多晶硅薄膜生產(chǎn)中的硅酸乙酯源柜溫度與流量控制

摘 要：多晶硅薄膜生產(chǎn)中的硅酸乙酯（TEOS）源柜是集成電路制造擴(kuò)散工藝中的重要設(shè)備，其供應(yīng)源氣的溫度與流量控制是多晶硅薄膜生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)TEOS源柜溫度與流量控制，采用西門子可編程序控制器模塊（S7?300PLC）構(gòu)建硬件系統(tǒng)和專家PID控制策略，通過人機(jī)一體化（HMI）的用戶控制操作界面，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)控制輸出源氣的溫度與流量。實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，流量控制滿足設(shè)計(jì)生產(chǎn)指標(biāo)，且溫度控制誤差精度在0.5%內(nèi)，達(dá)到業(yè)內(nèi)生產(chǎn)控制先進(jìn)技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞： TEOS源柜； 溫度與流量控制； 專家PID控制； 集成電路制造

中圖分類號(hào)： TN386?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）12?0103?04

Abstract： The TEOS source tank in polycrystalline?silicon thin film production is an important equipment of diffusion technology for integrated circuit manufacture， and its temperature and flow control of supply source gas is one of the key technologies in polycrystalline?silicon thin film production. For the temperature and flow control of TEOS source tank， the programmable controller module S7?300PLC made by Siemens is used to construct the hardware system and expert PID control strategy. The user controlled operation interface with human?machine integration （HMI） is used to rapidly and accurately control the temperature and flow of output source gas. The designed control system has stable operation. In this system， the flow control can satisfy the design requirement of production index， and the error precision of the temperature control is within 0.5%. The system has reached the advanced level of production control.

Keywords： TEOS source tank； temperature and flow control； expert PID control； integrated circuit manufacture

集成電路制造工藝包括氧化、擴(kuò)散、合金等工藝[1]，硅酸乙酯（TEOS）（又稱安瓿溶液）源柜是集成電路制造擴(kuò)散工藝中供應(yīng)源氣的重要設(shè)備，TEOS源柜溫度與流量控制是多晶硅薄膜生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，TEOS源柜實(shí)現(xiàn)從安瓿液至給定控制溫度氣體的轉(zhuǎn)換。

1 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

系統(tǒng)生產(chǎn)控制工藝流程如圖1所示。其生產(chǎn)流程技術(shù)要求：

（1） TEOS源柜通氣前在真空狀態(tài)下，溫度必須達(dá)到生產(chǎn)設(shè)定溫度值；

（2） 通完氣后需要對(duì)通氣管路進(jìn)行凈化，以保證安瓿氣體的純凈度，同時(shí)生產(chǎn)中滿足自動(dòng)補(bǔ)液功能；

（3） 安瓿溶液汽化氣體溫度和流量控制，要求在400 s時(shí)間內(nèi)將實(shí)際溫度和流量參數(shù)快速調(diào)整到生產(chǎn)控制設(shè)定值，滿足多晶硅膜生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)；

（4） 所有控制流程中的各類執(zhí)行電器機(jī)構(gòu)，能夠在手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式下運(yùn)行，自動(dòng)模式下用戶操作控制界面方便快捷、安全可靠，滿足多晶硅膜生產(chǎn)中TEOS源柜控制工藝流程要求。

根據(jù)其控制工藝流程，系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)象的組成原理圖如圖2所示，其中的源氣溫度與流量控制是整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，本文重點(diǎn)考慮TEOS源柜溫度與流量控制設(shè)計(jì)，采用西門子可編程序控制器（S7?300PLC）[3]以及其功能模塊構(gòu)建控制硬件系統(tǒng)，采用PID控制策略[4?5]，實(shí)時(shí)監(jiān)控多路溫度傳感器，控制多路氣動(dòng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)、多路交直流加熱器，精確控制安瓿液的供液以及液轉(zhuǎn)氣后輸出源氣的溫度、潔凈度及流量，完成系統(tǒng)排氣及工藝凈化、泄漏測(cè)試以及安瓿液的交換和填充等功能，并通過人機(jī)一體化的用戶操作控制界面，實(shí)現(xiàn)方便、快速和精準(zhǔn)控制輸出源氣的溫度與流量。

2 系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體硬件架構(gòu)

根據(jù)多晶硅薄膜生產(chǎn)工藝要求和系統(tǒng)組成，為了實(shí)現(xiàn)TEOS源柜溫度與流量控制，需3路模擬量輸入、16路數(shù)字量輸入，21路數(shù)字量輸出，系統(tǒng)整體硬件采用緊湊型西門子可編程序控制器（S7?300PLC）系列中CPU （314C?2DP）主模塊和3路數(shù)字量輸出模塊、外加電源模塊和12路功率驅(qū)動(dòng)板，控制7路電磁閥的輸出，滿足傳感器及12通道模擬量切換的需要，同時(shí)由變壓器變換輸出AC 33 V，供加熱器使用，其硬件系統(tǒng)組成如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)硬件I/O口配置

根據(jù)圖2中系統(tǒng)控制輸入對(duì)象，定義圖3中的CPU （314C?2DP）輸入模塊C1_1的I/O口配置見圖4。

根據(jù)圖2中系統(tǒng)控制輸出對(duì)象，定義模塊C1_2 的I/O口分配給控制系統(tǒng)中12路加熱器功率驅(qū)動(dòng)板的固態(tài)繼電器線圈，以及4位地址編碼供溫度信號(hào)采集單元中12路切換通道使用，如輸出模塊C2的I/O口主要分配給系統(tǒng)圖2中（V1～V7）7個(gè)電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)安瓿液檢漏、排氣凈化等功能，如圖6所示。

2.3 模擬量采集及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)流量采集處理較簡(jiǎn)單，本文只給出溫度采集設(shè)計(jì)，利用高精度熱電偶AD590監(jiān)控12路加熱器所處區(qū)域的溫度。由于傳感器數(shù)量較多，為降低系統(tǒng)成本，減少輸入模塊數(shù)量，使用MC74HC4514N譯碼器搭建模擬量通道切換，采用周期性刷新方式順序檢測(cè)處理，并通過精密電阻R與隔離放大器將其轉(zhuǎn)換為0～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送入模塊C1_1，電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

按生產(chǎn)工藝流程要求，系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式實(shí)現(xiàn)操作控制，本文只給出自動(dòng)控制模式部分設(shè)計(jì)。

3.1 控制主程序設(shè)計(jì)

在主程序中，包含了模擬量檢測(cè)與Modbus通信、閥門控制、加熱控制、排氣凈化、工藝凈化、安瓿泄漏測(cè)試、質(zhì)量流量控制器測(cè)試、安瓿填充等子程序模塊，采用循環(huán)掃描輸出執(zhí)行方式工作，其主程序流程圖見圖8。 3.2 溫度控制中斷程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用循環(huán)中斷方式采集傳感器溫度信號(hào)，送入溫度中斷程序組織塊（OB35），并將循環(huán)中斷設(shè)為100 ms，每隔0.1 s產(chǎn)生1次中斷，溫度控制采用專家PID控制策略，中斷程序流程圖如圖9所示，通過依次切換采集12路溫度模擬信號(hào)，采集數(shù)據(jù)經(jīng)Modbus通信處理后送入模塊C1_1的數(shù)據(jù)區(qū)（FC18），其第1路通道循環(huán)中斷初始化子程序段代碼如下[6?7]：

FC18：

3.3 流量控制中斷程序設(shè)計(jì)

流量控制的中斷方式和采樣時(shí)間同溫度控制，流量采集信號(hào)送入流量專家PID控制中斷程序組織塊（OB34），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按設(shè)定流量控制，流量循環(huán)中斷初始化子程序段如下：

FC18：

3.4 HMI操作控制設(shè)計(jì)

按生產(chǎn)工藝要求，系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)操作控制，控制操作用戶主界面如圖10所示，其主要包括閥門狀態(tài)及控制、溫度專家PID控制用戶界面如圖11所示，質(zhì)量流量專家控制PID控制用戶界面如圖12所示，其外還有安瓿填充、報(bào)警等用戶界面[8]。

4 控制成效

某型多晶硅薄膜生產(chǎn)，要求TEOS源柜控制擴(kuò)散工藝中的溫度誤差在0.5 ℃內(nèi)，流量控制誤差在5%內(nèi)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)專家反復(fù)測(cè)試整定的條件下，其溫度專家控制策略與傳統(tǒng)控制方法比較結(jié)果如圖13所示，流量控制效果如圖14所示。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行表明，流量調(diào)節(jié)較快，在100 s時(shí)間內(nèi)達(dá)到控制目標(biāo)（一組實(shí)際參數(shù)值如圖12所示），由于溫度慣性作用12路加熱器調(diào)節(jié)要在300 s左右時(shí)間內(nèi)達(dá)到生產(chǎn)設(shè)定值，誤差控制在0.5 ℃內(nèi)（一組實(shí)際參數(shù)值如圖14所示），降低了控制震蕩與超調(diào)，節(jié)省了源氣與電力能源，提高了多晶硅薄膜生產(chǎn)率，系統(tǒng)很好地滿足了生產(chǎn)工藝要求。

5 結(jié) 論

本文對(duì)集成電路制造擴(kuò)散工藝中多晶硅薄膜生產(chǎn)TEOS源柜溫度與流量控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用西門子S7?300PLC以及其功能模塊構(gòu)建控制硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)專家PID控制策略，精確控制安瓿氣體的輸出溫度及流量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)排氣凈化和工藝凈化。通過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)實(shí)測(cè)結(jié)果證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度和質(zhì)量流量調(diào)整速度快，控制精度高，滿足生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品指標(biāo)要求，且處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

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