0 0.6382 0 2.6634 2.6634 2.6634 0.6382
硅片台
承载掩膜，和硅片台同步运动。扫描方向的大行程运动和6 自由度微动（2组平面电机+（4+4+4）×2组音圈电机）。隔振 消振组件、散热组件、机座组件等
控制系统
发出控制指令控制双工件台的运动。
08/28
主要内容
1. 研究背景及意义
2. 研究内容


双工件台系统结构介绍
双工件台系统的建模 双工件台系统的FMECA分析
产品型号
完工时间 分辨率 曝光光源 工件台运行方式 效率 价格 单台套刻精度 多机套刻精度
90nm
ArF 步进扫描（单工 件台） 135片/h 1千万欧元 12nm
20nm
03/28
课题来源

发展光刻机产业，促进国家信息化产业发展
国家科技重大专项02专项项目。本论文来源于与清华大 学合作的《光刻机系统样机研制阶段可靠性评估和强化的 关键技术》
3. 下一步工作
06/28
光刻机的结构介绍


光刻机：掩模对准曝光机。主要是将掩模上的图案按一定 比例投影到硅片上，并完成对硅片的曝光 主要功能：对准和曝光
掩模台
测量系统
曝光系统
光刻机三大核心技术
工件台 对准 曝光技术
硅片台
07/28
双工件台结构介绍
双工件台
硅片台 掩模台 控制子系统
掩模台
承载硅片，和掩模台同步运动。扫描方向和步进方向大行程 运动和6自由度微动（2组直线电机+(8+2+4)组音圈电机）。隔 振消振组件、散热组件、机座组件等。
04/28
论文的基本结构
光刻机双工件台系统的FMECA分析 第二章 可靠性分析方法概述 第三章 双工件台系统的 可靠性建模 第四章 双工件台系统的 FMECA分析
第五章 结论与展望
05/28
主要内容
1. 研究背景及意义
2. 研究内容


双工件台系统结构介绍
双工件台系统的故障树建模 双工件台系统的FMECA分析
T1
熟悉系统
M1 M2 M3 M4
确定顶事件 拓展故障树 简化故障树
A
M5
M6 A
X1
X2
M7
M8
M9
M10
M11
X3
M12
M13
M14
B
M15
M16 B
M17 B M22
X4
M18
X5
M19 B
X6
X7
X8
X9
X10 X11 X12 X13 X14 X15
M20
M21
X16 X17
X18 X19 X20 X21 X22 X23 X24 X25
0
22/28
加入权重的专家打分
再分配的权限总量w* m (k * ) min{wi | i 1, 2,, m}
1 * 1 * 1 * 保留的基本权限Wb w1 w , w2 w ,, wm w m m m
证据一致性权限w
* 1
1 m Ei 2 i 1
PS17 PC1 * PC 3 4 * PC 7 10 * PC 9 PC1 * PC 3 4 * PC 7 11 * PC10 PC1 * PC 3 5 * PC 2 2 * PC 5 * PC11 * PC12 PC1 * PC 3 6 * PC 2 3 * PC 6 * PC11 * PC12
3. 下一步工作
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双工件台系统的建模
双工件台结构
硅片台 掩膜台
硅片台
采用建模 顶事件/输出事件 方法
故障树
硅片台机械运动系统不能正常 运行 掩模台机械运动系统不能正常 运行 硅片台控制系统能够输出正确 的控制信号 掩模台控制系统能够输出正确 的控制信号
控制部分
掩模台
GO法
10/28
两个子系统的建树分析
5 6 7
8
9
2
1
或门
平衡块直线电机组（2个直线电机）
0
1.6
10
11 12 13
1
1 1 2
粗动台直线电机组（2个直线电机）
功率放大控制卡4（PAC_04） 微动台音圈电机组（14个音圈电机） 或门
1.6
0.6382 0.1596 0
15/28
掩模台GO法的定量分析


系统可靠度
PS17=2/(3*exp(2.0196*10^(-6)*t))+1/(3*exp(2.2382*10^(-6)*t))。 当t=30*24h时， PS17=0.9985； 当t=365*24h时，PS17=0.9818。 可以看出掩模台控制系统的能正常工作的概率较高。即使长时间工作，只要 保证外部环境稳定，掩模台控制系统能正常工作的概率较高。设计过程中可 以忽略控制系统对系统可靠性的影响。
光刻机双工件台系统的FMECA 分析
硕士生： 曾纪栋 导 师： 凌丹 副教授 专 业： 机械电子工程
光刻机简介
芯片无处不在
光刻机是微电子装备的龙头
02/28
国内外光刻机厂家产品比较
光刻机生产厂家 上海微电子装备有 限责任公司 （SMEE） SSA600/20 （第8代） 2009年 90nm ArF excimer laser （ArF准分子激光） 步进扫描（单工件 台） 几百万美元 ASML PAS 5500/1150C （第8代） 1997 TWINSCAN NXE:3300B （第11代） 2013 22nm EUV(远紫外线) 步进扫描（双工 件台） 125片/h 1亿美元 3.5nm 5.0nm

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主要内容
1. 研究背景及意义
2. 研究内容


可靠性方法介绍
双工件台系统结构介绍 双工件台系统的故障树建模

双工件台系统的FMECA分析
3. 下一步工作
17/28
双工件台系统的FMECA分析
实 施 F M E C A 分 析 给 出 F M E C A 结 论
明 确 分 析 任 务