基于Datawin組態軟件的CG6000型直拉硅單晶爐數據采集系統

吳彥國 張明亮 令狐鐵兵

（麥斯克電子材料股份有限公司）

隨著硅半導體材料器件向著高度集成、智能化方向發展，對硅單晶襯底材料質量控制提出了更為嚴苛的要求。目前，80%以上的硅單晶由直拉法制備，而直拉法制備單晶硅是在動態變化的高溫環境進行的，生產過程會產生大量數據，單晶硅的質量直接受拉晶過程數據的影響。為了進一步提高產品質量，單晶拉制過程數據的采集與網絡化管控成為研究熱點［1，2］。單晶爐臺的數據采集與監控管理對單晶拉制，乃至整個企業的智能制造和現代化管理，具有重要意義。然而，由于單晶拉制車間的單晶爐為離散分布，實際運行數據難以集中管理和有效運用，信息流轉和標準化實施程度較差［3］。傳統的單晶拉制過程數據記錄采用紙質媒介，存在效率低、受人為因素干擾、數據精度和實用性很低、難以保證單晶硅生產質量等問題。設計適用于單晶拉制車間的單晶爐數據采集系統，實現對生產數據的集中監控和實時采集，合理利用過程數據，為單晶拉制提供決策依據，是目前單晶拉制生產過程面臨的重要難題［4］。

筆者通過對單晶拉制車間的調研，提出采用Datawin數據采集組態軟件，設計CG6000型直拉硅單晶爐數據采集系統，旨在實現對設備運行的集中監控，采集和分析生產過程數據，提高企業對單晶拉制數據的運用與管理，進一步提高生產效率與管理水平。

1 數據采集系統的總體架構

對現場設備的布局進行分析，單晶車間共設有CG6000型直拉硅單晶爐臺24臺。爐臺帶有PCL數據集成板卡，支持RS232串口通信，考慮到串口通信遠距離傳輸易受干擾的特點，規劃每4臺臨近單晶爐共用一個Datalin智能網關，并且在傳輸時增加串口協議轉換，以RS485方式進行差分信號傳輸［5］。單晶拉制車間數據采集系統的總體架構如圖1所示，底層為單晶爐控制系統，包括觸摸屏、傳感器及單晶生長控制等數據源；中間層為通信終端設備，主要包括智能網關和通用網絡交換機系統；上層為上位機軟件和數據庫系統。采用研華工控機，以SQL Server 2008 Express為基礎，構建單晶拉制數據庫，對數據庫進行合理的規劃和設計，供Datawin組態軟件調用，用于各爐臺數據的展示和分析。

圖1 單晶拉制車間數據采集系統的總體架構

該數據采集系統架構中，數據采集板卡模塊完成對數據的原始采集，數據通過串口線經智能網關在數據源與上位機組態軟件之間傳輸。Datawin組態軟件基于Windows操作系統平臺，采用VC++編寫，運行穩定且擴展性好，多線程同時連接不同單晶爐設備，能對單晶拉制過程的不同參數進行批量處理。

2 數據模塊與監控界面設計

2.1 數據模塊設計

數據采集系統的數據傳輸結構如圖2所示，數據采集組態軟件通過相應驅動程序批量并發地與單晶爐設備進行數據交換。

圖2 數據傳輸結構框圖

根據通信協議設置正確的串口驅動，給串口通信參數設置正確的波特率、數據位和停止位參數。依次定義單晶爐臺號，并在每一個爐臺號下批量定義設備數據，最終形成單晶爐數據表。完成單晶爐數據表定義之后即可測試通信狀態，并通過單晶爐數據表測試數據的一致性，通信測試觀察數據無異常后，將單晶爐數據表中的批量數據命名為一個個變量，此時單晶爐數據表中包含的是整批數據，不能直接使用。將變量進行分組，定義監控對象，每個對象代表一組變量，對變量參數做如下分組：

a.定義外部變量，用來分解并處理單晶爐數據表中的數據。模擬變量AI和AR對應單晶爐拉速、晶轉堝轉、溫度及爐壓等連續變化的工藝參量，開關變量DI、DR對應單晶爐真空泵開關、加熱器開關、氬氣開關及攝像系統等開關狀態，只寫變量AO、DO做特殊用途。

b.定義內部變量，用來存儲系統中的某些內容。內部模擬變量VA存儲系統中的模擬量，內部開關變量VD存儲系統中的開關量，內部文本變量VT存儲系統中的某些讀寫內容。內部變量的定義完成后，對數據庫規模和參數進行設定并進行數據庫調試。

c.定義存檔變量，設置歷史存檔變量名稱，根據實際生產需要對變量設置存檔間隔和特殊缺省差值。拉速等實時變化的參數設置存檔間隔30s，水流量等穩定運行的參數設置存檔間隔5min，用以優化數據庫的存儲結構。

以上設置完成后即可進行數據調試，進而監視運行狀態，數據鏈接運行無誤后進行下一步監控界面的制作與管理。

2.2 監控界面設計

Datawin提供可視化的界面制作平臺，具有豐富的圖形組件與操作命令，可新建界面并定義界面名稱，通過顯示界面中的編輯功能對監控軟件界面進行設計。從組件箱中選擇＜變量＞組件，并合理分布放置在制作窗口，在組件屬性中設置不同的形狀和格式，圖片組件引用外部圖片，在界面中嵌入顯示圖形。通過動態變量設置模式分別選擇各變量按鈕與實際數值地址關聯，并測試界面變量與數據對應情況。

根據單晶拉制車間的實際需求，設計拉晶數據顯示界面。其中，A1單晶爐狀態界面如圖3所示，可以看出，界面中包括晶體狀態、坩堝狀態、氣體狀態、加熱器狀態及籽晶位置等顯示部分，運行時可以很直觀地反映現場設備運行情況和關鍵工藝參數變化情況。通過切換頁面上部選項進而切換不同單晶爐的狀態選項，底部為主要裝置的開關狀態。設置數據趨勢查詢、報警記錄查詢和對拉速曲線的分析功能，能夠實時反映單晶拉制過程拉速曲線的波動情況。增加報表打印區域，提供對數據的下載打印功能。

圖3 A1單晶爐狀態界面

3 歷史數據查詢方案設計

直拉單晶硅從拉制到下游產品應用的周期長［6］，原始拉晶參數直接決定成品器件的使用效果。設計快速便捷的歷史數據查詢方案，是提高整個數據采集系統使用效率的關鍵。建立歷史數據變量，設置正確的變量名稱和描述語言，通過變量名稱表示、查詢、引用和管理變量，對歷史數據庫定義存儲時刻和頻率。根據單晶拉制實際需求設置存檔參數，通過對生產數據的實際使用研究，設計數據采集系統的歷史數據查詢方案。

圖4 A4單晶爐等徑階段歷史曲線顯示界面

對歷史數據的查詢，采用調出歷史曲線（圖4）的方式實現。設計每個歷史曲線的可選參數，根據拉晶時間自由選擇曲線查詢時間段，不同參數曲線選擇適當的量程。圖4為A4單晶爐等徑階段前20h的歷史曲線，可以看到，根據生產實際，晶體長度量程選擇0～2 000mm，拉速曲線量程選擇0～150mm/h，隨著晶體長度的增加，實際拉晶速度圍繞設定值上下波動。

4 結束語

基于Datawin組態軟件的CG6000型直拉硅單晶爐數據采集系統已經投入實際應用，系統運行穩定，實現了單晶拉制全過程的數據采集和運行集中實時監控，尤其是對單晶拉制生產過程數據提供了便捷、準確的查詢方式，異常參數報警功能提高了生產過程的安全性，單晶車間數據的可視化為單晶拉制過程標準控制和數據分析提供了平臺，有效解決了CG6000單晶爐無數據存儲功能的現狀，也為企業智能化發展提供了一定的基礎條件。該系統的建立極大地改善了單晶產品質量的管控模式，功能豐富、成本低廉、易于維護和開發，具有較高的實用價值。