在線濕法刻蝕設備的控制系統

劉運洋，李 博，王曉飛，司 禹

(北京七星華創電子股份有限公司，北京100015)

在線濕法刻蝕設備的控制系統

劉運洋，李 博，王曉飛，司 禹

(北京七星華創電子股份有限公司，北京100015)

根據在線濕法刻蝕設備的工藝要求及特點，介紹了控制系統的構成，CANopen網絡控制方式，以及同步傳送、自動補配液、自動清洗等功能，從而保證批量在線生產的工藝效果。

在線濕法刻蝕；控制系統；CANopen

由于硅片表面在擴散后，會出現擴散過度現象，從而導致硅片表面形成不完整的PN結。在線濕法刻蝕清洗機可以進行單面的刻蝕（祛除過多的擴散層），形成完整的PN結，提高光電轉換效率，并進行表面清洗，去除表面顆粒和金屬離子污染。在線濕法刻蝕設備，如圖1所示。

在線濕法刻蝕設備控制系統，采用工控機+觸摸顯示器作為上位機的監控操作平臺，PLC為主控制器，同時選用3臺施耐德的LEX32A作為傳送電機的伺服驅動器以及6臺施耐德的A312作為泵的變頻調速器，并采用FESTO的2套閥導作為閥門的控制器。為了實現數據實時交換與控制，系統采用了CANopen的高速現場總線通訊網絡來構建整個控制系統，將整個控制系統的11個從站和遠程I/O模塊連接在一起，使系統反應及時迅速并能穩定可靠的運行，同時采用以太網接口，具有遠程調試診斷功能，為工廠自動化預留標準接口。

圖1 在線濕法刻蝕設備

1 控制系統的構成

在線制絨設備控制系統分為三級，分別為執行器，PLC控制系統，上位機控制系統，系統結構如圖2所示。

圖2 在線濕法刻蝕設備控制系統結構圖

第一級為執行器，包括伺服驅動器，變頻器及閥導。傳送電機的伺服驅動器采用施耐德公司的LXM32A總線型控制器，配有閉環控制編碼器，并且每個傳送軸另配有增量型編碼器，組成閉環控制系統。變頻器采用施耐德公司的ATV312系列控制器，對循環泵及干燥電機進行精確的控制。閥導采用FESTO公司的MPA32型閥導對閥門進行控制。伺服驅動器上配有CANopen總線接口，變頻器上配有CANopen菊花鏈通訊卡，閥導上配有FB14現場總線終端，與PLC組成CANopen現場總線控制網絡進行實時高速通訊。

第二級為PLC控制系統。PLC采用施耐德公司的M258可編程控制器，并配有三個遠程I/O，遠程I/O與PLC通過TM5發射器和接收器擴展內部TM5數據總線，從而進行運程I/O擴展對數據進行實時高速的采集與控制。遠程I/O模塊通過TM5數據總線與PLC的無延時通訊在很大程度上解決了因為距離長而產生的信號衰減與接線的繁瑣。

第三級為上位機控制系統。上位機采用BECKHOFF的C6915工控機配19英寸觸摸顯示器，用于整個系統的監控。上位機采用我單位自主研發的應用軟件，通過以太網與PLC聯網控制，實現整個在線制絨設備控制系統的優化控制和自動控制。采用以太網接口，具有遠程調試診斷功能，為工廠自動化預留標準接口。

2 主要控制功能

2.1 硅片的同步傳輸

如何保證硅片同步傳輸，不疊片，不碎片，是整個控制系統的重點及難點。整個傳送系統分為三部分，三部分單獨控制，如圖3所示。我們在程序中采用以下幾種設計方式來保證硅片的同步傳輸，不疊片，不碎片：

（1）傳送啟動順序，出口處首先運動，然后噴淋1運動，最后入口處運動。從后往前依次運動；

（2）傳送速度，V1＜V2＜V3，保證出口比入口快，減少疊片；

（3）增量編碼器被連接到傳送系統中，編碼器連接器將編碼器輸出接入高速計數器輸入，依靠脈沖數來計算傳送距離。增量編碼器的1個脈沖對應1 mm的距離。在程序里依靠脈沖（1 pulse＝1 mm）的數量測量硅片流入所需通過整個設備的長度。例如，1個硅片通過設備的距離（在輸入和輸出傳感器之間的距離）是2 m，將需要2 000個脈沖。

(4)在程序中不僅通過編碼器采集電機的實際速度，還把電機的實際狀態給到上位機。

圖3 傳送系統結構圖

2.2 制絨溫度的閉環控制

制冷機對儲液槽溶液進行制冷，當溫度傳感器1達到設定溫度時，循環泵P0201開始工作進行循環，溶液進入熱交換器，當溫度傳感器2和溫度傳感器3與設定溫度相同時，溶液進入溢流槽開始工作。當溫度傳感器2或溫度傳感器3沒有達到設定溫度時，冷卻水閥門PV0206、PV0205打開，冷卻循環水開始循環帶走熱交換器中的熱量使溫度逐漸達到設定值，再進入溢流槽工作。制絨溫度控制原理如圖4所示。

圖4 制絨溫度控制原理圖

2.3 藥液濃度的控制

在線濕法刻蝕設備在生產過程中，硅片的刻蝕和清洗會產生大量的反應物和生成物，反應方程式為：

3Si+4HNO3→3SiO2+4NO+2H2O

SiO2+4HF→SiF4+2H2O

SiF4+2HF→H2SiF6

由上可見，在大批量生產過程中，因生成物的大量增加和反應藥液的衰減，會出現刻蝕效果的不一致性。硅片表面會出現刻蝕層不均勻，有花紋等問題，最終會影響光電轉換效率。為了解決此問題，增加了藥液的濃度檢測傳感器（即電導率檢測器）和精確補液傳感器。根據不同藥液的電導率不同，在每個混合藥液的儲液槽和循環泵之間加設了一個電導率檢測器檢測藥液的濃度，如圖5所示。

圖5 藥液濃度控制原理圖

根據不同藥液的中游離電子數目不同，來判斷藥液是否滿足濃度要求，如藥液不滿足要求可以實現自動補液，另外在初次配液過程中也可以準確的判斷出濃度是否滿足藥液要求，例如HNO3，HF和去離子水，這3種混合藥液，因為分子結構不同，所以每升藥液中離子濃度有很大不同。當NO3+，F+的離子濃度變小，則需要及時補液。

2.4 自動清洗

自動清洗是在設備STOP的狀態下進行的，不僅在設備系統頁有清洗按鈕，在每一工位系統頁還單獨有清洗每一工位的清洗按鈕，當清洗按鈕按下后，每一槽的排放閥門打開，每一槽排放到低極限液位后延時一段時間排放閥門關閉，去離子水閥門打開，開始補液到儲液槽，一直補液到高液位為止，清洗過程補液液位一般要比正常工藝時液位偏高，循環泵啟動開始循環一段時間之后停止，重復幾次排液、補液過程。

3 總結

在線制絨設備控制系統中，我們選用了新的PLC，新的總線系統，特別是Somachine PLC編程軟件，把很多功能封裝成功能塊，應用時只要調用即可，省去了大量代碼的書寫，并且把CANopen通訊協議封裝好，在應用中只要設定站點號及通訊速度即可，也不必寫大量的命令代碼。這套控制系統在長距離信號傳輸上體現了很大的優勢，尤其是遠程島及CANopen現場總線的應用解決了信號點多距離長的問題，CANopen現場總線的應用，其高速的通訊性能，靈活的配置組態，已經成為在線制絨設備控制系統的一大亮點，并將在以后的自動化控制系統中會越來越廣泛的應用。

[1] 施耐德公司.M258可編程控制器硬件手冊[Z].2010.

[2] 施耐德公司.M258可編程控制器編程手冊[Z].2010.

[3] 施耐德公司.Somachine軟件[Z].2010.

[4] K.A.杰克遜.半導體工藝[M].北京，科學出版社，2002.

[5] Kenneth A.Jackson著，屠海令譯.半導體工藝[M].北京，科學出版社，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

劉運洋（1985-），男，山東煙臺人，工程師，碩士，主要從事擴散爐及清洗機的自動控制的設計及研究。

李博（1985-），男，，黑龍江黑河人，工程師，本科，主要從事清洗機的自動控制的設計及研究。

王曉飛（1984-）男，陜西渭南人，工程師，博士，主要從事清洗機的設計及研究，在線制絨清洗機項目負責人。

司禹（1983-），女，吉林長春人，工程師，碩士，主要從事研發項目管理工作、行業情報研究及標準制修訂工作。

2015-06-18