摘 要：針對傳統(tǒng)的擴(kuò)散/氧化控制系統(tǒng)溫度控制精度、生產(chǎn)工藝控制能力以及自動運(yùn)行能力較低的現(xiàn)狀，提出了一種智能擴(kuò)散/氧化工藝控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以可編程邏輯控制器（PLC）為核心，以模糊自整定PID算法為控制器，采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)PLC與各設(shè)備通信。在該系統(tǒng)的控制下，可有效地實現(xiàn)對擴(kuò)散爐溫度工藝曲線和輔助工藝的控制，并可在線自整定PID參數(shù)，實現(xiàn)了半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝的自動化，提高了溫度控制精度以及工作效率。應(yīng)用結(jié)果表明，該溫控系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性。 關(guān)鍵詞：擴(kuò)散/氧化;可編程邏輯控制器;模糊自整定PID;控制精度 Abstract: Aiming at the current conditions of traditional diffusion / oxidize control system which precision, ability to produce the control ability of the craft and automatic operation is the getting lower relatively, it is difficult to realize the current situation of centralized management, diffusion / oxidize the control system of the craft after putting forward a kind of intelligence. This system regard programmable logic controller （PLC） as core, with fuzzy self-turning PID algorithm for the controller, adopt Modbus agreement to realize PLC and every apparatus communication.Under the control of this system, can realize to the control spreading the temperature craft curve of stove and auxiliary process effectively, and can online to make PID parameter exactly since, realize semiconductor automation to spread craft, have improved the precision and working efficiency of temperature control. Employ the result to indicate, this temperature-controlled system has well adaptively and stupid and excellent. Key words: Diffusion/oxidize, Programmable logic controller, Fuzzy self-turning PID, Control the precision 0 引言 　　高溫擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)是半導(dǎo)體器件、集成電路制造過程中用于對晶片進(jìn)行擴(kuò)散、氧化、退火及合金等工藝的一種熱加工設(shè)備，也適用于對其他材料的特殊溫度工藝處理，是一種用于長時間連續(xù)工作、高精度、高穩(wěn)定性的自動控制設(shè)備。在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，擴(kuò)散爐爐溫控制的精度及其工作的穩(wěn)定性已成為半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素。然而，在傳統(tǒng)的控制中，擴(kuò)散爐的控制管理都是由基于單片機(jī)的儀器儀表來完成，其溫度控制精度、生產(chǎn)工藝控制能力以及自動運(yùn)行能力較低，難以實現(xiàn)集中管理，從而導(dǎo)致了產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低的缺陷。 　　系統(tǒng)針對我國半導(dǎo)體擴(kuò)散/氧化工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀開發(fā)設(shè)計，采用先進(jìn)、可靠的PLC為控制核心，以觸摸屏為人機(jī)界面，配以高精度溫度檢測電路，采用模糊自整定PID為控制器，可實現(xiàn)復(fù)雜的工藝溫度控制。具有檢測、控制精度高、工作過程穩(wěn)定性好、控制參數(shù)自整定、設(shè)定參數(shù)方便等特點。 1 半導(dǎo)體擴(kuò)散/氧化工藝流程 　　高溫擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)主要由擴(kuò)散爐、凈化工作臺、推拉舟系統(tǒng)、氣源柜等組成。半導(dǎo)體器材生產(chǎn)過程中擴(kuò)散/氧化工藝流程為：1）將擴(kuò)散爐的溫度按一定的溫度工藝升溫至特定的溫度，并保證爐內(nèi)處于恒溫狀態(tài);2）將操作人員放在推拉舟托盤上所要擴(kuò)散的晶圓經(jīng)推拉裝置送入擴(kuò)散爐內(nèi);3）在擴(kuò)散爐保持特定的恒溫條件下，向擴(kuò)散爐內(nèi)注入各種要參雜的氣體。整個參雜過程要保證爐體內(nèi)形成一個特定的恒溫區(qū)，才能使晶圓擴(kuò)散均勻。所以溫度控制是擴(kuò)散工藝控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，控制效果的好壞直接決定著半導(dǎo)體擴(kuò)散的質(zhì)量。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 　　根據(jù)半導(dǎo)體擴(kuò)散/氧化工藝過程的要求，即既要實現(xiàn)整個工藝控制過程自動化又要實現(xiàn)半導(dǎo)體擴(kuò)散/氧化工藝要求。系統(tǒng)以PLC為核心，液晶觸摸屏為人機(jī)界面，采用自行研制的JC-9溫度檢測模塊實現(xiàn)溫度的采集等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure chart of the systematic hardware[/align] 　　由圖1所示系統(tǒng)硬件包括三個閉環(huán)控制： 　?、?溫度控制：采用JC-9溫度檢測模塊實現(xiàn)溫度檢測，通過PLC調(diào)用PID控制算法控制自行研制的三相大功率調(diào)壓調(diào)功單元來實現(xiàn)溫度的控制，實現(xiàn)閉環(huán)控制。 　　溫度控制是擴(kuò)散工藝控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，控制效果的好壞直接決定著半導(dǎo)體擴(kuò)散的質(zhì)量。要保證控溫的精度首先要保證溫度的檢測精度，其次要有相應(yīng)的控制算法。系統(tǒng)采用的JC-9溫度檢測模塊的檢測精度優(yōu)于0.5‰，編寫模糊自整定PID控制算法使控制精度優(yōu)于1‰。 　　② 氣體流量控制：PLC從氣體質(zhì)量流量計的數(shù)字接口直接讀取氣體實際流量值，并根據(jù)擴(kuò)散工藝中對氣體流量的要求通過數(shù)字接口進(jìn)行流量輸出控制，實現(xiàn)閉環(huán)控制。 　?、?推拉舟控制：PLC直接讀取推拉舟位置編碼器的數(shù)據(jù)來判斷推拉舟的位置，通過高速脈沖輸出口控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，通過發(fā)送脈沖數(shù)控制推拉舟的位置，通過脈沖的頻率控制推拉舟的速度。實現(xiàn)推拉舟的位置/速度閉環(huán)控制。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括觸摸屏操作界面設(shè)計、模糊自整定PID控制算法設(shè)計及Modbus通信程序設(shè)計。 　　3.1 觸摸屏操作界面[3] 　　觸摸屏為人機(jī)對話界面，具有畫面豐富，信息量大、操作靈活直觀的特點。針對半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝及系統(tǒng)功能需求，設(shè)計用戶界面主要界面包括：自動運(yùn)行界面，手動運(yùn)行界面，工藝參數(shù)設(shè)置界面，工藝曲線繪制界面，PID參數(shù)自整定界面等。 　?。?）自動運(yùn)行界面。實現(xiàn)擴(kuò)散爐各測點的溫度檢測值、設(shè)定值，各種氣體流量值，各個閥的狀態(tài)，推拉舟運(yùn)行狀態(tài)和速度的實時顯示，完成整個工藝過程的監(jiān)督功能。 　　（2）手動運(yùn)行界面。手動運(yùn)行適合于系統(tǒng)調(diào)試、狀態(tài)測試等應(yīng)用中。除了顯示爐體的三點溫度以外，其他部分均可通過按鍵實現(xiàn)手動操作。主要內(nèi)容有：推拉舟“前進(jìn)”“后退”運(yùn)行控制;氣路四個閥門的控制;氫氣流量、氮氣流量的控制。在“手動”畫面中，設(shè)有推拉舟前進(jìn)、后退速度設(shè)定，各種氣體流量設(shè)定按鍵。用戶可根據(jù)要求設(shè)定。 　?。?）工藝參數(shù)設(shè)置界面。系統(tǒng)可存儲20套工藝配方，每個工藝配方由20個工藝段組成，每個工藝段可分為升（降）溫和恒溫兩步。工藝參數(shù)界面設(shè)置可實現(xiàn)對每步的溫度數(shù)值、持續(xù)時間、氣路流量、推拉舟位置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 　　（4）工藝曲線繪制界面。將控制過程的參數(shù)以數(shù)字方式顯示，將爐體的三點溫度以及設(shè)定溫度值以曲線形式顯示在畫面中。 　　（5）PID參數(shù)自整定[4]界面。根據(jù)工藝的溫度要求，選擇整定溫度，系統(tǒng)開始對爐體加溫并開始自整定過程，實現(xiàn)PID參數(shù)的整定。 　　3.2 模糊自整定PID控制算法設(shè)計[5][6] 　　PLC作為系統(tǒng)的核心，完成各種信息的檢測、處理，控制算法的實現(xiàn)，控制量的輸出等。系統(tǒng)實現(xiàn)控制包括：對擴(kuò)散爐九點溫度的工藝控制;對氣體流量工藝過程的控制;對擴(kuò)散爐生產(chǎn)工藝的自動化過程控制。其中對溫度的控制是至關(guān)重要的，控制效果的好壞直接決定著半導(dǎo)體擴(kuò)散的質(zhì)量。本系統(tǒng)采用模糊自整定PID控制算法實現(xiàn)對溫度的控制。 　　模糊推理控制算法程序的流程圖如圖2所示。計算時有以下幾個步驟： 　　（1）確定誤差和誤差變化率以及控制量的論域，將和的實際變化范圍分為7檔（考慮本控制系統(tǒng)要求控制精度較高）,使每一檔與其論域的某個元素相對應(yīng)。這樣，系統(tǒng)的每個實測量就可以被量化為論域中的某個元素。 　?。?）本系統(tǒng)通過離線計算出模糊控制表，實際運(yùn)行時，PLC主程序中斷執(zhí)行查表子程序就可以得出控制量。 [align=center] 圖2 模糊推理子程序 Fig.2Fuzzy reasoning subprogram[/align] 　　在現(xiàn)場的控制中，模糊自整定PID控制器的魯棒性強(qiáng)，參數(shù)自整定易于實現(xiàn)，控制的精度較高。比單純的PID控制器具有更快的動態(tài)響應(yīng)特性，其控溫效果較好。 　　3.3 Modbus通信程序設(shè)計 　　系統(tǒng)采用Modbus現(xiàn)場總線實現(xiàn)PLC主站與溫度檢測模塊、氣體質(zhì)量流量計等各從站之間的通信。 　　1、以O(shè)MRON PLC為主站的主從站的通信[6] 　　系統(tǒng)選擇OMRON CP1H系列PLC作為通信主站。CP1H是歐姆龍公司推出的功能強(qiáng)大的一體化小型PLC，它的兩個串口中均內(nèi)置的Modbus-RTU主站功能，還配置了兩個串行通信選件板RS422/485串口選件板和RS232串口選件板。系統(tǒng)選擇作為從站的JC-9溫度采集模塊、氣體質(zhì)量流量計和推拉舟均含有RS485接口且已經(jīng)內(nèi)置Modbus協(xié)議，具有Modbus-RTU從站功能，只要按照編程手冊進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置即可實現(xiàn)主站通信。 　　2、從站的通信流程 　　系統(tǒng)從站包括JC-9溫度采集模塊、氣體質(zhì)量流量計和推拉舟裝置，其中氣體質(zhì)量流量計和推拉舟裝置購置時均內(nèi)置Modbus協(xié)議（此處不作介紹）。JC-9溫度采集模塊為自行研制的九路溫度采集模塊，此模塊含RS485接口，由于系統(tǒng)通信采用Modbus通信模式，需在模塊上自定義Modbus從站協(xié)議。從站收到主站指令，根據(jù)主站要求做出回應(yīng)。從站與主站間通信中斷程序處理流程如圖3所示。 [align=center] 圖3 從站Modbus通信程序處理流程 Fig.5 The procedure of Modbus communication procedure of the sub site[/align] 5 結(jié)束語 　　系統(tǒng)依據(jù)半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中擴(kuò)散/氧化工藝需求而設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、成本低、可靠性好，可大大提高溫度控制精度及工藝過程自動化水平?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 參考文獻(xiàn) 　　[1] Michael Quirk,Julian Serda.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].韓鄭生等譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2004，445-447 　　[2] 劉濤, 趙加寶. 微機(jī)測控技術(shù)在半導(dǎo)體擴(kuò)散氧化工藝設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 中國儀器儀, 2005, （12）：94-96 　　[3] 鐘肇新.《可編程控制其原理及應(yīng)用》[M]. 華南理工大學(xué)出版社, 2004 　　[4] 劉艷, 張?zhí)扉_, 黃東. 多工位燒結(jié)爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用. 自動化儀表[J], 2006,（11）：48-50 　　[5] 王先春, 蔡劍華, 胡惟文. 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