300mm立式炉恒温区测量系统的设计与实现

王 艾，徐 冬

(北京七星华创电子股份有限公司集成电路工艺设备研发中心，北京 101312)

立式炉是300mm集成电路制造的重要工艺设备，适用于集成电路制造过程中氧化、退火、薄膜生长等工艺。立式炉的工作温度一般为数百摄氏度至上千摄氏度。在工艺过程中，立式炉需形成一定温度范围内稳定可控的恒温区，要求满足均匀性，以及快速响应要求，并对建立的恒温区的长度也有一定的要求，用以保证硅片的工艺质量[1]。

本文描述了针对300mm立式炉设备的应用需求，设计了一整套恒温区测量的软硬件系统，现场的使用情况表明，该系统具有运行可靠、使用方便的特点，系统采集到的实验数据可用于加热器恒温区的分析，改进加热器设计，以获得更均匀、稳定的热场。

1 硬件控制系统设计

北京七星华创电子股份有限公司现有的300mm氧化炉设备，采用单反应室结构，炉体加热丝包覆的范围划分为多个区段(Zone A，B，C，D……)，各区段有独立的功率输出单元以控制温度。炉体配置有两组热电偶用于提供每一区段的温度信息，一组位于石英管内称之为“Profile”热电偶，其测得的温度较接近硅片本身的温度；另一组则靠近加热丝称为“Spike”热电偶，其测得的温度较接近加热丝本身的温度[2]。整套系统如图1所示。

依据此设备结构，设计了恒温区测量装置用于检测该立式炉反应室的恒温区，该测量装置是在正常工艺过程之前使用的，它的主要目的：（1）验证恒温区是否满足要求——温度误差（恒温区的温度误差不超过指定误差范围）和恒温区的长度；（2）确定恒温区的位置，实现通过调节Dummy片的位置，以调整舟上生产片的分布，保证工艺质量。

恒温区测量装置的硬件结构如图2所示，主要包括工控机IPC，PLC，电动机，测温TC（热电偶）。因为PLC具有安全性高、可靠性好的特点，本系统选用PLC实现运动控制和温度采集。上位机使用抗干扰性强的工控机IPC，和PLC之间采用以太网连接方式通讯，由软件人机界面实现操作功能。

图1 立式炉温度控制示意图

图2 恒温区测量装置的硬件结构

2 软件控制系统设计

2.1 控制功能

本系统采用自动方式，进行恒温区测量，可实现3种热电偶运动控制模式，显示热电偶当前的状态——运动速度、位置、温度，还可保存温度、位置等数据。

为了灵活实现反应室内任一温度点的测量，本系统提供了3种热电偶运动模式：连续模式、间断模式、单步模式。

（1）连续模式——热电偶从原点开始一直运动，直到走完指定行程（设定的距离），中间不暂停等待稳定，运动速度为100mm/min（上位机可设置速度）；

（2）间断模式——热电偶的运动速度为100mm/min（上位机可设置速度），热偶运动10mm后，停下来，等待30s后（下位机用定时器设置等待时间），再继续运动10mm，再静止，按照这种间歇方式运动，直至走完指定行程（设定的距离）；

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（3）单步模式——热电偶按照设定的速度一直运动，直至走完设定的距离（设定的距离是相对于当前位置）；而前两种模式（1）和（2）设定的距离是绝对模式，设定的距离是相对于原位而言。单步模式可以灵活实现热偶的前进和回退运动，能根据需要测量反应室内任一点的温度。

2.2 下位机程序设计

软件控制系统由下位机程序和上位机程序组成。下位机主要实现热电偶的运动控制和热电偶的温度信号采集，主要是通过PLC梯形图程序实现，包括以下功能程序块：

（1）读状态：读取运动控制模块内的状态，包括目标位置，当前位置，当前速度，限位的状态（开关量输入点状态），错误状态，报警状态，搜索原点状态等。

（2）参数设定：设置运动控制模块的登陆参数，包括设置脉冲输出模式，旋转方向，限位输入极性等。

（3）错误复位：解除位置模块的异常状态。

（4）立即停机：对定位操作中、原点搜索中等处于运行状态的电动机不减速而是要求立即停机。当设备出现故障时，可通过该程序紧急停机。

（5）原点搜索：根据原点搜索程序执行找原点操作，程序能根据原点搜索要求开始原点搜索，再通过设定的外部接点输入结束原点搜索。

（6）点对点的定位运动：根据设定的目标位置，执行定位操作。前述提及的3种热电偶运动模式：连续模式、间断模式、单步模式，均属于PTP（Point to point Move）定位运动。

（7）温度采样程序：根据设定的输入采样周期、输入种类，读出仪表内的测量值。

2.3 上位机程序设计

上位机程序采用Visual Studio 2005C#进行程序开发，生成的用户操作界面如图3所示。该界面可使用户方便地操作恒温区测量装置的3种运动模式和回原点操作，显示热电偶当前的状态，复位故障，还可读取、保存温度、位置等数据。

图3 用户操作界面

上位机是通过以太网与PLC的CPU模块建立连接，它们之间的通讯是基于Socket连接，程序流程图如图4所示，完成以下功能：

（1）开始程序运行，启动主线程，完成网络IP地址、端口的配置，成功的建立IPC与PLC的Socket连接，运动控制模块参数的初始化，生成图形界面，等待下一步操作输入；

（2）若PLC上电之初，热电偶不处于原位，应先进行回原位操作（可根据界面上的提示信息决定是否执行该操作）；

（3）根据输入指令，启动数据的采集、保存；使用Microsoft Access数据库进行数据保存，保存热电偶运动的位置和采集的温度；

（4）根据选择的运动模式，设定定位距离、运动速度等，启动所选择的运动模式；

（5）根据输入指令，结束数据的采集、保存；

（6）根据指令要求在完成恒温区测量操作后，安全退出程序。

图4 程序流程图

3 实验数据分析

恒温区测量实验是在炉体的多段温区控温温度均为900℃稳定条件下进行的，测量装置采用间断运动模式走完指定行程1112mm，根据保存的数据，绘制了炉体的恒温区示意图，如图5所示，其中横坐标为热偶的位置，纵坐标为热偶的温度。图5中可清楚的看到，系统热场在未进行热偶补偿的情况下，恒温区在1℃的误差范围内长度大于1000mm，所建立恒温区满足工艺要求。

图5 恒温区测量结果

4 结 论

针对300mm立式炉设备的应用，自主设计了一整套恒温区测量的软硬件系统，可实现热电偶的3种运动模式，显示热电偶当前的状态，读取、保存温度、位置等数据。该系统目前已在我公司研制的300mm氧化炉设备上成功使用，能满足立式炉设备测量恒温区的需求，具有运行可靠、使用方便的特点。

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[1]徐 冬，程朝阳，陈 亚，等.300mm立式炉温度控制系统研制[J]，电子工业专用设备，2010（4）:24-28.

[2]李彦斌.应用MBTC温控系统实现对扩散炉的先进工艺要求[J]，电子工业专用设备，2004（3）:60-63.