基于單片機(jī)的硅片處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文介紹了硅片處理系統(tǒng)的組成及各模塊功能的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)速測(cè)速的原理，最后給出了上位機(jī)編程的設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；模塊化；轉(zhuǎn)速測(cè)量

某型以國產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備為基礎(chǔ)的硅模擬集成電路生產(chǎn)線是為了提高我國半導(dǎo)體材料生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)水平和集成電路設(shè)計(jì)能力的國家“九五”攻關(guān)重點(diǎn)課題，硅片處理系統(tǒng)是其關(guān)鍵設(shè)備之一。硅片處理系統(tǒng)采用了工業(yè)PC和工控級(jí)8031單片機(jī)，其中，溫度的測(cè)控是硅片處理系統(tǒng)工藝中的重要一環(huán)，與硅片質(zhì)量的好壞直接相關(guān)，在本系統(tǒng)中采用了歐姆龍（OMRON）溫度控制器E5AX。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由七個(gè)工位模塊和六個(gè)機(jī)械手組成，其關(guān)系如圖1所示。各個(gè)工位模塊完成一定的功能，硅片由工位1開始至工位7結(jié)束即完成一次完整的工藝處理，而各工位模塊之間的機(jī)械手則負(fù)責(zé)將硅片從上位模塊轉(zhuǎn)移到相鄰的下位模塊。在工位2和工位5中，還設(shè)置有溫度控控器，為了降低上位機(jī)的負(fù)擔(dān)和提高溫度測(cè)控的可靠性，在系統(tǒng)中采用了OMRON溫度控制器E5A×。

系統(tǒng)中所有工位模塊和機(jī)械手均由各自所帶單片機(jī)控制，各模塊之間相互獨(dú)立，沒有信息傳遞，它們之間的相互協(xié)調(diào)由上位機(jī)統(tǒng)一調(diào)度，即由上位機(jī)根據(jù)各工位模塊和機(jī)械手上傳的狀態(tài)信息，協(xié)調(diào)控制下位機(jī)的運(yùn)行。溫控器的運(yùn)行也由上位機(jī)調(diào)度。整個(gè)系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)之間通過通信接口單元，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式RS-232通信。

2 下位機(jī)模塊的設(shè)計(jì)

下位機(jī)模塊采用工控級(jí)8031單片機(jī)。為了提高系統(tǒng)的通用性、可靠性和可維護(hù)性，單片機(jī)系統(tǒng)為統(tǒng)一的模塊化設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的STD總線結(jié)構(gòu)（部分有所改動(dòng)），根據(jù)不同的下位機(jī)分別接插不同的模板即可實(shí)現(xiàn)其功能。這種結(jié)構(gòu)同時(shí)也降低了系統(tǒng)開發(fā)、制造的成本。溫控器采用E5AX以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

2.1 主控模板

為單片機(jī)基本系統(tǒng)模板。8031外擴(kuò)一片RAM62256、一片EPROM27256和Watchdog芯片MA×705構(gòu)成單片機(jī)基本系統(tǒng)。同時(shí)在該模板擴(kuò)展有并行接口芯片8255A和定時(shí)/計(jì)數(shù)芯片8253插座，以供不同下位機(jī)模塊選用，串行通信接口也由主控模板采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)。

2.2 開關(guān)量輸入模板

用于接收控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要檢測(cè)的被控模塊的各種狀態(tài)信息，如機(jī)械手模塊的左限位右限位、前限位、后限位及真空的通斷等狀態(tài)信息。輸入通道共有24路，全部采用TLP521-4光耦進(jìn)行了光電隔離，由74LS245采集輸入。

2.3 功率輸出模板

主要用于步進(jìn)電機(jī)的控制，經(jīng)光電隔離由ULN2803達(dá)林頓輸出。在該模板還有達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)的繼電器輸出，以控制系統(tǒng)中的接觸器、大功率繼電器等。

2.4 固態(tài)繼電器輸出模板

用于控制系統(tǒng)中的電磁閥，如各模塊的真空閥、流體閥等。固態(tài)繼電器本身帶有光電隔離，且無觸點(diǎn)、無火花，具有高的抗干擾能力。固態(tài)繼電器由達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)控制。在系統(tǒng)中除了開關(guān)量輸出控制外，每個(gè)下位模塊都有步進(jìn)電機(jī)，這也是系統(tǒng)中用的最多的控制元件。為了保證系統(tǒng)的可靠性并簡(jiǎn)化軟件編程，采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。工位4是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心模塊，也是系統(tǒng)中控制最為復(fù)雜的模塊，速度控制又是其關(guān)鍵，這是因?yàn)檎{(diào)速的準(zhǔn)確性和轉(zhuǎn)速的均勻性直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。系統(tǒng)調(diào)速原理如圖2所示。單片機(jī)先根據(jù)加速度給定值通過D/A轉(zhuǎn)換、PWM控制、驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行加速度控制直至系統(tǒng)的速度達(dá)到給定速度值為止。待加速過程完成后，再開始進(jìn)行調(diào)速控制。

速度測(cè)量的精度直接影響調(diào)速的性能。本系統(tǒng)采用了變周期測(cè)速法，即保證了測(cè)速的精度，又實(shí)現(xiàn)了測(cè)速的快速響應(yīng)，測(cè)速原理如圖3所示。

8253的計(jì)數(shù)器0用于記錄實(shí)際測(cè)量時(shí)間，計(jì)數(shù)器1用于記錄測(cè)量時(shí)間內(nèi)被測(cè)轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)的脈沖數(shù)，計(jì)數(shù)器2用于測(cè)量時(shí)間的定時(shí)。計(jì)數(shù)器0和1的計(jì)數(shù)初值設(shè)為65535，計(jì)數(shù)器2的常數(shù)根據(jù)測(cè)量時(shí)間和速度設(shè)置。用一片觸發(fā)器74LS74構(gòu)成同步控制門。測(cè)量前P1.6保持為0。測(cè)量開始后，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器2開始定時(shí)，8031經(jīng)控制電路發(fā)出閘門開啟信號(hào)（預(yù)置閘門T）即P1.5=1、P1.6=1，但此時(shí)計(jì)數(shù)器0和1并不計(jì)數(shù)，而是經(jīng)同步控制后得到同步閘門T7，即在被測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)的上升沿到來后，觸發(fā)器74LS74翻轉(zhuǎn)，Q端變?yōu)楦唠娖?，計(jì)數(shù)器0和1才分別開始對(duì)時(shí)基信號(hào)f0和被測(cè)轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)f進(jìn)行計(jì)數(shù)。測(cè)速定時(shí)時(shí)間到后OUT2輸出信號(hào)申請(qǐng)中斷，8031經(jīng)控制電路發(fā)出閘門關(guān)閉信號(hào)即P1.5=0，計(jì)數(shù)器0和1也不是立即停止計(jì)數(shù)，而是經(jīng)同步控制即在被測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)的下一個(gè)上升沿到來后，觸發(fā)器74LS74翻轉(zhuǎn)，Q端變?yōu)榈碗娖?才停止計(jì)數(shù)。可見，實(shí)際的閘門時(shí)間是由預(yù)置閘門T經(jīng)同步后得到的同步閘門T′，閘門時(shí)間T′≠T，而是由計(jì)數(shù)器O的計(jì)數(shù)值確定的。被測(cè)轉(zhuǎn)速不同，閘門時(shí)間也不同。因同步閘門和被測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)是嚴(yán)格同步的，不存在對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)的±1誤差，測(cè)量的精度取決于閘門時(shí)間和時(shí)基信號(hào)，而與被測(cè)信號(hào)無關(guān)，測(cè)量精度高。E5AX是一種高性能的溫度控制器，可選擇外接鉑電阻和熱電偶，并在傳感器測(cè)溫范圍內(nèi)任意設(shè)置被控溫度和上下限溫度；根據(jù)控制負(fù)載的不同，配有六種輸出單元控制模塊以供選擇；具有通/斷控制和PID控制兩種模式，控制周期和PlD參數(shù)可任意設(shè)置；具有兩路獨(dú)立的繼電器型報(bào)警輸出；具有本控（本地控制）和遙控（遠(yuǎn)距離通信控制）兩種控制方式；具有靈活多樣的通信方式。在本系統(tǒng)工位2和工位5的溫度控制中采用了PID調(diào)節(jié)方式，E5AX和上位機(jī)采用RS一232通信。

3 上位機(jī)軟件的開發(fā)

本系統(tǒng)是在Windows工作平臺(tái)下，利用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言VB6.0開發(fā)的。VB具有良好的圖形用戶界面，具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動(dòng)編程模式，集成了用戶用來創(chuàng)建、修改、測(cè)試和編譯應(yīng)用軟件所需的一切。上位機(jī)采用了研華公司一體化工業(yè)PC工作站AWS-825PB，主機(jī)內(nèi)安裝有兩塊PCL-858八串口卡，用于與下位機(jī)通信。上位機(jī)軟件包括三大部分：工藝編程模塊；維護(hù)模塊；聯(lián)機(jī)運(yùn)行模塊。

3.1 工藝編程模塊

用于系統(tǒng)運(yùn)行前對(duì)七個(gè)工位模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。工藝設(shè)置中，同一模塊又是多種不同工藝參數(shù)的組合，要求可以任意插入或刪除一道工藝，工藝組數(shù)是隨機(jī)的。在編程中采用了數(shù)據(jù)遞推的方式，很好地解決了這一問題。編程完畢的工藝參數(shù)以文件形式保存，若下次開機(jī)不更改工藝參數(shù)，不必重新設(shè)置。為了安全和保密起見，進(jìn)入工藝參數(shù)編程設(shè)有密碼，密碼可由工藝設(shè)置人員修改。

3.2 維護(hù)模塊

用于對(duì)下位機(jī)各模塊單步動(dòng)作的測(cè)試和維護(hù)，也可用于制造中對(duì)各模塊的調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的需要，下位機(jī)不設(shè)人工干預(yù)操作裝置，在安裝調(diào)試和檢修維護(hù)時(shí)，由維護(hù)模塊程序完成操作。在編程時(shí)工位根據(jù)動(dòng)作界面分類，而機(jī)械手單步動(dòng)作完全一樣，可將其作為一個(gè)界面處理。調(diào)試時(shí)各個(gè)界面均獨(dú)占焦點(diǎn)，并設(shè)有防止誤操作的措施。對(duì)于維護(hù)或調(diào)試中出現(xiàn)的故障指明故障原因，并在圖片上閃爍提示故障部位，以利于操作人員排除故障。

3.3 聯(lián)機(jī)運(yùn)行模塊

聯(lián)機(jī)運(yùn)行模塊又分為兩類：干運(yùn)行和濕運(yùn)行。干運(yùn)行用于制造、安裝或維修完畢后測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作狀況，濕運(yùn)行即為系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)于兩種運(yùn)行方式，在運(yùn)行過程中要求實(shí)時(shí)顯示各下位機(jī)的工作狀態(tài)，并顯示系統(tǒng)必要的參數(shù)。上位機(jī)利用下位機(jī)的狀態(tài)信息統(tǒng)一調(diào)度控制下位機(jī)的運(yùn)行。運(yùn)行中有一模塊發(fā)生故障將進(jìn)入預(yù)停處理（并實(shí)時(shí)顯示故障部位和原因），即故障模塊之前的各模塊處理完處于等待狀態(tài)，而故障模塊之后的各模塊正常運(yùn)行，直至將硅片處理完畢。若故障排除，按“繼續(xù)”鈕就可恢復(fù)正常運(yùn)行。若為永久性故障，則要等到故障下位機(jī)后各模塊將硅片處理完畢，才能退出運(yùn)行。這種操作方式保證了將故障造成的損失降低到最小程度。

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