300mm立式爐恒溫區(qū)測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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立式爐設備的應用需求，設計了一整套恒溫區(qū)測量的軟硬件系統(tǒng)，現(xiàn)場的使用情況表明，該系統(tǒng)具有運行可靠、使用方便的特點，系統(tǒng)采集到的實驗數(shù)據(jù)可用于加熱器恒溫區(qū)的分析，改進加熱器設計，以獲得更均勻、穩(wěn)定的熱場。

1 硬件控制系統(tǒng)設計

北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司現(xiàn)有的300mm氧化爐設備，采用單反應室結(jié)構(gòu)，爐體加熱絲包覆的范圍劃分為多個區(qū)段(Zone A，B，C，D……)，各區(qū)段有獨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)此設備結(jié)構(gòu)，設計了恒溫區(qū)測量裝置用于檢測該立式爐反應室的恒溫區(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IPC，PLC，電動機，測溫TC（熱電偶）。因為PLC具有安全性高、可靠性好的特點，本系統(tǒng)選用PLC實現(xiàn)運動控制和溫度采集。上位機使用抗干擾性強的工控機IPC，和PLC之間采用以太網(wǎng)連接方式通訊，由軟件人機界面實現(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)設計

2.1 控制功能

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

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

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

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

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

2.2 下位機程序設計

軟件控制系統(tǒng)由下位機程序和上位機程序組成。下位機主要實現(xiàn)熱電偶的運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)：讀取運動控制模塊內(nèi)的狀態(tài)，包括目標位置，當前位置，當前速度，限位的狀態(tài)（開關量輸入點狀態(tài)），錯誤狀態(tài)，報警狀態(tài)，搜索原點狀態(tài)等。

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

（3）錯誤復位：解除位置模塊的異常狀態(tài)。

（4）立即停機：對定位操作中、原點搜索中等處于運行狀態(tài)的電動機不減速而是要求立即停機。當設備出現(xiàn)故障時，可通過該程序緊急停機。

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

（6）點對點的定位運動：根據(jù)設定的目標位置，執(zhí)行定位操作。前述提及的3種熱電偶運動模式：連續(xù)模式、間斷模式、單步模式，均屬于PTP（Point to point Move）定位運動。

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

2.3 上位機程序設計

上位機程序采用Visual Studio 2005C#進行程序開發(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種運動模式和回原點操作，顯示熱電偶當前的狀態(tài)，復位故障，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）開始程序運行，啟動主線程，完成網(wǎng)絡IP地址、端口的配置，成功的建立IPC與PLC的Socket連接，運動控制模塊參數(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，應先進行回原位操作（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)庫進行數(shù)據(jù)保存，保存熱電偶運動的位置和采集的溫度；

（4）根據(jù)選擇的運動模式，設定定位距離、運動速度等，啟動所選擇的運動模式；

（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 實驗數(shù)據(jù)分析

恒溫區(qū)測量實驗是在爐體的多段溫區(qū)控溫溫度均為900℃穩(wěn)定條件下進行的，測量裝置采用間斷運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，其中橫坐標為熱偶的位置，縱坐標為熱偶的溫度。圖5中可清楚的看到，系統(tǒng)熱場在未進行熱偶補償?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立式爐設備的應用，自主設計了一整套恒溫區(qū)測量的軟硬件系統(tǒng)，可實現(xiàn)熱電偶的3種運動模式，顯示熱電偶當前的狀態(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氧化爐設備上成功使用，能滿足立式爐設備測量恒溫區(qū)的需求，具有運行可靠、使用方便的特點。

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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)專用設備，2010（4）:24-28.

[2]李彥斌.應用MBTC溫控系統(tǒng)實現(xiàn)對擴散爐的先進工藝要求[J]，電子工業(yè)專用設備，2004（3）:60-63.