王 艾，徐 冬

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司集成電路工藝設(shè)備研發(fā)中心，北京 101312)

立式爐是300mm集成電路制造的重要工藝設(shè)備，適用于集成電路制造過程中氧化、退火、薄膜生長等工藝。立式爐的工作溫度一般為數(shù)百攝氏度至上千攝氏度。在工藝過程中，立式爐需形成一定溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可控的恒溫區(qū)，要求滿足均勻性，以及快速響應(yīng)要求，并對建立的恒溫區(qū)的長度也有一定的要求，用以保證硅片的工藝質(zhì)量[1]。

本文描述了針對300mm立式爐設(shè)備的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一整套恒溫區(qū)測量的軟硬件系統(tǒng)，現(xiàn)場的使用情況表明，該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、使用方便的特點(diǎn)，系統(tǒng)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于加熱器恒溫區(qū)的分析，改進(jìn)加熱器設(shè)計(jì)，以獲得更均勻、穩(wěn)定的熱場。

1 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司現(xiàn)有的300mm氧化爐設(shè)備，采用單反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，爐體加熱絲包覆的范圍劃分為多個(gè)區(qū)段(Zone A，B，C，D……)，各區(qū)段有獨(dú)立的功率輸出單元以控制溫度。爐體配置有兩組熱電偶用于提供每一區(qū)段的溫度信息，一組位于石英管內(nèi)稱之為“Profile”熱電偶，其測得的溫度較接近硅片本身的溫度；另一組則靠近加熱絲稱為“Spike”熱電偶，其測得的溫度較接近加熱絲本身的溫度[2]。整套系統(tǒng)如圖1所示。

依據(jù)此設(shè)備結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了恒溫區(qū)測量裝置用于檢測該立式爐反應(yīng)室的恒溫區(qū)，該測量裝置是在正常工藝過程之前使用的，它的主要目的：（1）驗(yàn)證恒溫區(qū)是否滿足要求——溫度誤差（恒溫區(qū)的溫度誤差不超過指定誤差范圍）和恒溫區(qū)的長度；（2）確定恒溫區(qū)的位置，實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)Dummy片的位置，以調(diào)整舟上生產(chǎn)片的分布，保證工藝質(zhì)量。

恒溫區(qū)測量裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括工控機(jī)IPC，PLC，電動機(jī)，測溫TC（熱電偶）。因?yàn)镻LC具有安全性高、可靠性好的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用PLC實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制和溫度采集。上位機(jī)使用抗干擾性強(qiáng)的工控機(jī)IPC，和PLC之間采用以太網(wǎng)連接方式通訊，由軟件人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)操作功能。

圖1 立式爐溫度控制示意圖

圖2 恒溫區(qū)測量裝置的硬件結(jié)構(gòu)

2 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制功能

本系統(tǒng)采用自動方式，進(jìn)行恒溫區(qū)測量，可實(shí)現(xiàn)3種熱電偶運(yùn)動控制模式，顯示熱電偶當(dāng)前的狀態(tài)——運(yùn)動速度、位置、溫度，還可保存溫度、位置等數(shù)據(jù)。

為了靈活實(shí)現(xiàn)反應(yīng)室內(nèi)任一溫度點(diǎn)的測量，本系統(tǒng)提供了3種熱電偶運(yùn)動模式：連續(xù)模式、間斷模式、單步模式。

（1）連續(xù)模式——熱電偶從原點(diǎn)開始一直運(yùn)動，直到走完指定行程（設(shè)定的距離），中間不暫停等待穩(wěn)定，運(yùn)動速度為100mm/min（上位機(jī)可設(shè)置速度）；

（2）間斷模式——熱電偶的運(yùn)動速度為100mm/min（上位機(jī)可設(shè)置速度），熱偶運(yùn)動10mm后，停下來，等待30s后（下位機(jī)用定時(shí)器設(shè)置等待時(shí)間），再繼續(xù)運(yùn)動10mm，再靜止，按照這種間歇方式運(yùn)動，直至走完指定行程（設(shè)定的距離）；

農(nóng)田水利建設(shè)的資金需求的滿足，無論是項(xiàng)目也好，還是企業(yè)也好，都和一般的貸款有一個(gè)區(qū)別，就是它的安全性、流動性和引領(lǐng)性相對都要差一些。也就是說，用我們的行話來說，它的抵押擔(dān)保物的安全可靠程度要差一些。同時(shí)，還款的來源也沒有一般工商企業(yè)等那么充沛、那么穩(wěn)定、那么持續(xù)。所以，對農(nóng)田水利建設(shè)的貸款投入需要監(jiān)管部門給予特殊的制度安排，予以支持。我在這里介紹一下銀監(jiān)會是如何按照黨中央、國務(wù)院的要求，對農(nóng)田水利建設(shè)方面的貸款支持出臺了哪些政策。

（3）單步模式——熱電偶按照設(shè)定的速度一直運(yùn)動，直至走完設(shè)定的距離（設(shè)定的距離是相對于當(dāng)前位置）；而前兩種模式（1）和（2）設(shè)定的距離是絕對模式，設(shè)定的距離是相對于原位而言。單步模式可以靈活實(shí)現(xiàn)熱偶的前進(jìn)和回退運(yùn)動，能根據(jù)需要測量反應(yīng)室內(nèi)任一點(diǎn)的溫度。

2.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

軟件控制系統(tǒng)由下位機(jī)程序和上位機(jī)程序組成。下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)熱電偶的運(yùn)動控制和熱電偶的溫度信號采集，主要是通過PLC梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)，包括以下功能程序塊：

（1）讀狀態(tài)：讀取運(yùn)動控制模塊內(nèi)的狀態(tài)，包括目標(biāo)位置，當(dāng)前位置，當(dāng)前速度，限位的狀態(tài)（開關(guān)量輸入點(diǎn)狀態(tài)），錯(cuò)誤狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài)，搜索原點(diǎn)狀態(tài)等。

（2）參數(shù)設(shè)定：設(shè)置運(yùn)動控制模塊的登陸參數(shù)，包括設(shè)置脈沖輸出模式，旋轉(zhuǎn)方向，限位輸入極性等。

（3）錯(cuò)誤復(fù)位：解除位置模塊的異常狀態(tài)。

（4）立即停機(jī)：對定位操作中、原點(diǎn)搜索中等處于運(yùn)行狀態(tài)的電動機(jī)不減速而是要求立即停機(jī)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可通過該程序緊急停機(jī)。

（5）原點(diǎn)搜索：根據(jù)原點(diǎn)搜索程序執(zhí)行找原點(diǎn)操作，程序能根據(jù)原點(diǎn)搜索要求開始原點(diǎn)搜索，再通過設(shè)定的外部接點(diǎn)輸入結(jié)束原點(diǎn)搜索。

（6）點(diǎn)對點(diǎn)的定位運(yùn)動：根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)位置，執(zhí)行定位操作。前述提及的3種熱電偶運(yùn)動模式：連續(xù)模式、間斷模式、單步模式，均屬于PTP（Point to point Move）定位運(yùn)動。

（7）溫度采樣程序：根據(jù)設(shè)定的輸入采樣周期、輸入種類，讀出儀表內(nèi)的測量值。

2.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序采用Visual Studio 2005C#進(jìn)行程序開發(fā)，生成的用戶操作界面如圖3所示。該界面可使用戶方便地操作恒溫區(qū)測量裝置的3種運(yùn)動模式和回原點(diǎn)操作，顯示熱電偶當(dāng)前的狀態(tài)，復(fù)位故障，還可讀取、保存溫度、位置等數(shù)據(jù)。

圖3 用戶操作界面

上位機(jī)是通過以太網(wǎng)與PLC的CPU模塊建立連接，它們之間的通訊是基于Socket連接，程序流程圖如圖4所示，完成以下功能：

（1）開始程序運(yùn)行，啟動主線程，完成網(wǎng)絡(luò)IP地址、端口的配置，成功的建立IPC與PLC的Socket連接，運(yùn)動控制模塊參數(shù)的初始化，生成圖形界面，等待下一步操作輸入；

（2）若PLC上電之初，熱電偶不處于原位，應(yīng)先進(jìn)行回原位操作（可根據(jù)界面上的提示信息決定是否執(zhí)行該操作）；

（3）根據(jù)輸入指令，啟動數(shù)據(jù)的采集、保存；使用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，保存熱電偶運(yùn)動的位置和采集的溫度；

（4）根據(jù)選擇的運(yùn)動模式，設(shè)定定位距離、運(yùn)動速度等，啟動所選擇的運(yùn)動模式；

（5）根據(jù)輸入指令，結(jié)束數(shù)據(jù)的采集、保存；

（6）根據(jù)指令要求在完成恒溫區(qū)測量操作后，安全退出程序。

圖4 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

恒溫區(qū)測量實(shí)驗(yàn)是在爐體的多段溫區(qū)控溫溫度均為900℃穩(wěn)定條件下進(jìn)行的，測量裝置采用間斷運(yùn)動模式走完指定行程1112mm，根據(jù)保存的數(shù)據(jù)，繪制了爐體的恒溫區(qū)示意圖，如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為熱偶的位置，縱坐標(biāo)為熱偶的溫度。圖5中可清楚的看到，系統(tǒng)熱場在未進(jìn)行熱偶補(bǔ)償?shù)那闆r下，恒溫區(qū)在1℃的誤差范圍內(nèi)長度大于1000mm，所建立恒溫區(qū)滿足工藝要求。

圖5 恒溫區(qū)測量結(jié)果

4 結(jié) 論

針對300mm立式爐設(shè)備的應(yīng)用，自主設(shè)計(jì)了一整套恒溫區(qū)測量的軟硬件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)熱電偶的3種運(yùn)動模式，顯示熱電偶當(dāng)前的狀態(tài)，讀取、保存溫度、位置等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)目前已在我公司研制的300mm氧化爐設(shè)備上成功使用，能滿足立式爐設(shè)備測量恒溫區(qū)的需求，具有運(yùn)行可靠、使用方便的特點(diǎn)。

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[1]徐 冬，程朝陽，陳 亞，等.300mm立式爐溫度控制系統(tǒng)研制[J]，電子工業(yè)專用設(shè)備，2010（4）:24-28.

[2]李彥斌.應(yīng)用MBTC溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)散爐的先進(jìn)工藝要求[J]，電子工業(yè)專用設(shè)備，2004（3）:60-63.