在線濕法刻蝕設(shè)備的控制系統(tǒng)

劉運(yùn)洋，李 博，王曉飛，司 禹

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司，北京100015)

在線濕法刻蝕設(shè)備的控制系統(tǒng)

劉運(yùn)洋，李 博，王曉飛，司 禹

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司，北京100015)

根據(jù)在線濕法刻蝕設(shè)備的工藝要求及特點(diǎn)，介紹了控制系統(tǒng)的構(gòu)成，CANopen網(wǎng)絡(luò)控制方式，以及同步傳送、自動(dòng)補(bǔ)配液、自動(dòng)清洗等功能，從而保證批量在線生產(chǎn)的工藝效果。

在線濕法刻蝕；控制系統(tǒng)；CANopen

由于硅片表面在擴(kuò)散后，會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散過(guò)度現(xiàn)象，從而導(dǎo)致硅片表面形成不完整的PN結(jié)。在線濕法刻蝕清洗機(jī)可以進(jìn)行單面的刻蝕（祛除過(guò)多的擴(kuò)散層），形成完整的PN結(jié)，提高光電轉(zhuǎn)換效率，并進(jìn)行表面清洗，去除表面顆粒和金屬離子污染。在線濕法刻蝕設(shè)備，如圖1所示。

在線濕法刻蝕設(shè)備控制系統(tǒng)，采用工控機(jī)+觸摸顯示器作為上位機(jī)的監(jiān)控操作平臺(tái)，PLC為主控制器，同時(shí)選用3臺(tái)施耐德的LEX32A作為傳送電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器以及6臺(tái)施耐德的A312作為泵的變頻調(diào)速器，并采用FESTO的2套閥導(dǎo)作為閥門(mén)的控制器。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換與控制，系統(tǒng)采用了CANopen的高速現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)，將整個(gè)控制系統(tǒng)的11個(gè)從站和遠(yuǎn)程I/O模塊連接在一起，使系統(tǒng)反應(yīng)及時(shí)迅速并能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，同時(shí)采用以太網(wǎng)接口，具有遠(yuǎn)程調(diào)試診斷功能，為工廠自動(dòng)化預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)接口。

圖1 在線濕法刻蝕設(shè)備

1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

在線制絨設(shè)備控制系統(tǒng)分為三級(jí)，分別為執(zhí)行器，PLC控制系統(tǒng)，上位機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 在線濕法刻蝕設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一級(jí)為執(zhí)行器，包括伺服驅(qū)動(dòng)器，變頻器及閥導(dǎo)。傳送電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器采用施耐德公司的LXM32A總線型控制器，配有閉環(huán)控制編碼器，并且每個(gè)傳送軸另配有增量型編碼器，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器采用施耐德公司的ATV312系列控制器，對(duì)循環(huán)泵及干燥電機(jī)進(jìn)行精確的控制。閥導(dǎo)采用FESTO公司的MPA32型閥導(dǎo)對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制。伺服驅(qū)動(dòng)器上配有CANopen總線接口，變頻器上配有CANopen菊花鏈通訊卡，閥導(dǎo)上配有FB14現(xiàn)場(chǎng)總線終端，與PLC組成CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速通訊。

第二級(jí)為PLC控制系統(tǒng)。PLC采用施耐德公司的M258可編程控制器，并配有三個(gè)遠(yuǎn)程I/O，遠(yuǎn)程I/O與PLC通過(guò)TM5發(fā)射器和接收器擴(kuò)展內(nèi)部TM5數(shù)據(jù)總線，從而進(jìn)行運(yùn)程I/O擴(kuò)展對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速的采集與控制。遠(yuǎn)程I/O模塊通過(guò)TM5數(shù)據(jù)總線與PLC的無(wú)延時(shí)通訊在很大程度上解決了因?yàn)榫嚯x長(zhǎng)而產(chǎn)生的信號(hào)衰減與接線的繁瑣。

第三級(jí)為上位機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)采用BECKHOFF的C6915工控機(jī)配19英寸觸摸顯示器，用于整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。上位機(jī)采用我單位自主研發(fā)的應(yīng)用軟件，通過(guò)以太網(wǎng)與PLC聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)在線制絨設(shè)備控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制和自動(dòng)控制。采用以太網(wǎng)接口，具有遠(yuǎn)程調(diào)試診斷功能，為工廠自動(dòng)化預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)接口。

2 主要控制功能

2.1 硅片的同步傳輸

如何保證硅片同步傳輸，不疊片，不碎片，是整個(gè)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。整個(gè)傳送系統(tǒng)分為三部分，三部分單獨(dú)控制，如圖3所示。我們?cè)诔绦蛑胁捎靡韵聨追N設(shè)計(jì)方式來(lái)保證硅片的同步傳輸，不疊片，不碎片：

（1）傳送啟動(dòng)順序，出口處首先運(yùn)動(dòng)，然后噴淋1運(yùn)動(dòng)，最后入口處運(yùn)動(dòng)。從后往前依次運(yùn)動(dòng)；

（2）傳送速度，V1＜V2＜V3，保證出口比入口快，減少疊片；

（3）增量編碼器被連接到傳送系統(tǒng)中，編碼器連接器將編碼器輸出接入高速計(jì)數(shù)器輸入，依靠脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算傳送距離。增量編碼器的1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)1 mm的距離。在程序里依靠脈沖（1 pulse＝1 mm）的數(shù)量測(cè)量硅片流入所需通過(guò)整個(gè)設(shè)備的長(zhǎng)度。例如，1個(gè)硅片通過(guò)設(shè)備的距離（在輸入和輸出傳感器之間的距離）是2 m，將需要2 000個(gè)脈沖。

(4)在程序中不僅通過(guò)編碼器采集電機(jī)的實(shí)際速度，還把電機(jī)的實(shí)際狀態(tài)給到上位機(jī)。

圖3 傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 制絨溫度的閉環(huán)控制

制冷機(jī)對(duì)儲(chǔ)液槽溶液進(jìn)行制冷，當(dāng)溫度傳感器1達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，循環(huán)泵P0201開(kāi)始工作進(jìn)行循環(huán)，溶液進(jìn)入熱交換器，當(dāng)溫度傳感器2和溫度傳感器3與設(shè)定溫度相同時(shí)，溶液進(jìn)入溢流槽開(kāi)始工作。當(dāng)溫度傳感器2或溫度傳感器3沒(méi)有達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，冷卻水閥門(mén)PV0206、PV0205打開(kāi)，冷卻循環(huán)水開(kāi)始循環(huán)帶走熱交換器中的熱量使溫度逐漸達(dá)到設(shè)定值，再進(jìn)入溢流槽工作。制絨溫度控制原理如圖4所示。

圖4 制絨溫度控制原理圖

2.3 藥液濃度的控制

在線濕法刻蝕設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中，硅片的刻蝕和清洗會(huì)產(chǎn)生大量的反應(yīng)物和生成物，反應(yīng)方程式為：

3Si+4HNO3→3SiO2+4NO+2H2O

SiO2+4HF→SiF4+2H2O

SiF4+2HF→H2SiF6

由上可見(jiàn)，在大批量生產(chǎn)過(guò)程中，因生成物的大量增加和反應(yīng)藥液的衰減，會(huì)出現(xiàn)刻蝕效果的不一致性。硅片表面會(huì)出現(xiàn)刻蝕層不均勻，有花紋等問(wèn)題，最終會(huì)影響光電轉(zhuǎn)換效率。為了解決此問(wèn)題，增加了藥液的濃度檢測(cè)傳感器（即電導(dǎo)率檢測(cè)器）和精確補(bǔ)液傳感器。根據(jù)不同藥液的電導(dǎo)率不同，在每個(gè)混合藥液的儲(chǔ)液槽和循環(huán)泵之間加設(shè)了一個(gè)電導(dǎo)率檢測(cè)器檢測(cè)藥液的濃度，如圖5所示。

圖5 藥液濃度控制原理圖

根據(jù)不同藥液的中游離電子數(shù)目不同，來(lái)判斷藥液是否滿(mǎn)足濃度要求，如藥液不滿(mǎn)足要求可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)液，另外在初次配液過(guò)程中也可以準(zhǔn)確的判斷出濃度是否滿(mǎn)足藥液要求，例如HNO3，HF和去離子水，這3種混合藥液，因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)不同，所以每升藥液中離子濃度有很大不同。當(dāng)NO3+，F(xiàn)+的離子濃度變小，則需要及時(shí)補(bǔ)液。

2.4 自動(dòng)清洗

自動(dòng)清洗是在設(shè)備STOP的狀態(tài)下進(jìn)行的，不僅在設(shè)備系統(tǒng)頁(yè)有清洗按鈕，在每一工位系統(tǒng)頁(yè)還單獨(dú)有清洗每一工位的清洗按鈕，當(dāng)清洗按鈕按下后，每一槽的排放閥門(mén)打開(kāi)，每一槽排放到低極限液位后延時(shí)一段時(shí)間排放閥門(mén)關(guān)閉，去離子水閥門(mén)打開(kāi)，開(kāi)始補(bǔ)液到儲(chǔ)液槽，一直補(bǔ)液到高液位為止，清洗過(guò)程補(bǔ)液液位一般要比正常工藝時(shí)液位偏高，循環(huán)泵啟動(dòng)開(kāi)始循環(huán)一段時(shí)間之后停止，重復(fù)幾次排液、補(bǔ)液過(guò)程。

3 總結(jié)

在線制絨設(shè)備控制系統(tǒng)中，我們選用了新的PLC，新的總線系統(tǒng)，特別是Somachine PLC編程軟件，把很多功能封裝成功能塊，應(yīng)用時(shí)只要調(diào)用即可，省去了大量代碼的書(shū)寫(xiě)，并且把CANopen通訊協(xié)議封裝好，在應(yīng)用中只要設(shè)定站點(diǎn)號(hào)及通訊速度即可，也不必寫(xiě)大量的命令代碼。這套控制系統(tǒng)在長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸上體現(xiàn)了很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是遠(yuǎn)程島及CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用解決了信號(hào)點(diǎn)多距離長(zhǎng)的問(wèn)題，CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用，其高速的通訊性能，靈活的配置組態(tài)，已經(jīng)成為在線制絨設(shè)備控制系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)，并將在以后的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中會(huì)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

[1] 施耐德公司.M258可編程控制器硬件手冊(cè)[Z].2010.

[2] 施耐德公司.M258可編程控制器編程手冊(cè)[Z].2010.

[3] 施耐德公司.Somachine軟件[Z].2010.

[4] K.A.杰克遜.半導(dǎo)體工藝[M].北京，科學(xué)出版社，2002.

[5] Kenneth A.Jackson著，屠海令譯.半導(dǎo)體工藝[M].北京，科學(xué)出版社，1999.

The Control System of Online Wet Etching Equipment

LIU Yunyang，LI Bo，WANG Xiaofei，SI Yu

(Beijing SevenStar Huachuang Electronics Co.，Ltd，Beijing 100015，China)

According to the technical requirements and characteristics of the online wet etching equipment，this paper introduces the control system.This system based on CANopen network includes synchronous conveying，automatic supply，automatic cleanout and so on.The process of mass production is ensured.

Online wet etching；Control system；CANopen

TN305

：B

：1004-4507(2015)08-0033-04

劉運(yùn)洋（1985-），男，山東煙臺(tái)人，工程師，碩士，主要從事擴(kuò)散爐及清洗機(jī)的自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)及研究。

李博（1985-），男，，黑龍江黑河人，工程師，本科，主要從事清洗機(jī)的自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)及研究。

王曉飛（1984-）男，陜西渭南人，工程師，博士，主要從事清洗機(jī)的設(shè)計(jì)及研究，在線制絨清洗機(jī)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

司禹（1983-），女，吉林長(zhǎng)春人，工程師，碩士，主要從事研發(fā)項(xiàng)目管理工作、行業(yè)情報(bào)研究及標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作。

2015-06-18