以PLC為控制核心的氧化擴散系統設計思路

高 羽

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032)

1 引言

硅基集成電路制造技術的基礎之一是在硅片表面熱生長一層氧化層。氧化物掩蔽技術是一種在熱生長的氧化層上通過刻印圖形和刻蝕達到對硅襯底進行擴散摻雜的工藝技術，這是制造大規模晶體管的關鍵工藝。為氧化和擴散過程提供高可靠的工藝環境，是氧化擴散系統的設計目標。為達到這一目標，現提出以PLC為控制核心，對整個工藝過程進行檢測和控制的氧化擴散系統。

2 工藝要求

本系統為臥式4管氧化擴散系統，工作溫度范圍為800至1200攝氏度，并可以根據工藝要求設定升溫降斜率，常規為20攝氏度每分鐘(或者更小)，溫度分辨率為0.1度。能提供氮氣、氫氣、氧氣，根據不同的工藝要求提供相應的氣體流量從幾十毫升每分鐘到幾升每分鐘。溫度控制精度為正負1攝氏度。要求有自動進出舟系統，以實現整個工藝過程的完全自動化。

3 功能要求

可以提供至少20套、每套至少20步以上的程序。提供清晰的人機交互界面。可以顯示各項溫度、氣體的設定值和實際值，以及各項報警信息，方便工藝設定和設備調試。

具體功能要求如下:

(1)以觸摸屏為人機交換界面，按要求提供操作方式、運行狀態的監控、各種報警信息及相應的保護措施，還要有完整的保護和互鎖功能，以防止誤操作，提供手動和自動兩種工作方式，以方便調試和維修。

(2)提供電加熱的3段控溫爐體，提供手動的溫度校準方式，提供溫區表用以存儲溫度校準參數。

(3)提供自動/手動兩種控制方式。自動方式用于日常的工藝生產，手動方式用于設備調試維修。

4 硬件設計

整體硬件設計如圖1所示。根據實際的輸出點數選擇三菱FX2N－48MT PLC作為系統控制核心，來實現對整個氧化系統工藝過程的控制。

(1)爐體采用三段式分段控制爐體，帶水冷套，保證整個溫度控制過程的穩定。使用S型貴金屬熱偶(該熱偶為鉑銠10—鉑，工作溫度為0至1600攝氏度)對溫度進行測量，可以滿足整個工藝過程中對溫度精度的要求。采用AI系列的多路測量顯示儀對溫度進行控制。根據需要測量的熱偶數量，使用AI－704M對爐管溫度進行測量。每塊AI－704M可以測量的熱偶數為4，其中3組為控溫熱偶，另外一組為超溫報警熱偶。

圖1 整體硬件設計圖

AI－704M使用異步串行通訊接口，接口電平符合RS485標準。通訊傳輸數據的波特率可調為4800～19200字節/秒。AI－704M標準的通訊指令只有兩條，一條為讀指令，一條為寫指令，標準讀和寫指令分別如下:

讀:地址代號+52H(82)+要讀的參數代號+0+0+校驗碼寫:地址代號+43H(67)+要寫的參數代號+寫入數低字節+寫入數高字節+校驗碼

以4路溫度數據輸入為例，由PLC向AI－704M發讀命令。4路數據的地址代號分別為0081H、0082H、0083H、0084H;要讀的參數代號為00H;校驗碼分別為0×256+82+1=83，0×256+82+2=84，0×256+82+3=85，0×256+82+4=86;轉化為16進制數即為53H，54H，55H，56H;讀命令為:

第 1路:0081H 0081H 0052H 0000H 0000H 0000H 0053H 0000H

第 2路:0082H 0082H 0052H 0000H 0000H 0000H 0054H 0000H

第 3路:0083H 0083H 0052H 0000H 0000H 0000H 0055H 0000H

第 4路:0084H 0084H 0052H 0000H 0000H 0000H 0056H 0000H

PLC向AI－704M發出讀指令后，AI－704M會向PLC返回一個10字節的數據，其中前2位為熱偶測量的溫度實際值。在AI－704M上的PV處顯示。溫度采集模塊與PLC之間的通信如圖2所示。

圖2 溫度模塊與PLC通訊圖

(2)氣體控制采用七星華創生產的D07系列質量流量控制器。其優點為接口類型多樣，可以滿足各種氣路、電路接口的連接，價格相對較低，并且具有較高的穩定性。由于氣體流量為模擬量控制，而FX2N－48MT PLC只能輸出開關量，需要外加數模、模數轉換電路。PLC模擬量的輸出采用FX2N－4DA，FX2N－4DA將控制信號以電壓的形式輸送給質量流量控制器，質量流量控制器測回的氣體流量以電壓的形式輸入FX2N－4AD。FX2N－4AD/DA一共可以有4路輸入，可以滿足氧化擴散系統對氣體控制的需求。

(3)開關量。開關量控制參數只有開和關兩個參數，主要用于進出舟電機、爐門電機、冷卻風扇等。開關量可以直接從PLC的輸出端子獲得，不需要外接電路。但PLC開關量不能直接控制強電，需要加繼電器。這里設PLC的輸出端子Y21、Y22分別控制舟向前和舟向后的繼電器K21、K22。在手動狀態下，通過觸摸屏給設備一個“舟向前”的命令，PLC的輸出端子Y21為ON，繼電器K21吸合，進出舟電機正向旋轉，舟向前運動，直到觸發前端限位開關，電機停止運動，完成“舟向前”的命令。同樣，通過觸摸屏給設備一個“舟向后”的命令，PLC的輸出端子Y22為ON，繼電器K22吸合，進出舟電機反向旋轉，舟向后運動，直到觸發后端限位開關，電機停止運動，完成“舟向后”的命令。

(4)對觸摸屏的要求

a.觸摸屏必須能提供自動和手動兩種控制方式，并且兩種控制方式之間可以自由轉換，以方便設備的正常使用和維修調試。

b.PLC通過各種渠道采集的數據可以在觸摸屏上實時顯示，同時還要顯示溫度、氣體和舟位置的目標值，以方便監控設備狀態是否正常。

c.可以通過觸摸屏對設備各參數進行修改。包括程序時間、目標溫度、氣體流量、舟位置和溫度修正值等等。

d.實時反映設備異常報警，并記錄報警內容、時間等數據。

5 結束語

以PLC為控制核心的氧化擴散系統可以根據設備的實際使用情況提供更靈活的控制方式，在保證設備穩定性的前提下提供更高效的生產能力。可以保證整個工藝過程的全自動控制，基本避免由于操作不當造成的損失，并且降低了操作人員的勞動強度。設備穩定性高且易于維護，具有很好的實用價值。

［1］王阿根.PLC編程控制精編108例［M］.北京:電子工業出版社，2009－12.

［2］向曉漢.三菱FX系列PLC精通全教程［M］.北京:化學工業出版社，2012－05.

［3］李金成.PLC模擬量于通信控制應用實踐［M］北京:電子工業出版社，2011－10.