在线湿法刻蚀设备的控制系统

刘运洋，李 博，王晓飞，司 禹

(北京七星华创电子股份有限公司，北京100015)

在线湿法刻蚀设备的控制系统

刘运洋，李 博，王晓飞，司 禹

(北京七星华创电子股份有限公司，北京100015)

根据在线湿法刻蚀设备的工艺要求及特点，介绍了控制系统的构成，CANopen网络控制方式，以及同步传送、自动补配液、自动清洗等功能，从而保证批量在线生产的工艺效果。

在线湿法刻蚀；控制系统；CANopen

由于硅片表面在扩散后，会出现扩散过度现象，从而导致硅片表面形成不完整的PN结。在线湿法刻蚀清洗机可以进行单面的刻蚀（祛除过多的扩散层），形成完整的PN结，提高光电转换效率，并进行表面清洗，去除表面颗粒和金属离子污染。在线湿法刻蚀设备，如图1所示。

在线湿法刻蚀设备控制系统，采用工控机+触摸显示器作为上位机的监控操作平台，PLC为主控制器，同时选用3台施耐德的LEX32A作为传送电机的伺服驱动器以及6台施耐德的A312作为泵的变频调速器，并采用FESTO的2套阀导作为阀门的控制器。为了实现数据实时交换与控制，系统采用了CANopen的高速现场总线通讯网络来构建整个控制系统，将整个控制系统的11个从站和远程I/O模块连接在一起，使系统反应及时迅速并能稳定可靠的运行，同时采用以太网接口，具有远程调试诊断功能，为工厂自动化预留标准接口。

图1 在线湿法刻蚀设备

1 控制系统的构成

在线制绒设备控制系统分为三级，分别为执行器，PLC控制系统，上位机控制系统，系统结构如图2所示。

图2 在线湿法刻蚀设备控制系统结构图

第一级为执行器，包括伺服驱动器，变频器及阀导。传送电机的伺服驱动器采用施耐德公司的LXM32A总线型控制器，配有闭环控制编码器，并且每个传送轴另配有增量型编码器，组成闭环控制系统。变频器采用施耐德公司的ATV312系列控制器，对循环泵及干燥电机进行精确的控制。阀导采用FESTO公司的MPA32型阀导对阀门进行控制。伺服驱动器上配有CANopen总线接口，变频器上配有CANopen菊花链通讯卡，阀导上配有FB14现场总线终端，与PLC组成CANopen现场总线控制网络进行实时高速通讯。

第二级为PLC控制系统。PLC采用施耐德公司的M258可编程控制器，并配有三个远程I/O，远程I/O与PLC通过TM5发射器和接收器扩展内部TM5数据总线，从而进行运程I/O扩展对数据进行实时高速的采集与控制。远程I/O模块通过TM5数据总线与PLC的无延时通讯在很大程度上解决了因为距离长而产生的信号衰减与接线的繁琐。

第三级为上位机控制系统。上位机采用BECKHOFF的C6915工控机配19英寸触摸显示器，用于整个系统的监控。上位机采用我单位自主研发的应用软件，通过以太网与PLC联网控制，实现整个在线制绒设备控制系统的优化控制和自动控制。采用以太网接口，具有远程调试诊断功能，为工厂自动化预留标准接口。

2 主要控制功能

2.1 硅片的同步传输

如何保证硅片同步传输，不叠片，不碎片，是整个控制系统的重点及难点。整个传送系统分为三部分，三部分单独控制，如图3所示。我们在程序中采用以下几种设计方式来保证硅片的同步传输，不叠片，不碎片：

（1）传送启动顺序，出口处首先运动，然后喷淋1运动，最后入口处运动。从后往前依次运动；

（2）传送速度，V1＜V2＜V3，保证出口比入口快，减少叠片；

（3）增量编码器被连接到传送系统中，编码器连接器将编码器输出接入高速计数器输入，依靠脉冲数来计算传送距离。增量编码器的1个脉冲对应1 mm的距离。在程序里依靠脉冲（1 pulse＝1 mm）的数量测量硅片流入所需通过整个设备的长度。例如，1个硅片通过设备的距离（在输入和输出传感器之间的距离）是2 m，将需要2 000个脉冲。

(4)在程序中不仅通过编码器采集电机的实际速度，还把电机的实际状态给到上位机。

图3 传送系统结构图

2.2 制绒温度的闭环控制

制冷机对储液槽溶液进行制冷，当温度传感器1达到设定温度时，循环泵P0201开始工作进行循环，溶液进入热交换器，当温度传感器2和温度传感器3与设定温度相同时，溶液进入溢流槽开始工作。当温度传感器2或温度传感器3没有达到设定温度时，冷却水阀门PV0206、PV0205打开，冷却循环水开始循环带走热交换器中的热量使温度逐渐达到设定值，再进入溢流槽工作。制绒温度控制原理如图4所示。

图4 制绒温度控制原理图

2.3 药液浓度的控制

在线湿法刻蚀设备在生产过程中，硅片的刻蚀和清洗会产生大量的反应物和生成物，反应方程式为：

3Si+4HNO3→3SiO2+4NO+2H2O

SiO2+4HF→SiF4+2H2O

SiF4+2HF→H2SiF6

由上可见，在大批量生产过程中，因生成物的大量增加和反应药液的衰减，会出现刻蚀效果的不一致性。硅片表面会出现刻蚀层不均匀，有花纹等问题，最终会影响光电转换效率。为了解决此问题，增加了药液的浓度检测传感器（即电导率检测器）和精确补液传感器。根据不同药液的电导率不同，在每个混合药液的储液槽和循环泵之间加设了一个电导率检测器检测药液的浓度，如图5所示。

图5 药液浓度控制原理图

根据不同药液的中游离电子数目不同，来判断药液是否满足浓度要求，如药液不满足要求可以实现自动补液，另外在初次配液过程中也可以准确的判断出浓度是否满足药液要求，例如HNO3，HF和去离子水，这3种混合药液，因为分子结构不同，所以每升药液中离子浓度有很大不同。当NO3+，F+的离子浓度变小，则需要及时补液。

2.4 自动清洗

自动清洗是在设备STOP的状态下进行的，不仅在设备系统页有清洗按钮，在每一工位系统页还单独有清洗每一工位的清洗按钮，当清洗按钮按下后，每一槽的排放阀门打开，每一槽排放到低极限液位后延时一段时间排放阀门关闭，去离子水阀门打开，开始补液到储液槽，一直补液到高液位为止，清洗过程补液液位一般要比正常工艺时液位偏高，循环泵启动开始循环一段时间之后停止，重复几次排液、补液过程。

3 总结

在线制绒设备控制系统中，我们选用了新的PLC，新的总线系统，特别是Somachine PLC编程软件，把很多功能封装成功能块，应用时只要调用即可，省去了大量代码的书写，并且把CANopen通讯协议封装好，在应用中只要设定站点号及通讯速度即可，也不必写大量的命令代码。这套控制系统在长距离信号传输上体现了很大的优势，尤其是远程岛及CANopen现场总线的应用解决了信号点多距离长的问题，CANopen现场总线的应用，其高速的通讯性能，灵活的配置组态，已经成为在线制绒设备控制系统的一大亮点，并将在以后的自动化控制系统中会越来越广泛的应用。

[1] 施耐德公司.M258可编程控制器硬件手册[Z].2010.

[2] 施耐德公司.M258可编程控制器编程手册[Z].2010.

[3] 施耐德公司.Somachine软件[Z].2010.

[4] K.A.杰克逊.半导体工艺[M].北京，科学出版社，2002.

[5] Kenneth A.Jackson著，屠海令译.半导体工艺[M].北京，科学出版社，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

刘运洋（1985-），男，山东烟台人，工程师，硕士，主要从事扩散炉及清洗机的自动控制的设计及研究。

李博（1985-），男，，黑龙江黑河人，工程师，本科，主要从事清洗机的自动控制的设计及研究。

王晓飞（1984-）男，陕西渭南人，工程师，博士，主要从事清洗机的设计及研究，在线制绒清洗机项目负责人。

司禹（1983-），女，吉林长春人，工程师，硕士，主要从事研发项目管理工作、行业情报研究及标准制修订工作。

2015-06-18