單晶硅化學機械拋光的PLC控制系統(tǒng)設計

王昆 曲慶韜

摘要：為了完成單晶硅的化學機械拋光，本文提出了一種單晶硅化學機械拋光設備的控制系統(tǒng)設計方法。該控制系統(tǒng)以西門子的PLC S7-200為核心，實現(xiàn)控制單相交流電機的旋轉(zhuǎn)運動和步進電機水平往復周期性運動，實現(xiàn)對不同尺寸的單晶硅晶片設置合適的運動參數(shù)，可以得到高表面質(zhì)量的表面。并針對特定尺寸的單晶硅晶片進行拋光實驗，得到滿足粗糙度要求的表面。

關鍵詞：單晶硅;化學機械拋光;西門子PLC S7-200

中圖分類號：TN305 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0007-02

1 概述

單晶硅是半導體，其光學、機械及化學性能優(yōu)異。在常溫下（300 K）硅的電阻率為 2.3×105Ω·cm，硅禁帶寬度為1.1ev;折射系數(shù)和反射率都很高;化學性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于酸，但易溶于氟化氫和硝酸的混合液。既廣泛用于制作芯片和光學元器件，也廣泛應用在太陽能電池和探測器上[1]，有巨大的市場空間和前景，這對獲得高表面質(zhì)量的單晶硅提出了迫切要求。

在我國50年代，隨著光學玻璃制品的深加工，化學機械拋光技術也開始發(fā)展起來，化學機械拋光作為唯一的全局平坦化拋光技術，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已被廣泛應用于各類芯片和光學晶體的超精密加工中，其加工示意圖如圖1所示。首先，通過化學氧化反應削弱材料原子分子之間的鍵能，形成一個全新的氧化分子層，再通過機械摩擦去除經(jīng)氧化的表面軟化層材料，流動的拋光液沖走脫落的材料[2]。

本文在繼承開放式表面恒壓化學機械拋光技術的基礎上，基于西門子的PLC S7-200，設計了化學機械拋光控制系統(tǒng)，其可以根據(jù)不同尺寸的單晶硅晶片設計合適的運動參數(shù)，得到高表面質(zhì)量的表面。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

單晶硅化學機械拋光設備總體由旋轉(zhuǎn)運動設備和水平往復運動設備組成，如圖2所示。控制系統(tǒng)硬件由以下部分組成：

（1）西門子PLC S7-200;（2）步進電機;（3）電機驅(qū)動器;（4）交流調(diào)速器;（5）單相交流電機（帶剎車）;（6）+24V直流電源。

旋轉(zhuǎn)運動設備由PLC控制單相交流電機的周期性啟停和正反轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速由交流調(diào)速器控制，控制模式為開環(huán)控制。水平往復運動設備由PLC控制步進電機的周期性往返運動和轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，通過設置限位開關，對運動距離進行限定，控制模式為開環(huán)控制。其中電機驅(qū)動器提供兩種不同的控制信號：正脈沖/負脈沖、脈沖+方向。

其拋光工作流程如圖3所示。首先安裝好拋光板和單晶硅待拋件，經(jīng)過百分表定位后，調(diào)節(jié)換向閥和調(diào)壓閥加壓將單晶硅待拋件壓在拋光板表面，滴加拋光液潤濕接觸面，完成準備和安裝工作;隨后根據(jù)實際的拋光參數(shù)設定單相交流電機和步進電機的運動速度等運動參數(shù);同時啟動單相交流電機和步進電機，單相交流電機帶動拋光板按設定的運動方式旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動;步進電機帶動平移臺按設定的速度、運動距離和往返次數(shù)做周期性往復運動，實現(xiàn)水平往復運動，完成單晶硅的化學機械拋光。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

在保證自動化的前提下，控制好拋光板和工件的運動速度、運動軌跡對拋光出符合粗糙度要求的表面至關重要。

首先，采用PLC完成對單相交流電機旋轉(zhuǎn)運動的控制，其中包括啟停和正反轉(zhuǎn)運動。要實現(xiàn)對單相電動機的正反轉(zhuǎn)控制，只需改變電源在電機內(nèi)電容兩側(cè)的接入位置，將PLC的兩個數(shù)字量輸出口通過中間繼電器與交流調(diào)速器的正反轉(zhuǎn)端子連接。為了防止電機正反轉(zhuǎn)同時接通而燒毀電機，還要增加互鎖保護功能，當電機正向啟動時，可以增加按鈕互鎖或者線圈互鎖功能，保證電機無法反向轉(zhuǎn)動，反向啟動類似。同時可以根據(jù)實際使用情況添加定時器和計數(shù)指令[3]，控制電機按照運動要求周期性正反轉(zhuǎn)與啟停。

其次，采用PLC完成對步進電機周期性水平往復運動的控制，需要使用西門子的EM235模塊，根據(jù)模塊說明書要求完成與電機驅(qū)動器的模板接線，通過STEP7-Micro/Win SP9軟件的“位置控制向?qū)А迸渲霉ぞ撸陔x線的情況下，完成定位模塊EM253的運動參數(shù)、運動軌跡包絡等設置[4]。

配置控制步進電機的脈沖輸出極性、控制方向，其中系統(tǒng)的測量單位選擇“使用相對脈沖數(shù)”;方向控制既可以選擇“使用P0輸出正向運動脈沖;使用P1輸出負向運動脈沖。”也可選擇“使用P0輸出雙向運動脈沖;使用P1指明運動方向。P1有效為正向運動;P1無效為負向運動。”;根據(jù)實際使用情況定義電機的速度，包括最大速度、最低速度和啟動/停止速度;設置運動軌跡包絡和數(shù)量。其次應用“POSx_CTRL”命令編制程序，使用SM0.0接通參數(shù)“EN”、“MOD_EN”，使每一個循環(huán)都執(zhí)行。然后將程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊下載到S7-200 CPU中，進入EM 253控制面板中進行調(diào)試，在此界面中手動操作尋找機械設備的參考點，調(diào)用、調(diào)試或者修改預定義的運動軌跡包絡，如圖4所示。根據(jù)實際拋光需求，編制程序，下載到S7-200 PLC，調(diào)試運行。

4 實驗結(jié)果

本文以56mm×45mm×6mm的單晶硅晶片為例，根據(jù)計算出的拋光運動軌跡，推算出相應的步進電機和單相交流電機的運動參數(shù)。其中方向控制選擇“使用P0輸出正向運動脈沖;使用P1輸出負向運動脈沖。”步進電機最大運動速度為脈沖217600脈沖/s，最低速度為20脈沖/s，加減速時間設置為100ms，往復周期設置為300次;單相交流電機轉(zhuǎn)速設置為37r/min，30次往返運動切換正反轉(zhuǎn)，其中停止時間忽略不計。進行拋光實驗后得到表面粗糙度達到0.927nm。

5 結(jié)語

本文應用西門子PLC S7-200分別控制單相交流電機完成旋轉(zhuǎn)運動和步進電機完成水平往復周期性運動。針對不同的實際拋光參數(shù)設定合理的運動參數(shù)，可以得到符合粗糙度要求的單晶硅表面，并針對特定尺寸單晶硅晶片進行拋光實驗，得到表面粗糙度為0.927nm的表面，滿足表面粗糙度要求。

參考文獻

[1]張文爽.單晶硅精密研拋的分子動力學仿真及試驗研究[D].吉林大學，2013.

[2]王永光.基于分子量級的化學機械拋光材料去除機理的理論和試驗研究[D].無錫：江南大學，2008.

[3]西門子（中國）有限公司.SIMATC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊[M].2008.

[4]西門子（中國）有限公司.定位模塊EM253快速入門[M].2010：2-3.

The Design of PLC Control System for Monocrystalline Silicon

Chemical Mechanical Polishing

WANG Kun， QU Qing-tao

（College of Mechanical Engineering， Tongji University， Shanghai? 201804）

Abstract：In order to complete monocrystalline silicon chemical mechanical polishing， a control system of chemical mechanical polishing equipment for monocrystalline silicon was proposed. T- he control system was based on siemens PLC S7-200. It could control the rotational motions of m-otors and the periodic horizontal reciprocating motion of stepper motor， set appropriate motion pa-rameters for different monocrystalline silicon wafers， and obtain surfaces with high qualities. The polishing experiments for the monocrystalline silicon wafers with specific size were carried out， and the surfaces which met the roughness requirements were obtained.

Key words：monocrystalline silicon; chemical mechanical polishing; siemens PLC S7-200