高 羽

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032)

1 引言

硅基集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)之一是在硅片表面熱生長一層氧化層。氧化物掩蔽技術(shù)是一種在熱生長的氧化層上通過刻印圖形和刻蝕達(dá)到對硅襯底進(jìn)行擴(kuò)散摻雜的工藝技術(shù)，這是制造大規(guī)模晶體管的關(guān)鍵工藝。為氧化和擴(kuò)散過程提供高可靠的工藝環(huán)境，是氧化擴(kuò)散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為達(dá)到這一目標(biāo)，現(xiàn)提出以PLC為控制核心，對整個(gè)工藝過程進(jìn)行檢測和控制的氧化擴(kuò)散系統(tǒng)。

2 工藝要求

本系統(tǒng)為臥式4管氧化擴(kuò)散系統(tǒng)，工作溫度范圍為800至1200攝氏度，并可以根據(jù)工藝要求設(shè)定升溫降斜率，常規(guī)為20攝氏度每分鐘(或者更小)，溫度分辨率為0.1度。能提供氮?dú)狻錃?、氧氣，根?jù)不同的工藝要求提供相應(yīng)的氣體流量從幾十毫升每分鐘到幾升每分鐘。溫度控制精度為正負(fù)1攝氏度。要求有自動進(jìn)出舟系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝過程的完全自動化。

3 功能要求

可以提供至少20套、每套至少20步以上的程序。提供清晰的人機(jī)交互界面。可以顯示各項(xiàng)溫度、氣體的設(shè)定值和實(shí)際值，以及各項(xiàng)報(bào)警信息，方便工藝設(shè)定和設(shè)備調(diào)試。

具體功能要求如下:

(1)以觸摸屏為人機(jī)交換界面，按要求提供操作方式、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、各種報(bào)警信息及相應(yīng)的保護(hù)措施，還要有完整的保護(hù)和互鎖功能，以防止誤操作，提供手動和自動兩種工作方式，以方便調(diào)試和維修。

(2)提供電加熱的3段控溫爐體，提供手動的溫度校準(zhǔn)方式，提供溫區(qū)表用以存儲溫度校準(zhǔn)參數(shù)。

(3)提供自動/手動兩種控制方式。自動方式用于日常的工藝生產(chǎn)，手動方式用于設(shè)備調(diào)試維修。

4 硬件設(shè)計(jì)

整體硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。根據(jù)實(shí)際的輸出點(diǎn)數(shù)選擇三菱FX2N－48MT PLC作為系統(tǒng)控制核心，來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)氧化系統(tǒng)工藝過程的控制。

(1)爐體采用三段式分段控制爐體，帶水冷套，保證整個(gè)溫度控制過程的穩(wěn)定。使用S型貴金屬熱偶(該熱偶為鉑銠10—鉑，工作溫度為0至1600攝氏度)對溫度進(jìn)行測量，可以滿足整個(gè)工藝過程中對溫度精度的要求。采用AI系列的多路測量顯示儀對溫度進(jìn)行控制。根據(jù)需要測量的熱偶數(shù)量，使用AI－704M對爐管溫度進(jìn)行測量。每塊AI－704M可以測量的熱偶數(shù)為4，其中3組為控溫?zé)崤?，另外一組為超溫報(bào)警熱偶。

圖1 整體硬件設(shè)計(jì)圖

AI－704M使用異步串行通訊接口，接口電平符合RS485標(biāo)準(zhǔn)。通訊傳輸數(shù)據(jù)的波特率可調(diào)為4800～19200字節(jié)/秒。AI－704M標(biāo)準(zhǔn)的通訊指令只有兩條，一條為讀指令，一條為寫指令，標(biāo)準(zhǔn)讀和寫指令分別如下:

讀:地址代號+52H(82)+要讀的參數(shù)代號+0+0+校驗(yàn)碼寫:地址代號+43H(67)+要寫的參數(shù)代號+寫入數(shù)低字節(jié)+寫入數(shù)高字節(jié)+校驗(yàn)碼

以4路溫度數(shù)據(jù)輸入為例，由PLC向AI－704M發(fā)讀命令。4路數(shù)據(jù)的地址代號分別為0081H、0082H、0083H、0084H;要讀的參數(shù)代號為00H;校驗(yàn)碼分別為0×256+82+1=83，0×256+82+2=84，0×256+82+3=85，0×256+82+4=86;轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制數(shù)即為53H，54H，55H，56H;讀命令為:

第 1路:0081H 0081H 0052H 0000H 0000H 0000H 0053H 0000H

第 2路:0082H 0082H 0052H 0000H 0000H 0000H 0054H 0000H

第 3路:0083H 0083H 0052H 0000H 0000H 0000H 0055H 0000H

第 4路:0084H 0084H 0052H 0000H 0000H 0000H 0056H 0000H

PLC向AI－704M發(fā)出讀指令后，AI－704M會向PLC返回一個(gè)10字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中前2位為熱偶測量的溫度實(shí)際值。在AI－704M上的PV處顯示。溫度采集模塊與PLC之間的通信如圖2所示。

圖2 溫度模塊與PLC通訊圖

(2)氣體控制采用七星華創(chuàng)生產(chǎn)的D07系列質(zhì)量流量控制器。其優(yōu)點(diǎn)為接口類型多樣，可以滿足各種氣路、電路接口的連接，價(jià)格相對較低，并且具有較高的穩(wěn)定性。由于氣體流量為模擬量控制，而FX2N－48MT PLC只能輸出開關(guān)量，需要外加數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。PLC模擬量的輸出采用FX2N－4DA，F(xiàn)X2N－4DA將控制信號以電壓的形式輸送給質(zhì)量流量控制器，質(zhì)量流量控制器測回的氣體流量以電壓的形式輸入FX2N－4AD。FX2N－4AD/DA一共可以有4路輸入，可以滿足氧化擴(kuò)散系統(tǒng)對氣體控制的需求。

(3)開關(guān)量。開關(guān)量控制參數(shù)只有開和關(guān)兩個(gè)參數(shù)，主要用于進(jìn)出舟電機(jī)、爐門電機(jī)、冷卻風(fēng)扇等。開關(guān)量可以直接從PLC的輸出端子獲得，不需要外接電路。但PLC開關(guān)量不能直接控制強(qiáng)電，需要加繼電器。這里設(shè)PLC的輸出端子Y21、Y22分別控制舟向前和舟向后的繼電器K21、K22。在手動狀態(tài)下，通過觸摸屏給設(shè)備一個(gè)“舟向前”的命令，PLC的輸出端子Y21為ON，繼電器K21吸合，進(jìn)出舟電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，舟向前運(yùn)動，直到觸發(fā)前端限位開關(guān)，電機(jī)停止運(yùn)動，完成“舟向前”的命令。同樣，通過觸摸屏給設(shè)備一個(gè)“舟向后”的命令，PLC的輸出端子Y22為ON，繼電器K22吸合，進(jìn)出舟電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，舟向后運(yùn)動，直到觸發(fā)后端限位開關(guān)，電機(jī)停止運(yùn)動，完成“舟向后”的命令。

(4)對觸摸屏的要求

a.觸摸屏必須能提供自動和手動兩種控制方式，并且兩種控制方式之間可以自由轉(zhuǎn)換，以方便設(shè)備的正常使用和維修調(diào)試。

b.PLC通過各種渠道采集的數(shù)據(jù)可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)還要顯示溫度、氣體和舟位置的目標(biāo)值，以方便監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)是否正常。

c.可以通過觸摸屏對設(shè)備各參數(shù)進(jìn)行修改。包括程序時(shí)間、目標(biāo)溫度、氣體流量、舟位置和溫度修正值等等。

d.實(shí)時(shí)反映設(shè)備異常報(bào)警，并記錄報(bào)警內(nèi)容、時(shí)間等數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

以PLC為控制核心的氧化擴(kuò)散系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備的實(shí)際使用情況提供更靈活的控制方式，在保證設(shè)備穩(wěn)定性的前提下提供更高效的生產(chǎn)能力?？梢员ＷC整個(gè)工藝過程的全自動控制，基本避免由于操作不當(dāng)造成的損失，并且降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。設(shè)備穩(wěn)定性高且易于維護(hù)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

［1］王阿根.PLC編程控制精編108例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009－12.

［2］向曉漢.三菱FX系列PLC精通全教程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012－05.

［3］李金成.PLC模擬量于通信控制應(yīng)用實(shí)踐［M］北京:電子工業(yè)出版社，2011－10.