一种精密流场维持系统的设计与应用

罗晋

(上海微电子装备（集团）股份有限公司，上海201203)

在半导体设备中，存在精密流场维持的应用需求[1，2]。本文针对其中一种精密流场维持控制装置开展了研究工作，包括系统方案设计、控制方案设计、实验平台搭建与测试验证等。

1 流场维持系统总体设计

如图1所示，精密流场维持系统包含软件模块、维持单元控制模块、供液控制模块、运动平台控制模块等。其中，维持单元控制模块负责流场维持及其单元位置调节功能；供液控制模块负责控制液体供给的通断功能；运动平台控制模块负责运动平台的二维运动控制；软件模块负责接收上层整机应用的调用生成逻辑动作，并根据工艺要求转换成物理动作，下发设备驱动执行。流场的建立过程为，软件模块驱动运动平台控制系统，使用运动平台运动到工作位置，并调整好垂向高度；软件模块再驱动流场维持单元运动到运动平台上方合适位置；软件模块再驱动供液控制模块打开液体供给，形成流场，并不断更新。在工作过程中，流场维持单元位置维持不动，运动平台实现高速的二维运动，此时流场实现动态维持而不被破坏，并不断更新。流场的撤销过程为，软件模块驱动供液控制模块关闭液体供给，并抽走所有流场液体；软件模块再驱动维持单元控制模块，将维持单元提升到安全位置。

图1 精密流场维持系统整体方案示意图

精密流场维持系统被分为6层，即应用层、逻辑层、控制层、信号流层、模拟层、物理层，如图2所示。其中，应用层、逻辑层均为软件，部署在上位机中；应用层包括测校应用软件、业务应用软件等；逻辑层包括逻辑软件、设备驱动软件层；控制层包括实现液体测控、维持单元测控、运动平台控制的硬件机箱和固件以及用于实现机箱与上位机通信的以太网；信号流层包括用于处理现场信号的控制板卡以及用于实现现场板卡与上层机箱通信的工业现场总线；模拟层包括针对现场信号的信号调制、功率放大等环节；物理层包括布置在现场的传感器、执行器，如位移传感器、电机、流量传感器、控制阀等。

图2 精密流场维持系统示意图

2 精密流场测试与验证

本文通过上述精密流场维持系统在半导体设备上实现了流场的建立，并通过流场温度测量系统、流场压力测量系统、流场气泡观测系统进行了相关流场测量与验证。

2.1 流场温度测试与验证

使用流场温度测量系统如图3所示，对其进行再现性测试，测试结果表明该测量系统的再现性优于±1 mK。使用该测量系统对静态工况下、动态工况下流场分别进行温度测量，测试结果如表1、图4所示。

图3 流场温度测量系统及其再现性测试

图4 动态工况下流场温度测试数据

表1 流场温度测试结果

2.2 流场压力测试与验证

使用流场压力测量系统如图5所示，对其进行再现性测试，测试结果表明该测量系统的再现性优于±5 Pa。使用该测量系统对静态工况下、动态工况下流场分别进行压力测量，测试结果如表2、图6所示。

表2 流场压力测试结果

图5 流场压力测量系统及其再现性测试

图6 动态工况下流场压力测试数据

2.3 流场气泡测试与验证

使用流场气泡观测系统如图7所示，对其进行分辨率测试，测试结果表明该测量系统的分辨率优于20μm。使用该测量系统对静态下流场进行气泡观测，测试结果如图8所示。

图7 流场气泡观测系统及其分辨率测试

图8 流场气泡观测结果

3 结束语

对半导体设备中精密流场维持系统进行了设计，包括软件模块、维持单元控制模块、供液控制模块、运动平台控制模块等，并通过上述控制系统实现了在半导体设备中流场建立、流场动态维持、流场撤销等功能。使用流场温度测量系统、流场压力测量系统、流场气泡观测系统进行了相关流场测量与验证，测试结果表明，流场的温度梯度、压力波动、气泡数量等指标达到实验目的要求。