掩模清洗機(jī)加熱系統(tǒng)控制及故障排除

陳 卓，嚴(yán)劍蔭

(無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫214035)

1 清洗機(jī)簡(jiǎn)介

掩模清洗是掩模生產(chǎn)過程中的重要工序，尤其對(duì)于高階掩模，最終清洗設(shè)備更是提供客戶零缺陷產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)備。

Akrion清洗機(jī)由美國(guó)Akrion公司生產(chǎn)，是用于5～7英寸BIM及PSM掩模的去膠及最終清洗的全自動(dòng)設(shè)備。此系統(tǒng)共設(shè)置7個(gè)清洗槽（Tank），分別承擔(dān)了SPM、APM、QDR、DIO3和LuCID Dry，根據(jù)不同的工藝需求設(shè)置了相應(yīng)的酸、堿、純水、臭氧和氮?dú)饧訜峥刂茊卧Ｕ麄€(gè)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)及可編程模塊實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。

2 計(jì)算機(jī)及Genius I/O控制系統(tǒng)

Genius I/O美國(guó)GE公司的可編程控制產(chǎn)品（見圖1）。是連接清洗機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的一個(gè)I/O，是發(fā)送和接收總線來的信息的智能單元，用于監(jiān)控清洗機(jī)工作。有以下幾部分組成：通訊總線；PCIM卡；Genius I/O模塊；手持監(jiān)控器（HHM）。通訊總線通過三線電纜（一屏蔽線）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，所有總線上的模塊唯一編址，每個(gè)總線通道可編32個(gè)地址（0-31），共有兩個(gè)通道。手持監(jiān)控器（HHM）可連接到任意一個(gè)I/O模塊上監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)。清洗機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、超聲清洗、臭氧等是通過計(jì)算機(jī)串口控制，本文不討論。

整個(gè)總線串行連接最后一個(gè)模塊有一個(gè)終結(jié)電阻（見圖 2）。

圖1 Genius I/O控制系統(tǒng)

圖2 總線連接圖

I/O模塊在總線中傳遞一個(gè)令牌，令牌在地址0到地址31中按順序傳遞，這個(gè)傳遞順序叫總線掃描。

輸入的模塊連續(xù)的監(jiān)視從它的輸入設(shè)備來的數(shù)據(jù)并更新它的通訊數(shù)據(jù)。當(dāng)模塊拿到總線的令牌時(shí)，它會(huì)廣播它所有當(dāng)前的輸入數(shù)據(jù)?？偩€控制器保存這個(gè)數(shù)據(jù)，將它轉(zhuǎn)換為CPU可用的數(shù)據(jù)。沒有輸入的模塊收到令牌時(shí)也廣播一個(gè)信息，告訴總線控制器它收到了數(shù)據(jù)并處于在線狀態(tài)。例如：Genius I/O模塊收到來自清洗機(jī)液位傳感器的一個(gè)令牌（token硫酸加液到位）將它發(fā)送給PCIM卡。

當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)，CPU發(fā)送輸出和其它的命令到總線控制器。總線控制器保存這個(gè)數(shù)據(jù)直到它收到總線令牌。接下來，它將輸出數(shù)據(jù)傳送到總線上的每個(gè)模塊，將命令傳到相應(yīng)的設(shè)備。沒有輸出的模塊也會(huì)在拿到令牌時(shí)接收到從總線控制器來的一個(gè)空信息。這使模塊告訴CPU它處于在線狀態(tài)，并在用來檢測(cè)通訊丟失信息。例如Genius I/O模塊收到CPU通過PCIM卡發(fā)來的令牌：打開加熱電路或運(yùn)行加熱循環(huán)泵，然后執(zhí)行它。

清洗機(jī)共有3種Genius I/O模塊：Sink I/O模塊、模擬I/O模塊和RTD輸入模塊。加熱控制電路是由Sink I/O模塊控制完成的，它接受或提供一個(gè)二進(jìn)制的信號(hào)，有兩種狀態(tài)0（0 V）,1（24 V）。例如：加熱器開，關(guān)；閥打開，閥關(guān)閉；探測(cè)有液位，無液位。另外，非常重要的是Sink I/O模塊是提供一個(gè)地Cmmon(-)的路徑。也可以說I/O激活起作用時(shí)是接地的。

3 氮?dú)饧訜峥刂?/h2>

氮?dú)饧訜嵯到y(tǒng)是用于掩模產(chǎn)品清洗完成后將產(chǎn)品烘干處理。

3.1 加熱倉及加熱部件

高流量的高純氮?dú)獯┻^加熱倉經(jīng)過過濾器送到噴霧輸出端。加熱盒中的氮?dú)獯祾呤菫榱烁魺岜Ｗo(hù)加熱倉，它的輸出直接送設(shè)備排氣管。3kW電阻型加熱器包在不銹鋼金屬保護(hù)罩內(nèi)用于加熱超純氮?dú)獾?60℃（不可調(diào)）。熱電偶1在加熱倉內(nèi)用于監(jiān)控氮?dú)饧訜釡囟?。熱電?在加熱器體內(nèi)也報(bào)告給智能溫控器用于超溫保護(hù)（見圖 3）。

圖3 氮?dú)饧訜嵩?/p>

3.2 加熱安全控制電路

3.2.1 安全電路

它的作用是在異常情況下切斷主回路電源。繼電器K1控制并提供AC主回路電源，并由K2控制。安全電路監(jiān)控：加熱器溫度、氮?dú)獗脳l件、液位。如果這些條件有一個(gè)不滿足，超出設(shè)定安全范圍，K1將打開，切斷主回路加熱器的電源供給，避免不安全的事故發(fā)生，保護(hù)設(shè)備。K16和超純氮?dú)饧訜岢瑴責(zé)犭娕迹喝绨l(fā)生超溫K16打開，切斷主加熱回路。K14和超純氮?dú)鈮毫﹂_關(guān)：壓力開關(guān)在氮?dú)夤┙o加熱器管路監(jiān)控壓力，一旦壓力喪失壓力開關(guān)打開K14,切斷主加熱回路。

圖4 氮?dú)饧訜岚踩娐?/p>

3.2.2 控制電路

加熱控制是通過智能溫度控制器完成的，加熱指令通過I/O模塊發(fā)出使K15閉合，通過溫度控制器接收熱電偶來的溫度傳感信號(hào)根據(jù)PID自動(dòng)計(jì)算輸出PID脈沖驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器輸出控制，如果沒到設(shè)置溫度160℃，K17無輸出，I/O點(diǎn)為高電平，如加熱溫度達(dá)到了設(shè)置點(diǎn)，K17閉合送低電平給I/O(Heater At Temp)。

4 化學(xué)藥品加熱溫度控制

（1）幾個(gè)Tank都有不同溫度的化學(xué)藥品加熱，加熱的溶液不同，它們的工藝參數(shù)不同，溫度設(shè)置也不同，不同的工藝還可隨時(shí)用軟件更改加熱的溫度。加熱的溫度是通過計(jì)算機(jī)PID控制經(jīng)過I/O實(shí)現(xiàn)的（見圖6）。但加熱控制原理是相同的。

圖5 加熱控制電路

圖6 加熱控制原理

（2）加熱脈沖的加熱周期。固態(tài)繼電器（SSR）通過打開或關(guān)閉觸點(diǎn)來控制加熱器的溫度。Genius I/O模塊發(fā)出脈沖信號(hào)反映了要加溫或者保持溫度。加熱周期由實(shí)際的處理溫度與設(shè)置點(diǎn)的溫度和TANK的PID決定。當(dāng)加熱周期是100%時(shí)SSR總是閉合加熱器總是開，允許不間斷電流通過，得到最大輸出功率。當(dāng)溫度上升到工藝溫度附近時(shí)，加熱周期降低到100%以下時(shí)使SSR打開一會(huì)兒、閉合一會(huì)兒，使得加熱器開一會(huì)兒、關(guān)一會(huì)兒，這就是脈沖加熱。脈沖加熱使得工藝溫度不會(huì)過沖設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)溶液溫度非常接近設(shè)置點(diǎn)的溫度時(shí)，加熱脈沖周期非常低，剛好保持工藝溫度。見圖7。

圖7 加熱脈沖占空比

加熱周期是脈沖方波由兩個(gè)因素決定：脈沖寬度，脈沖重復(fù)率。對(duì)清洗機(jī)來說脈沖寬度是固定的，而脈沖重復(fù)率是可變的。高重復(fù)率導(dǎo)致高的加熱脈沖周期。

（3）電流監(jiān)控器（Current Monitor）或者叫電流傳感器。主負(fù)載電流線穿過電流監(jiān)控器時(shí)它能輸出直流脈沖（24 V），正像鉗表鉗AC電流一樣。當(dāng)流過電流監(jiān)控器的電流超過3 A以上時(shí)它打開，它送一個(gè)“Currentmonitor ON”信號(hào)通過I/O點(diǎn)（HTR-SSR-FLR)發(fā)回到清洗機(jī)的計(jì)算機(jī)。在加熱周期20%以上時(shí)，計(jì)算機(jī)尋找這個(gè)信號(hào)。如果計(jì)算機(jī)沒發(fā)現(xiàn)這ON信號(hào)，計(jì)算機(jī)輸出出錯(cuò)信息，I/O點(diǎn)（HTR-TMR-STR）不使能安全電路，去掉觸發(fā)安全脈沖。I/O點(diǎn)（HTR-ON/OFF）關(guān)掉SSR。最終停止加熱。

（4）安全電路。當(dāng)化學(xué)循環(huán)泵已啟動(dòng)并按下加熱按鈕時(shí)，Genius I/O模塊發(fā)出：HTR-TMR-STR信號(hào)（每0.5 s發(fā)出一個(gè)接地脈沖）這是安全定時(shí)器使能信號(hào)，它使K5導(dǎo)通，連續(xù)觸發(fā)安全定時(shí)器TMR1.而TMR1每一次被觸發(fā)都延時(shí)10 s左右。如果 OT1、OT2、PSI、MA5、LEVEL SNS 都正常接地閉合，TMR1觸發(fā) K2，K2觸發(fā) K1，K1接通加熱器主回路。在正常情況下連續(xù)的HTR-TMR-STR信號(hào)（每0.5 s發(fā)出一個(gè)接地脈沖）確保了主回路接通，一旦出現(xiàn)異常，10 s延時(shí)切斷主回路，保證器件和設(shè)備安全。例如：加熱溫度已到設(shè)置點(diǎn)，脈沖加熱是0%周期，此時(shí)計(jì)算機(jī)不檢測(cè)電流監(jiān)控器，如果此時(shí)主回路或SSR短路，則電流監(jiān)控器輸出為24 V電平，報(bào)告給I/O模塊，I/O則關(guān)HTR-TMR-STR，關(guān)HTR-ON/OFF。立即停止加熱，10 s延時(shí)切斷主回路電源。

(5)各種繼電器、開關(guān)、監(jiān)控器等。OT1，OT2是超溫監(jiān)控器。PSI是化學(xué)循環(huán)泵的壓力開關(guān)。泵啟動(dòng)時(shí)壓力開關(guān)閉合。無空氣壓力操作泵，關(guān)加熱器。MA5延時(shí)繼電器，通過泵流量傳感器觸發(fā)。延時(shí)3～5 s，如無流動(dòng)的溶液在加熱管路線上，MA5不使能，關(guān)加熱器。

LEVEL SNS液位傳感器探測(cè)到液體，K4觸發(fā)。否則，關(guān)加熱器。

5 故障的排查

5.1 一般故障排查

由于加熱系統(tǒng)有高溫化學(xué)溶液及大電流的存在，維修時(shí)要注意安全，避免人身傷害。在電路排查時(shí)要充分利用Sink I/O模塊特點(diǎn)：I/O激活起作用時(shí)是接地的。另外，也可利用手持監(jiān)控器來監(jiān)控I/O狀態(tài)，排查故障。見表1。

表1 一般故障排查表

5.2 利用手持監(jiān)控器排查

屏蔽計(jì)算機(jī)。由于加熱電路中存在著電流監(jiān)控器反饋電路，如果加熱輸出信號(hào)HTR-ON/OFF與電流監(jiān)控器反饋信號(hào)HTR-SSR-FLR不一致，計(jì)算機(jī)會(huì)立即發(fā)停止加熱命令，這給故障排查帶來不便。電路一跳停，無從檢查。屏蔽計(jì)算機(jī)即欺騙計(jì)算機(jī)。在短期內(nèi)讓I/O一直全功率加熱，這樣容易暴露問題。

在加熱周期達(dá)到25%以前用手持監(jiān)控器force'HTR-CRK-FLT'到邏輯“0”，這時(shí)計(jì)算機(jī)將連續(xù)驅(qū)動(dòng)加熱器電路，即使計(jì)算機(jī)沒有探測(cè)到電流。根據(jù)電路圖依次檢查OT1，OT2，PSI，MA5，LEVEL SNS。然后根據(jù)表2所示方法進(jìn)行檢查。

6 故障排查應(yīng)用實(shí)例

（1）超純氮?dú)饧訜釙r(shí)超溫，電路跳停。首先檢查安全電路各控制點(diǎn)、繼電器，檢查K15及主回路繼電器K1，基本正常。在接近設(shè)置溫度時(shí)檢查智能溫控器輸出有無脈沖：有。用AC鉗表檢查有無間斷的交流電流：連續(xù)交流，不間斷。判斷固態(tài)繼電器觸點(diǎn)短路，更換后正常。

（2）硫酸加熱啟動(dòng)后立即跳停。重點(diǎn)檢查安全電路、依次檢查 OT1，OT2，PSI，MA5，LEVEL SNS、I/O模塊、主回路繼電器K1基本正常。用持監(jiān)控器force'HTR-CRK-FLT'回路能夠全功率加熱。后拆下固態(tài)繼電器加直流加假負(fù)載證明SSR也是好的。更改溫度設(shè)置點(diǎn)將設(shè)置溫度降低到溶液當(dāng)前溫度附近時(shí)監(jiān)測(cè)AC電流：低加熱脈沖周期時(shí)能加熱，加熱周期百分比稍加大馬上跳停。根據(jù)上述電路及原理分析：在加熱周期20%以下時(shí)計(jì)算機(jī)不檢測(cè)電流監(jiān)控器輸入，當(dāng)加熱脈沖周期加大時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸出與反饋輸入脈沖不一致所以跳停。更換電流監(jiān)控器，故障排除。

（3）加熱TANK跳停，時(shí)好時(shí)壞。用上述方法檢測(cè)電路。發(fā)現(xiàn)電流監(jiān)控器輸出只有14 V拆掉電流監(jiān)控器輸出線測(cè)量I/O點(diǎn)仍14 V。判斷：I/O模塊壞。拆下分離其電子端子板與電子基板。發(fā)現(xiàn)端子板上一端子二極管軟擊穿更換后恢復(fù)。

表2 電路故障排查表

（4）某TANK的I/O模塊I/O使能燈閃爍，說明回路有強(qiáng)制狀態(tài)。

發(fā)現(xiàn)端子電壓不對(duì)，進(jìn)一步查出I/O壞。每一個(gè)TANK的I/O都有自己的CONFIGURATION（配置）在EEPROM中。如有兩TANK的CONFIGURATION相同，可以拷貝復(fù)制。更換新I/O模塊，先定義新模塊的地址后用手持監(jiān)控器拷貝CONFIG后修復(fù)。

7 結(jié)束語

本文對(duì)清洗機(jī)的原理及應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了深入淺出的分析，總結(jié)出了一些行之有效的故障解決方法，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。希望能對(duì)同行在維修此類設(shè)備時(shí)有一定的實(shí)用價(jià)值。對(duì)快速診斷、及時(shí)修復(fù)，保證生產(chǎn)線的暢通，創(chuàng)造條件。