施強，苗濤

（沈陽芯源微電子設(shè)備股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

在芯片制造復(fù)雜工藝過程中，離不開涂膠工藝，這其中光刻膠泵的吐膠精度與穩(wěn)定性直接影響涂膠的膜厚均勻性，進(jìn)而影響后續(xù)工藝。因此，保證每次打膠量和打膠速度的一致性顯得尤為重要，對電機控制與通斷閥的打開時都影響打膠精度，由于PLC可以定周期執(zhí)行程序，采用PLC對膠泵電機和通斷閥進(jìn)行精確控制可以保證每次打膠的一致性與穩(wěn)定性。

1 膠泵控制系統(tǒng)架構(gòu)

膠泵PLC控制系統(tǒng)包括富士PLC(NA0PA40T 包括24個輸入點與16個輸出點、Ethernet通訊接口、支持ST編程語言、8Kstep程序存儲空間)，如圖1，東方發(fā)達(dá)步進(jìn)電機控制器（SD5107P3 五項步進(jìn)電機驅(qū)動器，支持驅(qū)動電流調(diào)整與空閑狀態(tài)的電流調(diào)整以及過流報警），自制脈沖轉(zhuǎn)換模塊（采用AM26LS32作為主芯片，將差分編碼器信號轉(zhuǎn)換為5V電壓信號，并通過NPN三極管轉(zhuǎn)換為集電極輸出形式）以及指示燈。

圖1 PLC 配置圖

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示，富士PLC通過脈沖方向控制東方馬達(dá)步進(jìn)電機控制器，進(jìn)而控制膠泵五相步進(jìn)電機運動。這里使用了富士PLC的定位功能塊，該功能塊可以設(shè)定電機的加速度減速度，并可對電機進(jìn)行S型加速以及梯型加速。不同的加速特性可以保證膠泵的平穩(wěn)運行。

步進(jìn)電機尾部的增量式編碼器采用5V供電，電機轉(zhuǎn)動一圈2000脈沖輸出，與電機軸相連將膠泵的運動位置以正交信號發(fā)送到信號轉(zhuǎn)接板，經(jīng)過AM26C32芯片將差分信號轉(zhuǎn)換為TTL信號，經(jīng)過S8050三極管轉(zhuǎn)換為集電極開路信號傳送到PLC的編碼器接口（高速脈沖接口），24V通斷閥直接通過導(dǎo)線連接到PLC晶體管輸出點。PLC可以直接控制電磁閥的動作，PLC與上位機接口采用網(wǎng)口，TCP IP協(xié)議通訊，PLC為TCP IP 從站，主動連接工控機服務(wù)器。采用富士自帶的通訊協(xié)議將膠泵的工作狀態(tài)實時傳送到上位機。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 控制過程

如圖3膠泵工作流程圖。

2．1 初始化

PLC上電對系統(tǒng)進(jìn)行自檢（首先執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)部的自診斷程序，檢查PLC各部件操作是否正常。自診斷的內(nèi)容為I/O部分是否有損壞、存儲器是否存在讀寫失敗、CPU等），并與上位機進(jìn)行通訊建立TCP連接，當(dāng)收到上位機初始化命令后，PLC開始發(fā)出反向動作脈沖，控制膠泵電機向原點方向移動，在電機到達(dá)原點后，PLC控制電機正方向移動直到離開原點傳感器，這樣做由于是檢測傳感器的下降沿，可以確保每次回零點的準(zhǔn)確性。這樣膠泵回零完成，并將PLC記錄的編碼器位置清零，膠泵進(jìn)入就緒狀態(tài)，膠泵具備打膠條件。如果以上過程出問題，PLC會有報警提示，并將報警信息發(fā)送到上位機。

2．2 打膠與回填

（1）打膠。完成初始化后，上位機開始下載配方到PLC（參數(shù)包括膠量、打膠速度、打膠延時、開閥延時、關(guān)閥延遲），PLC收到打膠命令后，首先檢查配方的正確性（包含數(shù)據(jù)是否越界、速度是否為零、開閥延時是否過大導(dǎo)致膠泵損壞等），并檢測溫度開關(guān)，判斷膠泵溫度是否正常，之后開始打膠動作，使用PLC的定時器功能精準(zhǔn)延時后打開通斷閥門，PLC開始控制電機向前運動，已知目標(biāo)位置，按照關(guān)閥延時計算出在關(guān)閥位置，并在該位置關(guān)閉電磁閥，泵體到位后檢查編碼器反饋位置是否達(dá)到預(yù)期，否者將輸出報警。

（2）打膠延時。完成打膠后需要有延時，確保液路的穩(wěn)定，再進(jìn)行回填操作，這里使用PLC的定時器完成準(zhǔn)確延時，單位可以精確到毫秒。

（3）回填。回填主要是完成將光刻膠從膠瓶吸入膠泵。完成延時后膠泵將進(jìn)行回填操作，與打膠相反，電機將反向運動，由于不同需求回填速度可以在配方內(nèi)配置，運動到位后將編碼器位置與脈沖數(shù)比對，如果對比一致，膠泵完成所有動作，膠泵狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)，同時，上傳膠泵狀態(tài)。

圖3 流程圖

2．3 連續(xù)打膠模式

連續(xù)打膠模式為滿足特定打膠需求，主要用于不同速度連續(xù)多次打膠，該功能在原有功能基礎(chǔ)上增加不間斷打膠功能，實現(xiàn)按照預(yù)定配方多次連續(xù)打膠，最多支持連續(xù)寫入10個配方，實現(xiàn)10次不間斷打膠動作。

3 性能指標(biāo)

該系統(tǒng)需要滿足膠泵的工藝指標(biāo)，如表1所示。

表1 膠泵性能指標(biāo)

經(jīng)過實測打膠量與運動行程不完全成線性關(guān)系，測量打膠精度是±0.2ml，所以不能直接換算，需要進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，這里采用多項式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合（y=ax4+bx3+cx2+dx+e），系數(shù)由C語言擬合函數(shù)實現(xiàn)如圖4所示，為部分代碼。

圖4 部分?jǐn)M合代碼

如圖5，經(jīng)過不同擬合階數(shù)測試，最終選定使用一元三次方程，擬合換算前后打膠量與實際膠量關(guān)系對比圖，可以看出，擬合后曲線更加線性，如圖6，打膠精度達(dá)到了±0.02ml。精度明顯提高，達(dá)到了目標(biāo)要求。

圖5 多項式擬合前后

表2 多項式擬合后實測數(shù)據(jù)

以上通過PLC的定位功能與高速計數(shù)功能完成了PLC膠泵控制器的研發(fā)，用ST編程方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合，提高了膠泵精度，達(dá)到了預(yù)期精度標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

本文提出用富士PLC控制膠泵的控制方案與實測效果，并滿足了工藝指標(biāo)。