荀本舟XUN Ben-zhou

（上海盛劍環(huán)境系統(tǒng)科技股份有限公司，上海 201807）

0 引言

目前針對半導(dǎo)體制程中的特氣處理方法有等離子一體 機(jī)（PLASMA SCRUBBER） 電 加 熱 一 體 機(jī)（HOT SCRUBBER）以及燃燒一體機(jī)（BURN SCRUBBER），在燃燒一體機(jī)中由于設(shè)備操作環(huán)境為半導(dǎo)體廠房內(nèi)，設(shè)備使用大量的天然氣燃燒，同時由于制程過程中產(chǎn)生的特氣種類和風(fēng)量跟隨工藝制程變化，因此燃燒一體機(jī)中對應(yīng)的燃料也是實(shí)時變化，這對天然氣的安全管控提出了很高的要求，也因此本文將著重講述芯片生產(chǎn)過程中的特氣處理過程中自動控制方法和實(shí)施過程，同時該方法在燃燒一體機(jī)中的得到了實(shí)際應(yīng)用。

1 特氣燃燒處理過程及S7-1500 系統(tǒng)介紹

1.1 芯片制程特氣及其處理過程

在芯片制程過程中特殊氣體則主要用于外延，摻雜和蝕刻工藝。該類電子氣體主要分為氫化物（超純氫、硅烷、磷烷等），氟化物（六氟化硫、三氟化氮、四氟化硅等），碳氟化合物（四氟化碳、六氟乙烷等）[1]。

此類特氣毒害性大、酸性強(qiáng)、成分復(fù)雜、含塵量高，且有毒易自燃，這些氣體輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則引發(fā)事故，引起人員傷亡，所以必須將其去除[2]。

特氣燃燒處理過程是將特氣送入燃燒腔內(nèi)進(jìn)行燃燒，燃燒后廢氣送入水洗塔進(jìn)行水洗除霧，合格的廢氣排至主系統(tǒng)，因此控制好燃?xì)馊紵^程的穩(wěn)定、安全、有效的使用至關(guān)重要。

1.2 S7-1500 PLC 系統(tǒng)

S7-1500 編程邏輯控制器是西門子公司近期開發(fā)的針對控制要求高，控制質(zhì)量好，且響應(yīng)速度快的新型PLC控制器。

從硬件方面來說，S7-1500PLC 的處理速度更快，診斷能力和安全性更高，不僅可節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率，而且安全可靠，維護(hù)簡單方便，真正成為工廠客戶和現(xiàn)場維護(hù)人員的首選控制器。S7-1500 PLC 采用新型的背板總線技術(shù)，采用高波特率和高傳輸協(xié)議，使其信號處理速度更快；S7-1500 PLC 的模塊集成有診斷功能，診斷級別為通道級，無需進(jìn)行額外編程，當(dāng)發(fā)生故障時，可快速準(zhǔn)確地識別受影響的通道，減少停機(jī)時間[3]。

且S7-1500PLC 使用博圖軟件具備強(qiáng)大的在線編程能力及調(diào)試能力，降低調(diào)試過程中的出錯率。同時S7-1500PLC 在半導(dǎo)體行業(yè)用的相關(guān)設(shè)備上具有較高的使用率。

1.3 燃燒特氣處理系統(tǒng)控制介紹

燃燒特氣處理系統(tǒng)重點(diǎn)自控設(shè)計(jì)包括：燃燒點(diǎn)火控制，分級報(bào)警控制，啟動過程控制，關(guān)機(jī)過程控制，火焰丟失控制，流量分程控制等。

2 燃燒特氣處理系統(tǒng)自控設(shè)計(jì)

2.1 燃燒串自控設(shè)計(jì)

燃燒串設(shè)計(jì)主要包含燃燒點(diǎn)火變壓器、火焰探測器、天然氣壓力檢測開關(guān)、天然氣電磁閥，流量控制器、壓縮空氣檢測開關(guān)、一二級壓縮空氣閥島組等組成，另外還設(shè)計(jì)燃?xì)庑孤﹫?bào)警儀和煙霧報(bào)警器等，如圖1 所示。設(shè)計(jì)通過檢測天然氣壓力以及壓縮空氣壓力判斷氣源供給是否正常；通過控制流量控制器和一二級壓縮空氣的開關(guān)控制燃料的投料量；通過火焰檢測來判斷點(diǎn)火是否成功。

圖1 燃燒串系統(tǒng)圖

2.2 安全硬聯(lián)鎖自控設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)燃燒腔溫度及出口溫度，并配置溫控器，設(shè)定好固定的報(bào)警值，然后輸出開關(guān)量控制燃燒腔不能超溫，同時將輸出串聯(lián)在天然氣閥輸出上，硬件控制天然氣的切斷。同時燃?xì)鈭?bào)警器、煙霧報(bào)警器也通過此類設(shè)計(jì)保證硬件上的安全聯(lián)鎖，同時和程控的軟件聯(lián)鎖相結(jié)合，保證任意系統(tǒng)出錯，都保證特氣處理系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.3 程序安全聯(lián)鎖自控設(shè)計(jì)

程序安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)包含點(diǎn)火程序的安全設(shè)計(jì)、運(yùn)行中火焰檢測程序設(shè)計(jì)、以及相關(guān)的報(bào)警分級設(shè)計(jì)，如圖2 所示。點(diǎn)火程序設(shè)計(jì)包含燃?xì)夂吞烊粴獾亩勘韧度?，點(diǎn)火過程中檢測到火焰熄滅后自動開啟吹掃程序，以及點(diǎn)火前的預(yù)吹掃控制和時間控制，運(yùn)行中火焰檢測程序即運(yùn)行過程中一旦檢測到火焰丟失一定時間后，自動切斷燃料并進(jìn)行吹掃停機(jī)工作；報(bào)警分級即考慮所涉及的報(bào)警為低級報(bào)警還是高級報(bào)警，若無人為干預(yù)將低級報(bào)警升級為高級報(bào)警過程，同時系統(tǒng)復(fù)雜時需將部分系統(tǒng)獨(dú)立處理做離線在線處理、降低因單個系統(tǒng)停機(jī)造成主系統(tǒng)的停機(jī)。

圖2 安全聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)圖

2.4 電氣部分自控設(shè)計(jì)

電氣部分自控設(shè)計(jì)包含變頻器的輸入輸出控制，以及控制電氣設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，例如在監(jiān)控特氣燃燒自控系統(tǒng)中刮刀，刮刀需定期啟動且每次啟動只運(yùn)行一兩個周期，那需要設(shè)計(jì)限位開關(guān)對刮刀的位置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，從開始位到結(jié)束位的時間進(jìn)行累積，再通過和限位開關(guān)的狀態(tài)點(diǎn)的累積變化，判斷刮刀是否有異?？ㄋ罓顟B(tài)，此類皆是電氣部分的自控設(shè)計(jì)。

3 S7-1500 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 IO 設(shè)計(jì)及PLC 控制設(shè)計(jì)

依據(jù)理解的工藝及需要控制點(diǎn)整理出設(shè)備的IO 清冊，并對IO 情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1，表2 所示。

表1 部分IO 清冊

表2 IO 統(tǒng)計(jì)

依據(jù)S7-1500PLC 控制系統(tǒng)選型手冊進(jìn)行設(shè)計(jì)，CPU1511-1PN 符合控制主要功能需求，然后配置16DI/16DO 輸入輸出模塊6ES7523-1BL00-0AA0 模塊4 塊；配置8AI 高性能模擬量輸入模塊6ES7 531-7NF00-0AB0 模塊5 塊，配置8AO 高速模擬量輸出模塊6ES7532-5HF00-0AB0 模塊1 塊，如圖3 所示。另配置歐姆龍24V 開關(guān)電源S8VK-G24024 型1 塊，組成主控制系統(tǒng)，然后和設(shè)備內(nèi)的儀表、隔離器、電磁閥、電磁閥島、壓力開關(guān)、變頻器、流量控制器、中間繼電器等元器件，設(shè)計(jì)自控原理圖。

圖3 PLC 模塊示意圖

3.2 儀表設(shè)計(jì)及閥、控制回路設(shè)計(jì)

依據(jù)IO 清冊中儀表以及燃燒工藝的設(shè)定，燃燒腔溫度為控制重點(diǎn)，故設(shè)計(jì)兩只熱電偶，一只傳送mv 信號，輸入信號隔離器，輸出4~20mA 信號給PLC 識別并控制燃燒溫度，另一只傳送mv 信號給溫控器，輸出開關(guān)量信號，硬件控制天然氣的切斷，此溫度控制可按高高報(bào)警點(diǎn)設(shè)置。另火焰探測器可輸出0~10V 信號和開關(guān)量信號接入PLC，用開關(guān)量信號判斷火焰的存在和丟失參考聯(lián)鎖控制，0~10V 輸出到觸摸屏顯示并提示火焰信號的大小，當(dāng)火焰低于0.2V 時基本可以判斷火焰丟失并報(bào)警，若長期低于2V 后，可提示更換火焰檢測探頭。閥門主要涉及燃燒串閥門要做防爆設(shè)計(jì)，對燃燒串要做隔爆合計(jì)，燃燒腔風(fēng)閥設(shè)計(jì)事故關(guān)閥，即正常狀態(tài)閥門打開保持燃燒腔通風(fēng)，且管路上設(shè)計(jì)微負(fù)壓傳感器，當(dāng)微負(fù)壓低于設(shè)定值時設(shè)備停機(jī)，保證燃燒過程處于負(fù)壓狀態(tài)，以保證系統(tǒng)的安全。

3.3 手動控制及界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行維護(hù)及調(diào)試預(yù)留手動控制程序及界面，以滿足調(diào)試及運(yùn)維人員的操作需求，即控制系統(tǒng)送電后可選擇手動模式和自動模式，當(dāng)手動模式時，可單個操作每個閥門及電機(jī)，并檢驗(yàn)儀表是否處于正常閾值。界面設(shè)計(jì)實(shí)時報(bào)警、歷史報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)等功能以滿足設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控要求，如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)界面

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 火焰檢測程序

在系統(tǒng)自動開啟點(diǎn)火變壓器后，延時2s 開啟天然氣總閥，小火燃?xì)忾y，進(jìn)入火焰檢測程序，當(dāng)檢測到火焰信號后，需持續(xù)檢測8s，若任意持續(xù)5s 檢測到火焰信號即點(diǎn)小火成功，就置位SMALL_FIRE_SUCESS，進(jìn)入點(diǎn)大火程序，若持續(xù)8s 檢測不到火焰信號，就置位SMALL_FIRE_FAULT，同時自動進(jìn)入熄火吹掃程序，點(diǎn)大火程序也是如此。

4.2 分級報(bào)警與報(bào)警升級程序

在設(shè)計(jì)報(bào)警程序時，需考慮報(bào)警等級是否影響到設(shè)備安全或使用，分為一般報(bào)警即三級報(bào)警，有一定的危害或長時間不處理可能影響設(shè)備安全即二級報(bào)警，立即影響到設(shè)備安全為一級報(bào)警，比如天然氣壓力未檢測、風(fēng)閥故障、小火失敗、大火失敗、運(yùn)行火焰丟失等，天然氣壓力及風(fēng)閥故障會影響設(shè)備使用造成一級報(bào)警則可以為一級報(bào)警也可以為二級報(bào)警；小火失敗、大火失敗、運(yùn)行火焰丟失不停機(jī)容易造成天然氣堆積為一級報(bào)警，但設(shè)備停機(jī)太過復(fù)雜時，且有人工干預(yù)操作時，可降級為二級報(bào)警。

4.3 刮刀控制程序

在設(shè)計(jì)刮刀控制程序時，先復(fù)位刮刀狀態(tài)位，上位系統(tǒng)點(diǎn)擊刮刀在線時，刮刀開始工作，計(jì)時1 小時后，置位刮刀運(yùn)行位，此時刮刀啟動，同時刮刀限位開關(guān)開始計(jì)時，等到刮刀上限位開關(guān)下一次觸碰時刮刀停止，同時當(dāng)時間累積超過10s（設(shè)定一圈時間為10s）時，刮刀停止，同時置位刮刀異常位，即比較刮刀限位開關(guān)觸碰時是否在10s 內(nèi)，若超過10s，即可能存在刮刀異常，然后報(bào)警給上位機(jī)提示刮刀異常，同時設(shè)定刮刀為單獨(dú)離在線模式，即刮刀可以離線進(jìn)行控制，以滿足現(xiàn)場對刮刀定期巡檢要求。

5 結(jié)論

在芯片生產(chǎn)過程中的特氣處理燃燒自動控制系統(tǒng)中，點(diǎn)火及設(shè)備運(yùn)行安全以及自動控制都十分重要，在方便運(yùn)行維護(hù)的同時，保證設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行，同時能夠脫離人為參與產(chǎn)生的誤差。S7-1500PLC 控制系統(tǒng)對應(yīng)的博圖軟件在系統(tǒng)編程和調(diào)試過程中高效實(shí)用，同時整個研發(fā)項(xiàng)目實(shí)施過程中得出了：

①通過對燃燒點(diǎn)火過程的安全聯(lián)鎖控制，能夠?qū)ο到y(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

②分級報(bào)警的有效設(shè)計(jì)能夠提高設(shè)備的安全性，同時在一定場合和工況下能夠提高設(shè)備的使用便捷性。

③芯片特氣處理過程中的自動控制設(shè)計(jì)通過了半導(dǎo)體行業(yè)SEMI 認(rèn)證，要求更嚴(yán)格精細(xì)化、同時該燃燒自動控制裝置已在項(xiàng)目上成功應(yīng)用。