一種精密流場維持系統的設計與應用

羅晉

(上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海201203)

在半導體設備中，存在精密流場維持的應用需求[1，2]。本文針對其中一種精密流場維持控制裝置開展了研究工作，包括系統方案設計、控制方案設計、實驗平臺搭建與測試驗證等。

1 流場維持系統總體設計

如圖1所示，精密流場維持系統包含軟件模塊、維持單元控制模塊、供液控制模塊、運動平臺控制模塊等。其中，維持單元控制模塊負責流場維持及其單元位置調節功能；供液控制模塊負責控制液體供給的通斷功能；運動平臺控制模塊負責運動平臺的二維運動控制；軟件模塊負責接收上層整機應用的調用生成邏輯動作，并根據工藝要求轉換成物理動作，下發設備驅動執行。流場的建立過程為，軟件模塊驅動運動平臺控制系統，使用運動平臺運動到工作位置，并調整好垂向高度；軟件模塊再驅動流場維持單元運動到運動平臺上方合適位置；軟件模塊再驅動供液控制模塊打開液體供給，形成流場，并不斷更新。在工作過程中，流場維持單元位置維持不動，運動平臺實現高速的二維運動，此時流場實現動態維持而不被破壞，并不斷更新。流場的撤銷過程為，軟件模塊驅動供液控制模塊關閉液體供給，并抽走所有流場液體；軟件模塊再驅動維持單元控制模塊，將維持單元提升到安全位置。

圖1 精密流場維持系統整體方案示意圖

精密流場維持系統被分為6層，即應用層、邏輯層、控制層、信號流層、模擬層、物理層，如圖2所示。其中，應用層、邏輯層均為軟件，部署在上位機中；應用層包括測校應用軟件、業務應用軟件等；邏輯層包括邏輯軟件、設備驅動軟件層；控制層包括實現液體測控、維持單元測控、運動平臺控制的硬件機箱和固件以及用于實現機箱與上位機通信的以太網；信號流層包括用于處理現場信號的控制板卡以及用于實現現場板卡與上層機箱通信的工業現場總線；模擬層包括針對現場信號的信號調制、功率放大等環節；物理層包括布置在現場的傳感器、執行器，如位移傳感器、電機、流量傳感器、控制閥等。

圖2 精密流場維持系統示意圖

2 精密流場測試與驗證

本文通過上述精密流場維持系統在半導體設備上實現了流場的建立，并通過流場溫度測量系統、流場壓力測量系統、流場氣泡觀測系統進行了相關流場測量與驗證。

2.1 流場溫度測試與驗證

使用流場溫度測量系統如圖3所示，對其進行再現性測試，測試結果表明該測量系統的再現性優于±1 mK。使用該測量系統對靜態工況下、動態工況下流場分別進行溫度測量，測試結果如表1、圖4所示。

圖3 流場溫度測量系統及其再現性測試

圖4 動態工況下流場溫度測試數據

表1 流場溫度測試結果

2.2 流場壓力測試與驗證

使用流場壓力測量系統如圖5所示，對其進行再現性測試，測試結果表明該測量系統的再現性優于±5 Pa。使用該測量系統對靜態工況下、動態工況下流場分別進行壓力測量，測試結果如表2、圖6所示。

表2 流場壓力測試結果

圖5 流場壓力測量系統及其再現性測試

圖6 動態工況下流場壓力測試數據

2.3 流場氣泡測試與驗證

使用流場氣泡觀測系統如圖7所示，對其進行分辨率測試，測試結果表明該測量系統的分辨率優于20μm。使用該測量系統對靜態下流場進行氣泡觀測，測試結果如圖8所示。

圖7 流場氣泡觀測系統及其分辨率測試

圖8 流場氣泡觀測結果

3 結束語

對半導體設備中精密流場維持系統進行了設計，包括軟件模塊、維持單元控制模塊、供液控制模塊、運動平臺控制模塊等，并通過上述控制系統實現了在半導體設備中流場建立、流場動態維持、流場撤銷等功能。使用流場溫度測量系統、流場壓力測量系統、流場氣泡觀測系統進行了相關流場測量與驗證，測試結果表明，流場的溫度梯度、壓力波動、氣泡數量等指標達到實驗目的要求。