王昆 曲慶韜

摘要：為了完成單晶硅的化學(xué)機(jī)械拋光，本文提出了一種單晶硅化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該控制系統(tǒng)以西門子的PLC S7-200為核心，實(shí)現(xiàn)控制單相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)水平往復(fù)周期性運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸的單晶硅晶片設(shè)置合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以得到高表面質(zhì)量的表面。并針對(duì)特定尺寸的單晶硅晶片進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，得到滿足粗糙度要求的表面。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉Ч?化學(xué)機(jī)械拋光;西門子PLC S7-200

中圖分類號(hào)：TN305 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）11-0007-02

1 概述

單晶硅是半導(dǎo)體，其光學(xué)、機(jī)械及化學(xué)性能優(yōu)異。在常溫下（300 K）硅的電阻率為 2.3×105Ω·cm，硅禁帶寬度為1.1ev;折射系數(shù)和反射率都很高;化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于酸，但易溶于氟化氫和硝酸的混合液。既廣泛用于制作芯片和光學(xué)元器件，也廣泛應(yīng)用在太陽能電池和探測(cè)器上[1]，有巨大的市場(chǎng)空間和前景，這對(duì)獲得高表面質(zhì)量的單晶硅提出了迫切要求。

在我國50年代，隨著光學(xué)玻璃制品的深加工，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)也開始發(fā)展起來，化學(xué)機(jī)械拋光作為唯一的全局平坦化拋光技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已被廣泛應(yīng)用于各類芯片和光學(xué)晶體的超精密加工中，其加工示意圖如圖1所示。首先，通過化學(xué)氧化反應(yīng)削弱材料原子分子之間的鍵能，形成一個(gè)全新的氧化分子層，再通過機(jī)械摩擦去除經(jīng)氧化的表面軟化層材料，流動(dòng)的拋光液沖走脫落的材料[2]。

本文在繼承開放式表面恒壓化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于西門子的PLC S7-200，設(shè)計(jì)了化學(xué)機(jī)械拋光控制系統(tǒng)，其可以根據(jù)不同尺寸的單晶硅晶片設(shè)計(jì)合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，得到高表面質(zhì)量的表面。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單晶硅化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備總體由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備和水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)設(shè)備組成，如圖2所示。控制系統(tǒng)硬件由以下部分組成：

（1）西門子PLC S7-200;（2）步進(jìn)電機(jī);（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;（4）交流調(diào)速器;（5）單相交流電機(jī)（帶剎車）;（6）+24V直流電源。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備由PLC控制單相交流電機(jī)的周期性啟停和正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速由交流調(diào)速器控制，控制模式為開環(huán)控制。水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)設(shè)備由PLC控制步進(jìn)電機(jī)的周期性往返運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置限位開關(guān)，對(duì)運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行限定，控制模式為開環(huán)控制。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供兩種不同的控制信號(hào)：正脈沖/負(fù)脈沖、脈沖+方向。

其拋光工作流程如圖3所示。首先安裝好拋光板和單晶硅待拋件，經(jīng)過百分表定位后，調(diào)節(jié)換向閥和調(diào)壓閥加壓將單晶硅待拋件壓在拋光板表面，滴加拋光液潤濕接觸面，完成準(zhǔn)備和安裝工作;隨后根據(jù)實(shí)際的拋光參數(shù)設(shè)定單相交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù);同時(shí)啟動(dòng)單相交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，單相交流電機(jī)帶動(dòng)拋光板按設(shè)定的運(yùn)動(dòng)方式旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平移臺(tái)按設(shè)定的速度、運(yùn)動(dòng)距離和往返次數(shù)做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成單晶硅的化學(xué)機(jī)械拋光。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在保證自動(dòng)化的前提下，控制好拋光板和工件的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)拋光出符合粗糙度要求的表面至關(guān)重要。

首先，采用PLC完成對(duì)單相交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制，其中包括啟停和正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)單相電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，只需改變電源在電機(jī)內(nèi)電容兩側(cè)的接入位置，將PLC的兩個(gè)數(shù)字量輸出口通過中間繼電器與交流調(diào)速器的正反轉(zhuǎn)端子連接。為了防止電機(jī)正反轉(zhuǎn)同時(shí)接通而燒毀電機(jī)，還要增加互鎖保護(hù)功能，當(dāng)電機(jī)正向啟動(dòng)時(shí)，可以增加按鈕互鎖或者線圈互鎖功能，保證電機(jī)無法反向轉(zhuǎn)動(dòng)，反向啟動(dòng)類似。同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際使用情況添加定時(shí)器和計(jì)數(shù)指令[3]，控制電機(jī)按照運(yùn)動(dòng)要求周期性正反轉(zhuǎn)與啟停。

其次，采用PLC完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)周期性水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)的控制，需要使用西門子的EM235模塊，根據(jù)模塊說明書要求完成與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的模板接線，通過STEP7-Micro/Win SP9軟件的“位置控制向?qū)А迸渲霉ぞ?，在離線的情況下，完成定位模塊EM253的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)等設(shè)置[4]。

配置控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出極性、控制方向，其中系統(tǒng)的測(cè)量單位選擇“使用相對(duì)脈沖數(shù)”;方向控制既可以選擇“使用P0輸出正向運(yùn)動(dòng)脈沖;使用P1輸出負(fù)向運(yùn)動(dòng)脈沖?！币部蛇x擇“使用P0輸出雙向運(yùn)動(dòng)脈沖;使用P1指明運(yùn)動(dòng)方向。P1有效為正向運(yùn)動(dòng);P1無效為負(fù)向運(yùn)動(dòng)?！?根據(jù)實(shí)際使用情況定義電機(jī)的速度，包括最大速度、最低速度和啟動(dòng)/停止速度;設(shè)置運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)和數(shù)量。其次應(yīng)用“POSx_CTRL”命令編制程序，使用SM0.0接通參數(shù)“EN”、“MOD_EN”，使每一個(gè)循環(huán)都執(zhí)行。然后將程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊下載到S7-200 CPU中，進(jìn)入EM 253控制面板中進(jìn)行調(diào)試，在此界面中手動(dòng)操作尋找機(jī)械設(shè)備的參考點(diǎn)，調(diào)用、調(diào)試或者修改預(yù)定義的運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)，如圖4所示。根據(jù)實(shí)際拋光需求，編制程序，下載到S7-200 PLC，調(diào)試運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以56mm×45mm×6mm的單晶硅晶片為例，根據(jù)計(jì)算出的拋光運(yùn)動(dòng)軌跡，推算出相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)和單相交流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其中方向控制選擇“使用P0輸出正向運(yùn)動(dòng)脈沖;使用P1輸出負(fù)向運(yùn)動(dòng)脈沖?！辈竭M(jìn)電機(jī)最大運(yùn)動(dòng)速度為脈沖217600脈沖/s，最低速度為20脈沖/s，加減速時(shí)間設(shè)置為100ms，往復(fù)周期設(shè)置為300次;單相交流電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為37r/min，30次往返運(yùn)動(dòng)切換正反轉(zhuǎn)，其中停止時(shí)間忽略不計(jì)。進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)后得到表面粗糙度達(dá)到0.927nm。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用西門子PLC S7-200分別控制單相交流電機(jī)完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)完成水平往復(fù)周期性運(yùn)動(dòng)。針對(duì)不同的實(shí)際拋光參數(shù)設(shè)定合理的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以得到符合粗糙度要求的單晶硅表面，并針對(duì)特定尺寸單晶硅晶片進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，得到表面粗糙度為0.927nm的表面，滿足表面粗糙度要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張文爽.單晶硅精密研拋的分子動(dòng)力學(xué)仿真及試驗(yàn)研究[D].吉林大學(xué)，2013.

[2]王永光.基于分子量級(jí)的化學(xué)機(jī)械拋光材料去除機(jī)理的理論和試驗(yàn)研究[D].無錫：江南大學(xué)，2008.

[3]西門子（中國）有限公司.SIMATC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M].2008.

[4]西門子（中國）有限公司.定位模塊EM253快速入門[M].2010：2-3.

The Design of PLC Control System for Monocrystalline Silicon

Chemical Mechanical Polishing

WANG Kun， QU Qing-tao

（College of Mechanical Engineering， Tongji University， Shanghai? 201804）

Abstract：In order to complete monocrystalline silicon chemical mechanical polishing， a control system of chemical mechanical polishing equipment for monocrystalline silicon was proposed. T- he control system was based on siemens PLC S7-200. It could control the rotational motions of m-otors and the periodic horizontal reciprocating motion of stepper motor， set appropriate motion pa-rameters for different monocrystalline silicon wafers， and obtain surfaces with high qualities. The polishing experiments for the monocrystalline silicon wafers with specific size were carried out， and the surfaces which met the roughness requirements were obtained.

Key words：monocrystalline silicon; chemical mechanical polishing; siemens PLC S7-200