CN102534803A - 立式扩散炉电器控制系统及控制方法 - Google Patents

立式扩散炉电器控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种立式扩散炉电器控制系统及控制方法，涉及半导体生产技术领域，所述系统包括：中心控制模块，用于根据传输模块和工艺模块发送来的状态信息，对所述传输模块和工艺模块进行控制；所述传输模块，用于控制硅片的传输，记录硅片的状态信息，并将所述硅片的状态信息发送至所述中心控制模块；所述工艺模块，用于根据工艺需求，控制硅片在工艺过程中所需要的温度、气体和气压。本发明通过提出一种新型的立式扩散炉电器控制系统内部的构架，提高了设备自动化程度，同时提高设备运行的可靠性。

Description

立式扩散炉电器控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及半导体生产技术领域，特别涉及一种立式扩散炉电器控制系统及控制方法。
背景技术
由于集成电路行业的飞速发展，12寸硅片的集成电路生产线成为市场发展的主流，因此带动国内集成电路设备行业的发展，8寸硅片的及以下的设备无法满足生产线的需求，研制12寸硅片的半导体设备势在必行。目前，立式扩散炉的电气控制系统存在很多的系统框架，比如：工控机与现场总线组成的控制系统，工控机与各种单元控制器组成的控制系统等，自动化程度低，实时性差，系统控制集中于上位机完成，可靠性低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提高设备自动化程度，同时提高设备运行的可靠性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种立式扩散炉电器控制系统，所述系统包括：中心控制模块、传输模块和工艺模块，
所述中心控制模块，用于根据所述传输模块和工艺模块发送来的状态信息，对所述传输模块和工艺模块进行控制；
所述传输模块，用于控制硅片的传输，记录硅片的状态信息，并将所述硅片的状态信息发送至所述中心控制模块；
所述工艺模块，用于根据工艺需求，控制硅片在工艺过程中所需要的温度、气体和压力，并将工艺过程中的当前温度、气体和压力作为工艺过程的状态信息发送至所述中心控制模块。
优选地，所述工艺模块包括：硅片承载运动控制子模块、温度控制子模块、气路控制子模块和微环境控制子模块，
所述硅片承载运动控制子模块，用于将硅片运送至工艺腔室中；
所述温度控制子模块，用于控制所述工艺腔室内的温度；
所述气路控制子模块，用于控制所述工艺腔室内所需工艺气体的传输和控制；
所述微环境控制子模块，用于控制硅片承载运动控制子模块的微环境，所述微环境包括氧气含量和气压。
优选地，所述工艺模块还包括：报警信息采集及处理子模块，用于负责监控所述工艺模块中其它子模块的运行情况，若发现运行异常的情况，则进行报警提示。
优选地，所述传输模块包括：装载盒传输子模块和硅片传输子模块，
所述装载盒传输子模块，用于对硅片进行批量的储存和传输，记录装载盒的编号及装载盒内硅片的状态信息、并发送至所述中心控制模块，所述状态信息包括：装载盒内装载的硅片类型、硅片所经过的工艺处理，以及装载盒内装载的硅片数量；
所述硅片传输子模块，用于将硅片从装载盒传输至所述硅片承载运动控制子模块。
优选地，所述装载盒传输子模块包括：第一控制单元、串口通讯单元、设备网单元、直线电机和传输装载盒机械手，所述第一控制单元通过所述串行通讯单元和/设备网单元控制直线电机和传输装载盒机械手。
优选地，所述硅片传输子模块包括：传片机械手和传片机械手控制器，所述传片机械手控制器根据所述中心控制模块的控制信号驱动所述传片机械手，将硅片传送至所述硅片承载运动控制子模块上。
优选地，所述硅片承载运动控制子模块包括：伺服电机、伺服电机驱动器、步进电机、步进电机驱动器、以及传送带，所述伺服电机驱动器驱动所述伺服电机，所述步进电机驱动器驱动所述步进电机，所述伺服电机和所述步进电机分别带动传送带进行硅片的运送。
优选地，所述温度控制子模块包括：温度采集单元、炉体加热单元、可控硅调压器件和第二控制单元，所述第二控制单元通过所述温度采集单元采集温度数据，并进行运算，将运算结果输出给所述可控硅调压器件，通过所述可控硅调压器件控制所述炉体加热单元，以实现控制所述工艺腔室内的温度。
优选地，所述气路控制子模块包括：工艺过程中各种所需气体的质量流量计、气体压力控制器和电磁阀。
本发明还公开了一种基于所述的立式扩散炉电器控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：根据装载盒传输子模块记录装载盒的编号及装载盒内硅片的状态信息，并发送至中心控制模块；
S2：所述装载盒传输子模块根据所述中心控制模块发来的控制信号，将装载盒放置于硅片传输子模块的入口处；
S3：所述硅片传输子模块将装载盒内的硅片传送至硅片承载运动控制子模块；
S4：所述硅片承载运动控制子模块将硅片传输至工艺腔室；
S5：根据不同的工艺需求，温度控制子模块和气路控制子模块对所述工艺腔室内的温度和气体进行控制；
S6：硅片在所述工艺腔室内经过预设的工艺时间；
S7：将硅片按照原路返回至所述装载盒内，所述装载盒传输子模块更新装载盒内硅片的状态信息。
(三)有益效果
本发明通过提出一种新型的立式扩散炉电器控制系统内部的构架，提高了设备自动化程度，同时提高设备运行的可靠性。
附图说明
图1是按照本发明一种实施方式的立式扩散炉电器控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是按照本发明一种实施方式的立式扩散炉电器控制系统的结构框图，参照图1，本实施方式的系统包括：中心控制模块、传输模块和工艺模块，
所述中心控制模块，用于根据所述传输模块和工艺模块发送来的状态信息，对所述传输模块和工艺模块进行控制；
所述传输模块，用于控制硅片的传输，记录硅片的状态信息，并将所述硅片的状态信息发送至所述中心控制模块；
所述工艺模块，用于根据工艺需求，控制硅片在工艺过程中所需要的温度、气体和压力(所述压力包括气路压力和工艺反应的压力)等条件参数。
优选地，所述工艺模块包括：硅片承载运动控制子模块、温度控制子模块、气路控制子模块和微环境控制子模块，
所述硅片承载运动控制子模块，用于将硅片运送至工艺腔室中；
所述温度控制子模块，用于控制所述工艺腔室内的温度；
所述气路控制子模块，用于控制所述工艺腔室内所需工艺气体的传输和控制；
所述微环境控制子模块，用于控制硅片承载运动控制子模块的微环境，所述微环境包括氧气含量和气压；本实施方式中，所述微环境控制子模块主要是对所述硅片承载运动控制子模块的氧气含量和压力进行控制，主要控制目标是在保证氧气含量的前提下对气压进行控制，使所述硅片承载运动控制子模块内部气压稳定在略大于外部气压2～3Torr，进而保证形成的氧化物薄膜的均匀性。对气压精确控制的实现是通过PID控制实现的。本实施方式中，在工艺控制过程中，工作人员通过所述中心控制模块发送控制信号，采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)根据内部控制逻辑，以及氧气分析仪的获得的实际值，来对各种排放阀、充气阀的开关以及气体质量流量计的流量来进行控制，从而实现内部压力的稳定。
优选地，所述工艺模块还包括：报警信息采集及处理子模块，用于负责监控所述工艺模块中其它子模块的运行情况，若发现运行异常的情况，则进行报警提示，优选地，所述报警信息采集及处理子模块在进行报警提示时，还会根据具体的情况进行相应处理；所述报警信息采集及处理子模块主要是出于设备安全和人身安全考虑，结合具体工艺需求而设计的。在具体的工艺过程中，通过各传感器和检测装置采集信号发送到PLC，PLC发送到所述中心控制模块给操作人员进行监控，PLC根据采集到的报警信息，根据内部处理逻辑发出控制信号进行相应处理。
优选地，所述传输模块包括：装载盒传输子模块和硅片传输子模块，
所述装载盒传输子模块，用于对硅片进行批量的储存和传输，记录装载盒的编号及装载盒内硅片的状态信息、并发送至所述中心控制模块，所述状态信息包括：装载盒内装载的硅片类型、硅片所经过的工艺处理，以及装载盒内装载的硅片数量；
所述硅片传输子模块，用于将硅片从装载盒传输至所述硅片承载运动控制子模块。
优选地，所述装载盒传输子模块包括：第一控制单元、串口通讯单元、设备网单元、直线电机和传输装载盒机械手，所述第一控制单元通过所述串行通讯单元和/设备网单元控制直线电机和传输装载盒机械手。
优选地，所述硅片传输子模块包括：传片机械手和传片机械手控制器，所述传片机械手控制器根据所述中心控制模块的控制信号驱动所述传片机械手，将硅片传送至所述硅片承载运动控制子模块上。
优选地，所述硅片承载运动控制子模块包括：伺服电机、伺服电机驱动器、步进电机、步进电机驱动器、以及传送带，所述伺服电机驱动器驱动所述伺服电机，所述步进电机驱动器驱动所述步进电机，所述伺服电机和所述步进电机分别带动传送带进行硅片的运送；本实施方式中，采用PLC的位控模块控制电机驱动器驱动电机来实现运动控制部分的功能；PLC的位控模块使用编码器反馈的半闭回路控制方式，根据其CPU模块命令生成位置控制轨迹，利用外部位置检测器(递增式编码器或绝对值编码器)反馈执行位置回路计算，并将速度指令作为模拟电压输出；位控模块可顺畅执行多种位置控制模式，包括多轴线性插值、速度控制、以及速度控制模式与位置控制模式之间的切换。运动控制部分主要包括三个步进电机和步进电机驱动器以及一个伺服电机和伺服电机驱动器。
优选地，所述温度控制子模块包括：温度采集单元、炉体加热单元、可控硅调压器件和第二控制单元，所述第二控制单元通过所述温度采集单元采集温度数据，并进行运算，将运算结果输出给所述可控硅调压器件，通过所述可控硅调压器件控制所述炉体加热单元，以实现控制所述工艺腔室内的温度；第二控制单元利用所述温度采集单元(热电偶)采集的实际温度与预设的温度进行比较，利用变速积分PID算法，控制所述可控硅调压器件相角的导通，控制所述炉体加热单元的功率，实现对温度的控制。
优选地，所述气路控制子模块包括：工艺过程中各种所需气体(例如：氮气、氧气、氢气、氩气等，但不限定本发明的保护范围，根据不同的工艺需求，也可以为其他的气体)的质量流量计、气体压力控制器和电磁阀；所述气路控制子模块主要是为在工艺过程中在硅片表面形成一层薄膜而专门设计的，其内部包括气体质量流量计、气体压力控制器、调压阀以及电磁阀等，此外还设置气体检测和泄漏报警装置。所述气体质量流量计通过Devicenet模块连接到PLC上，PLC通过所述气体质量流量计的反馈来实现对流量的精确控制。所述气路控制子模块的主要作用是在工艺过程中根据工艺的需要由操作者通过上位机给PLC一个信号打开相应电磁阀，再通过设置流量使所需流量的气体进入反应室，各气路之间的互锁根据工艺过程的需要以及对安全因素的考虑由PLC来实现。
本发明还公开了一种基于所述的立式扩散炉电器控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：根据装载盒传输子模块记录装载盒的编号及装载盒内硅片的状态信息，并发送至中心控制模块；
S2：所述装载盒传输子模块根据所述中心控制模块发来的控制信号，将装载盒放置于硅片传输子模块的入口处；
S3：所述硅片传输子模块将装载盒内的硅片传送至硅片承载运动控制子模块；
S4：所述硅片承载运动控制子模块将硅片传输至工艺腔室；
S5：根据不同的工艺需求，温度控制子模块和气路控制子模块对所述工艺腔室内的温度和气体进行控制；
S6：硅片在所述工艺腔室内经过预设的工艺时间；
S7：将硅片按照原路返回至所述装载盒内，所述装载盒传输子模块更新装载盒内硅片的状态信息。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种立式扩散炉电器控制系统，其特征在于，所述系统包括：中心控制模块、传输模块和工艺模块，
所述中心控制模块，用于根据所述传输模块和工艺模块发送来的状态信息，对所述传输模块和工艺模块进行控制；
所述传输模块，用于控制硅片的传输，记录硅片的状态信息，并将所述硅片的状态信息发送至所述中心控制模块；
所述工艺模块，用于根据工艺需求，控制硅片在工艺过程中所需要的温度、气体和压力，并将工艺过程中的当前温度、气体和压力作为工艺过程的状态信息发送至所述中心控制模块。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工艺模块包括：硅片承载运动控制子模块、温度控制子模块、气路控制子模块和微环境控制子模块，
所述硅片承载运动控制子模块，用于将硅片运送至工艺腔室中；
所述温度控制子模块，用于控制所述工艺腔室内的温度；
所述气路控制子模块，用于控制所述工艺腔室内所需工艺气体的传输和控制；
所述微环境控制子模块，用于控制硅片承载运动控制子模块的微环境，所述微环境包括氧气含量和气压。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述工艺模块还包括：报警信息采集及处理子模块，用于负责监控所述工艺模块中其它子模块的运行情况，若发现运行异常的情况，则进行报警提示。
4.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述传输模块包括：装载盒传输子模块和硅片传输子模块，
所述装载盒传输子模块，用于对硅片进行批量的储存和传输，记录装载盒的编号及装载盒内硅片的状态信息、并发送至所述中心控制模块，所述状态信息包括：装载盒内装载的硅片类型、硅片所经过的工艺处理，以及装载盒内装载的硅片数量；
所述硅片传输子模块，用于将硅片从装载盒传输至所述硅片承载运动控制子模块。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述装载盒传输子模块包括：第一控制单元、串口通讯单元、设备网单元、直线电机和传输装载盒机械手，所述第一控制单元通过所述串行通讯单元和/设备网单元控制直线电机和传输装载盒机械手。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述硅片传输子模块包括：传片机械手和传片机械手控制器，所述传片机械手控制器根据所述中心控制模块的控制信号驱动所述传片机械手，将硅片传送至所述硅片承载运动控制子模块上。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述硅片承载运动控制子模块包括：伺服电机、伺服电机驱动器、步进电机、步进电机驱动器、以及传送带，所述伺服电机驱动器驱动所述伺服电机，所述步进电机驱动器驱动所述步进电机，所述伺服电机和所述步进电机分别带动传送带进行硅片的运送。
8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述温度控制子模块包括：温度采集单元、炉体加热单元、可控硅调压器件和第二控制单元，所述第二控制单元通过所述温度采集单元采集温度数据，并进行运算，将运算结果输出给所述可控硅调压器件，通过所述可控硅调压器件控制所述炉体加热单元，以实现控制所述工艺腔室内的温度。
9.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述气路控制子模块包括：工艺过程中各种所需气体的质量流量计、气体压力控制器和电磁阀。
10.一种基于权利要求2～9任一项所述的立式扩散炉电器控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据装载盒传输子模块记录装载盒的编号及装载盒内硅片的状态信息，并发送至中心控制模块；
S2：所述装载盒传输子模块根据所述中心控制模块发来的控制信号，将装载盒放置于硅片传输子模块的入口处；
S3：所述硅片传输子模块将装载盒内的硅片传送至硅片承载运动控制子模块；
S4：所述硅片承载运动控制子模块将硅片传输至工艺腔室；
S5：根据不同的工艺需求，温度控制子模块和气路控制子模块对所述工艺腔室内的温度和气体进行控制；
S6：硅片在所述工艺腔室内经过预设的工艺时间；
S7：将硅片按照原路返回至所述装载盒内，所述装载盒传输子模块更新装载盒内硅片的状态信息。
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