探討半導體蝕刻機臺溫濕度監控系統

武警士官學校 黎金睿 金景怡

蝕刻技術是指在半導體制造工藝中，在適宜的溫、濕度環境下，利用化學溶液或者等離子體，對半導體表面選擇性去除的技術。半導體蝕刻機臺則是進行蝕刻工藝的設備，為其提供合適的環境。基于此，本文先探討此類溫濕度監控系統必要性，再分析目前國內外研究狀況，最后對整個系統進行介紹，以供相關工作人員參考。

半導體是指常溫下導電性能介于導體和絕緣體之間的材料，半導體目前在收音機、電視機以及測溫上有著廣泛的應用。半導體既可作為導體也可作為絕緣體，正是由于它的這種特性，使得其在芯片領域廣泛應用，尤其是在電子領域高速發展的當今時代。半導體材料作為集成電路的基礎材料，集成電路的快速發展離不開半導體技術發展的支持。

1 半導體蝕刻機臺溫濕度監控系統的必要性

在集成電路制造過程中常需要在晶圓上定義出極細微尺寸的圖案，這些圖案主要的形成方式，乃是藉由蝕刻技術將微影后所產生的光阻圖案忠實地轉印至光阻下的材質上，以形成集成電路的復雜構架。通俗的講，蝕刻技術就是對半導體的表面選擇性去除的技術，如果沒有半導體蝕刻技術，將不會出現集成電路的高速發展，所以說，蝕刻技術是半導體制造中不可或缺的部分。蝕刻技術主要包含以下兩種方法：

干法蝕刻，其工作原理是通過帶電粒子和其他等離子體去除待蝕刻薄膜，所以要將機臺的濕度控制在一定的范圍內。否則，會影響產品的實用壽命，甚至會損壞半導體。

濕法蝕刻，則是利用化學溶液的反應將晶圓上未被覆蓋的部分進行分解，所以反應過程中溫度是影響蝕刻速度的一個關鍵因素，即溫度越高，速度越快。然而，過高的蝕刻率會引起嚴重的“底切現象”，所以必須要將溫度控制在適當的范圍內。

無論是干法還是濕法蝕刻，在蝕刻過程中，為防止半導體原件的損壞，需要重點控制溫度和濕度兩個參數指標，因此，對于機臺溫濕度監控系統的探討有其必要性。

2 國內外研究狀況及發展趨勢

當前階段，無論是國內還是國外，半導體蝕刻機臺內部環境的監控主要采用有線的模式，有線模式在數據量上、速度上和可靠性上都具有明顯的優勢，而且經過長時間的發展技術也相對比較成熟。以Modutek公司的旋轉晶圓蝕刻系統為例，該系統溫度控制的精度可以達到±1/2℃，同時還具有過溫保護功能，使得對圓晶的保護發生在預防階段。相對比，我國在整體技術上距離一些技術成熟的國家還存在著差距，尤其在控制精度和相對應的控制等方面。

但是有線模式同樣存在著短板：一是傳統布線方式操作比較復雜，出現設備部件更換或者移動時則需要重新布線，浪費人力資源；二是，一旦數據傳輸故障，需要對線路一一排查，線路故障的排除相對比較麻煩；三是雖然是對整個蝕刻機臺的內部環境進行監控，但是對于數據量的要求并不是很大，傳統有線模式的高寬帶并不能得到充分的利用。所以當前發展的趨勢是，人們希望通過一種穩定的、可靠的無線方式來取代有線方式，以穩定簡單、更低的成本實現傳統模式所達到的功能。

3 分析導體蝕刻機臺溫濕度監控系統

3.1 整體設計

監控系統主要目的是對半導體蝕刻機臺的溫、濕度數據進行實時監測與采集；實現單片機與上位機對全部系統的操控，對數據的接收、處理和傳輸，實現超限報警；通過上位機經由單片機對繼電器的控制，從而使相應的裝置進行不同的工作，實數據庫對機臺溫、濕度數據的記錄。

3.2 監控系統的硬件設計

半導體蝕刻機臺的溫濕度監控，硬件系統設計主要有以下幾部分：

（1）采集終端設計。通過對市面上的傳感器的篩選，綜合經濟性、實用性以及其他性能的考慮，系統中采用傳感器DHT11這種數字傳感器最佳，其內置的A/D轉換模塊，使得在減少用戶工作量的同時，也使傳感器的響應速度比較快、輸出溫濕度精度相對比較高。DHT11傳感器實時地對模塊周圍的溫度和濕度進行檢測，并定時將所檢測的溫濕度信號傳遞給CC2530（即Zigbee終端），同時由Zigbee終端把數據上傳到上位機。

（2）執行終端設計。控制半導體蝕刻機臺的溫度和濕度是由加熱器來實現的，干法蝕刻時，機臺工作腔內的濕度容易升高，當濕度過高時，通過控制加熱器使機臺工作腔內的濕度降低。濕法蝕刻時，過高的溫度會使溶液的反應速度發生變化，一旦反應速度過快則會引起嚴重的“底切現象”，所以當工作腔內的溫度較高時，控制加熱器使腔內的溫度降低。當給高電平時，三極管導通，電器繼電器通電產生磁性，此時開關閉合，相應的加熱器開始工作，LED燈予以指示；當給低電平時，開關閉合，現象相反。

（3）復位電路設計。為了更好的防止外界因素對單片機進行干擾導致的死機，在該系統中設計復位電路。復位電路通過對特殊寄存器中的數據進行刷新，將其更改為默認數據從而達到避免死機的目的。當按下復位電路的按鍵時，單片機上電，將高電平拉低為低電平，從而完成程序的復位。

（4）程序下載電路設計。程序的下載是單片機控制的重要步驟。設計中的下載電路采用TI公司提供的SmartRF04EB仿真器，該模塊不僅完整的支持CC253x等多個系列的芯片，更是可以和IAR編譯環境進行無縫連接，使得用戶在編寫程序的同時可以更方便的對程序進行調試。

（5）串口轉化電路的設計。溫濕度監控系統中，為實現下位機與上位機不同設備中的通信，需要采用統一的標準接口。為了更好的適應計算機設備，本系統中采用CH340將單片機串口信號轉化為USB信號，以方便進行操作。CH340是一款被廣泛應用的USB總線的轉換芯片，該芯片能夠實現USB轉串口、轉打印口等轉換，使得更多的PC機能夠擺脫RS235、RS485串口線。

3.3 監控系統的軟件設計

硬件電路確定后，半導體蝕刻機臺的溫濕度監控系統設計的主要功能實現都將由軟件的編程來完成。本系統軟件的設計主要分為兩部分，一是對下位機Zigbee模塊、傳感器、繼電器等功能實現的設計，以初步完成溫濕度數據的采集和傳輸；二是對上位機的設計，使得上傳的溫濕度數據得以顯示、比較和保存。

（1）下位機軟件功能的實現。下位機軟件功能的實現主要通過主控芯片CC2530對各模塊實現的控制，系統能否穩定地工作，在很大程度上依賴于軟件設計。CC2530芯片是基于8051內核的，編程要由C語言來完成。本設計中網絡節點中的通信采用Zigbee無線通信技術，所以軟件開發是基于TI Zigbee協議棧的基礎上進行編寫的，采用的軟件開發環境是IAR。在Zigbee的協議棧中，相對的已經對此中的MAC層到設備應用層進行了編寫。所以對于CC2530芯片的編程不需要對MAC層以及其它層進行修改，只需在協調器和終端節點的設備應用層進行所需任務和事件函數的編寫即可。

在一個組建好的Zigbee網絡中，協調器充當著“絕對領袖”的角色，其主要負責建立網絡、分配信道、允許其他節點的加入或退出的工作，因此在一個組建好的Zigbee無線網絡中，協調器有且只能有一個。在溫濕度監控系統中，協調器的作用則細化到無線網絡的建立、接收終端節點上傳的溫濕度數據，并傳遞給上位機，同時接收其命令，再傳遞給終端節點。終端節點是系統功能實現的主要執行部分，終端上連接了數據采集的溫濕度傳感器和執行部分的繼電器。終端收集到溫濕度傳感器所獲取的溫濕度數據，經由自身電路和相應程序的處理，借由射頻將數據上傳給協調器。同時接受協調器下達的命令，并執行相應的動作。

（2）上位機軟件部分的實現。上位機在系統中主要起著人機交互的功能，在本系統中，其功能可以具體為串口參數的設置，溫濕度數據的接收、處理、保存以及對單片機下達指令等功能。VB6.0作為一種可視化的程序設計語言，簡單易學，兼容性較強，性能基本上滿足了本系統上位機軟件設計的要求。由于上位機還需要數據的保存和處理，需要數據庫對本設計進行數據上的支持，所以數據的保存部分采用了Microsoft Access進行編寫。在確定編程語言后，需要對上位機系統的程序流程進行設計，結構的框架流程是整個設計的大綱，是設計的基本思路。上位機程序流程框圖如圖1所示。

圖1 上位機程序流程框圖

在該上位機中，包含3個窗口分別是用戶登錄窗口、主界面窗口和數據庫查看窗口。

本設計研究的溫濕度監控系統不僅可以用于半導體蝕刻機臺，也可用于其他需要溫濕度監控的場合。在溫濕度監控系統發展前景如此廣闊的背景下，要立足生產中的實際需求進行設計研發，根據需求不斷完善溫濕度監控系統。