用于半導體生產的擴散/氧化系統整體方案設計

崔嚴勻，袁敏杰 ，趙 歡

(1.無錫華潤上華科技有限公司，江蘇 無錫 214061 2.中國電子科技集團公司第四十七研究所，遼寧 沈陽 110032)

半導體是工業電子化、工業智能化的核心元件，被稱為“現代工業的糧食”[1]。改革開放四十年來，國內生產了幾十萬臺、300余種半導體設備，15.24 cm(6英寸)、0.5 μm生產線主要設備已經通過驗收，部分品種的集成電路和半導體塑封機、塑封模具和自動封裝系統亦可滿足用戶需要；數字集成電路測試系統以及適用線寬1 μm以上、64腿以下的集成電路的數/模混合系統已經實現規模化生產。然而，我國每年向國外進口的半導體芯片仍然高達3 000億美元，并且在美國等西方發達國家的封鎖下，半導體芯片供給的穩定性也存在風險[2]。加強半導體生產工藝研究，優化生產工藝，對于我國半導體芯片的自主可控有著不可替代的重要意義[3]。國內應用于半導體生產的臥式擴散爐已經發展成熟，硅片直徑現已增大到20.32 cm(8英寸)，微細加工線由1 μm提升至0.25 μm。但傳統的臥式擴散爐難以滿足先進制程半導體產品的生產要求，需要進一步加強針對立式擴散爐的研發與生產。

1 擴散/氧化設備

擴散/氧化設備本質上是一種熱加工設備，在半導體生產過程中，該設備可以對硅片進行氧化、擴散以及退火處理，具有穩定性強、精度高、可連續工作等方面的特點[4]。擴散/氧化設備在結構設計上主要由推拉舟、凈化臺、爐體柜、控制柜所組成，圖1為擴散/氧化設備的組成結構[5]。

圖1 擴散/氧化設備結構圖

從設備類型和工藝技術兩方面的角度上來看，擴散/氧化設備可以劃分為幾個不同的種類，分類情況如表1所示[6]。

表1 半導體生產設備分類表

2 擴散/氧化系統設計方案

2.1 系統總體結構設計

本次研究所設計的擴散/氧化系統硬件設計方案主要涉及顯示觸摸屏、可編程序控制器(PLC)、溫度檢測單元(JC-A 模塊)以及上位數據處理計算機四項關鍵硬件。由顯示觸摸屏、PLC、溫度檢測單元共同構成正位機控制系統。每個爐體均由獨立的JC-A模塊的熱電偶輸入通道檢測[7]，每套系統可控制1～4個爐體，各爐體檢測單元與PLC之間均采用光電隔離的通信技術，圖2為單個爐體下擴散/氧化系統的硬件結構。

圖2 系統硬件結構圖

2.2 擴散/氧化下位機系統設計

下位控制單元以液晶觸摸屏為人機界面，可編程邏輯控制器PLC為核心，采用位置編碼器、氣體質量流量計和JC-A溫度檢測模塊分別實現推拉舟位置、氣體流量、恒溫區溫度的檢測與控制[8]。整個控制單元主要負責擴散/氧化系統的推拉舟閉環控制、氣體流量閉環控制和溫度閉環控制，具體結構如圖3所示。

圖3 擴散/氧化下位機系統

2.3 JC-A溫度檢測模塊

JC-A溫度檢測模塊由可編程計數/定時芯片8253、雙積分型A/D轉換器ICL7135、AD620低噪聲精密運算放大器、熱電偶作為溫度傳感器所組成，并通過高精度鉑電阻對環境溫度進行測試，進而實現針對熱電偶的冷端補償[9]，該模塊的線路連接方式如圖4所示。

圖4 JC-A 溫度檢測模塊的線路連接方案

2.4 控制系統輸入/輸出單元

輸入/輸出單元是各個外接設備與PLC相連接的結。現場設備通過輸入單元向PLC傳輸信號，比如撥碼器開關、限位開關、操作開關、按鈕等提供開關量的信號[10]。輸入電路需要對各種信號進行電平轉換、光電隔離以及濾波等操作，將模擬信號轉換為CPU可以直接進行數據處理的數字信號。經過CPU處理的各種弱電信號則需要由輸出單元對其進行功率放大、光電隔離等處理，進而將經過轉換的信號傳輸給各個外接設備[11]，最終為調速裝置、電磁鐵、電磁閥、接觸器等裝置提供驅動數據。控制系統開關量輸出模塊的電路設計方案如圖5所示。

圖5 控制系統開關量輸出模塊設計方案

3 擴散/氧化系統設計操作界面設計

本次研究通過EasyBuilder 8000軟件對擴散/氧化系統的觸摸屏界面進行編譯與設計，并通過通信電纜實現RS-232與PLC之間的連接，觸摸屏狀態控制區的讀寫則通過PLC實現，進而實現二者之間的數據傳輸。

基于擴散爐在操作與控制方面的要求，本次研究設計了工藝參數設置界面、質量流量計參數設置界面、控制參數設置界面、手動運行界面和自動運行界面。EasyBuilder 8000具有操作簡單、界面豐富、多級密碼管理、菜單式操作等方面的特點，工藝編程方便[12]。擴散/氧化系統能夠對爐體溫度進行獨立控制，可實時查看報警記錄。本次研究主要介紹擴散/氧化系統的自動運行界面和手動控制界面。

3.1 自動運行界面

擴散/氧化系統的自動運行界面由上、下兩個部分組成，其中上半部主要顯示擴散爐的推拉舟狀態、質量流量計參數、控制量、工藝運行參數以及各點溫度參數[13]，下半部則由操作按鍵所組成，比如控制工藝的開始或停止、保持操作、跳步操作、設置控制參數以及設置工藝參數等，自動運行界面設計結果如圖6所示。

圖6 擴散/氧化系統的自動運行界面

3.2 手動控制界面

擴散/氧化系統的手動控制界面主要用于設備維護、狀態測試和系統調試。可實現的操作具體包括氮氣流量的設置、氫氣流量、氣路閥門的開/關控制以及推拉舟“前進”“后退”運行控制等。手動控制界面設計結果如圖7所示。

圖7 擴散/氧化系統的手動控制界面

4 結 語

本文詳細介紹了半導體生產中氧化及擴散的控制流程與工藝原理，并在此基礎上詳細說明了相關工藝流程下軟硬件系統的總體設計方案。在未來的研究工作中，還需要重點加強針對下位機系統的設計，優化整體系統的操作流程，降低生產成本，提高生產效率。