CN102854900B - 半导体设备气体混合控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体设备气体混合控制器，采用以下技术方案：包括输入部分、控制处理部分、输出部分、RS485通讯端口和电源。输入部分包括模拟信号采集模块、氢氧比例输入模块和SIH4压力输入模块，输出部分包括模拟通道输出模块、控制通道输出模块、氢氧比例保护输出模块和SIH4超压输出模块，一个RS485通讯端与数字质量流量计相连，另一个RS485通讯端口与上位机相连。电源采用隔离DC-DC模块，电源经过隔离DC-DC模块转换为5个回路：气体质量流量计、模拟通道芯片、单片机系统、主通讯口和从通讯口所需电源。本发明控制器可根据上位机下达各气体的控制规则和程序来监控不同的质量流量计的气体流量，同时进行互锁和保护，可适用于气体模拟质量流量计或数字质量流量计，可与8个质量流量计相连，特别适用于半导体具有气体控制的设备，智能化高、功能强、成本低、精度高、安全可靠。

Description

半导体设备气体混合控制器

技术领域

本发明属于控制器领域，具体涉及一种气体混合控制器。

背景技术

在半导体器件和集成电路制造中，将某种或某些杂质掺入半导体材料内，以使材料具有所需要的导电类型和一定的电阻率，用来制造PN结，电阻，埋层等。掺杂工艺所用的气体掺杂源被称为掺杂气体。通常将掺杂源与运载气体在源柜中混合，混合后气流连续流入扩散炉内环绕晶片四周，在晶片表面沉积上化合物掺杂剂，进而与硅反应生成掺杂金属。这就需要有一种对几种气体流量进行集中控制的管理器。根据半导体或工艺要求不同，需要气体种类、数量和混合比例也不同，因此就需要一种把各类气体流量进行检测控制的控制器。

我国的半导体设备在近几年发展很快，其控制系统也在不断完善，但是总体上说对气体的检测和控制没做独立的开发研制，多数是根据实际需要，用分散的仪器和控制器来组建整个控制系统，或者采用简洁但不是很规范方式来组建控制系统。目前，国内半导体设备行业，主要用工业控制机的模板或可编程控制器的模拟模板等来实现气体混合监控，对数字气体流量计直接用上位机来监控。这些方案都存在集散仪器多，编程复杂，成本高等缺点。

现在国内实现气体控制的方案基本有三种。如图4、图5、图6所示。

图4是用PLC或其他控制机做控制器，对几种流量进行比例混合监控，这种方案是针对模拟式流量计，在扩散炉控制系统中电气控制柜和气体控制柜有几米远的距离，控制机放在电气控制柜里，质量流量计放在气体控制柜中，这样模拟信号传送要经过几米的距离，虽然加RC网路能消除一些干扰，但气体信号还是有干扰和衰减的，势必影响采集和控制精度；再，模拟信号输入输出需要配置相应数量的A/D、D/A模块，若路数多，则需要几个模块，且这些模块都是PLC或者工业控制机模拟通道模块，硬件成本很高。

图5是针对数字式气体流量计，近几年的气体流量计设计上都带有数字通讯功能，将几个质量流量计并联后与其所需的控制器如PLC通讯，用RS485总线实现，电路就简单多了。但是，用PLC实现通讯存在不好解决的问题：一、PLC一般具有一个与上位机连接的RS232口，一个与下位机相连的RS485接口，一般用此RS485接口与温度控制仪表相连，而控制仪表的通讯协议与有些质量流量计的协议不同，如日本理化FB400温度仪表的通讯协议中数据位是8，而日本的HORIBA的SEC质量流量计的通讯协议数据位是7，如果用此RS485口，则在每次通讯时，针对不同仪器进行不同协议的初始化处理，这样容易造成数据混乱，通讯时间长，效率降低。如果用两个RS485，则需要增加扩展模块，增加硬件和软件成本；二、质量流量计的通讯协议中上传数据是随着信号大小而变化的，用PLC实现难度较大，增加编程人员的难度；三、PLC既要和上位机通讯，又要和下位机控制仪表通讯，还要和质量流量计通讯，同时还要对扩散炉载片舟的行程和许多I/O进行采集管理，这样，PLC负担太大，运行效率低，难以保证系统精度和故障安全处理。所以这样方案再实际运行中都很少采用。

图6是为了弥补上述的缺陷，在工业控制机上增加一个RS485通讯口，直接和几个数字式气体流量计通讯，用上位机对质量流量计进行监控。因为工业控制机可以进行面向对象的高级编程，所以在编程方面较PLC简单多。技术人员都喜欢采用此方法。但此方案缺点是一旦控制计算机系统出死机等故障，气体的监控就失败，实验就受损失。采用此方案组建控制系统不是规范的现场总线控制系统，也不是规范的监督控制系统，这样就保证不了系统的安全可靠性。                   

发明内容

为了满足新设备设计与旧设备的改造，实现模拟数字式通用，减轻PLC负担，实现现场总线控制系统，提高控制系统可靠性，本发明提出一种新型半导体设备气体混合控制器。

本发明采用以下技术方案：半导体设备气体混合控制器，包括输入部分、控制处理部分、输出部分、RS485通讯端口和电源，

输入部分包括模拟信号采集模块、氢氧比例输入模块和SIH4压力输入模块，

模拟信号采集模块采用芯片TLC2543，一端与气体质量流量计相连，采集质量流量计的模拟流量信号，完成A/D转换，包括11个模拟输入通道：8路质量流量计模拟输入通道，1路零点校准电路，1路满量程校准电路，1路SIH4压力信号检测电路；另一端与控制处理部分连接；

控制部分采用STM8S单片机做主机，STM8S单片机通过从通讯口与上位机相连，

输出部分包括模拟通道输出模块、控制通道输出模块、氢氧比例保护输出模块和SIH4超压输出模块， 

模拟通道输出模块采用芯片AD5668，控制通道输出模块采用三极管MJD122G，

RS485通讯端口包括主通讯口和从通讯口，主通讯口与数字质量流量计相连，采集数字质量流量计的流量信号，从通讯口与上位机相连，

所述电源采用隔离DC-DC模块，电源经过隔离DC-DC模块转换为5个回路：气体质量流量计、模拟通道芯片、单片机系统、主通讯口和从通讯口所需电源。

控制器有两路RS485通讯端口，可分为主通讯口和从通讯口，与数字质量流量计通讯的是主通讯口，与上位机通讯的是从通讯口，为防止相互干扰，均采用光电隔离。该控制器存放了几大厂家的协议程序，用户使用时通过上位机选择即可。

模拟信号采集模块选用TLC2543，该芯片是12位串行模拟转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，有11个模拟输入通道，转换时间为10us，速度和精度都满足要求，与单片机实现光电隔离。11路是这样分配的：8路用于质量流量计的采集，1路用来零点校准，1路用满量程校准，在每有个周期内都进行自动零点和满量程校准，充分保证信号的精确度。剩下1路用在对外界信号检测上，在有些半导体设备中需要用到四氢化硅（SIH4）气体，如果SIH4泄放压力大，泄漏的SIH4如没自燃会非常危险，所以要实时检测，对故障做相应的处理。SIH4压力信号的检测电路中选择适当的稳压管可有效得提高抗干扰能力，以防误动作。该信号的输入可采用电压和电流两种方式。SIH4信号的门限值大约在2.5左右。

主通讯口与数字质量流量计的串行口相连，采集数字质量流量计的流量信号。

该控制器不仅适用于气体模拟质量流量计，而且适用于数字质量流量计，可与8个质量流量计相连，实现了模拟、数字通用，不仅满足了新设备设计和旧设备的改造，而且极大地节省了费用。

该控制器核心采用ST系列的STM8S工业单片机做主机。该单片机抗干扰能力强，I/O接口具有多功能，多串行口，多中断口，是该控制器的最佳选择。单片机引脚上接面板的校准开关，开关合上，系统即进行A/D，D/A的自校准。单片机和外界信号都实行光电隔离。 

输出部分采用AD5668，输出部分通过主通讯口与气体质量流量计相连，包括模拟通道输出、控制通道输出和氢氧比例保护输出；

模拟通道输出：输出电路采用选用8通的16位的AD5668芯片，该芯片功能完善，准确度高。该芯片有内部有基准，为了更加可靠我们用REF02芯片作为外部基础。输出形式按进口质量流量计的输出标准0-5V设计，同时增加了4-20mA的输出，以备和具体电流输入信号的质量流量计相连。

控制通道输出：控制通道为8路，单片机通过光电隔离来控制三极管MJD122G的开关，MJD122G是互补硅功率达林顿晶体管,耐压100V，输出电流8A，可接DC100V以内的气体电磁阀。为了实现自锁对氢气、氧气、氮气控制输出通道固定，其他通道接什么气体可自定义。     

保护输出：保护信号有两路信号，一、为了充分保证气体的安全，除了在软件设定氢氧的比例外，在硬件上采取了图3的设计方案。氧的信号经过1.8倍左右的放大和氢气流量信号通过比较器进行比较，在小于1.8倍时，多路开关CD4052的控制端口BA的编码为10，输出信号通道为X2，Y2；如果氢大于1.8倍氧，则使多路开关CD4052的控制端口BA 编码为00，此时多路开关把输出转换到X0、Y0通道上，输出为零，关闭氢氧输出，起到保护作用。同时将信号给单片机的中断口，单片机立即响应向外部输出信号，该信号可以接有关报警信号或音响。二、单片机检测到SIH4超压也立即向外输出信号，实现相应的保护。SIH4压力和氢氧超压保护输出，如图2、图3所示。

所述电源采用隔离DC-DC模块，电源经过隔离DC-DC模块转换为5个回路：气体质量流量计、模拟通道芯片、单片机系统、主通讯口和从通讯口所需电源。

采用外部直流24V供电，经过隔离DC-DC模块变为5个回路需要的电源：1、选用30W左右的DC-DC模块，将DC24V转换为气体质量流量计需要的±15V供1-8个质量流量计。质量流量计工作时电流一般为90mA左右，功率2.5瓦左右，所以用30W的电源足以，质量流量计的外壳是金属，将模块通过硅片与机壳充分接触，将有效增加模块散热强度；2、外部直流24V经DC-DC转换为+15V供模拟通道芯片，该模块用2W功率即可，该+15V再经过降压芯片降为+5V供A/D、D/A等芯片使用，所需-5V可有ICL7660芯片获得。该电源与质量流量计的电源在控制器内部不公地，之所以这样设计，是因为也许有些厂家质量流量计的输入输出的地和电源不公地；3、外部直流24V经DC-DC转换为+5V供单片机系统使用，该模块用2W功能即可；4、主从RS485通道两电源各用DC-DC模块获得，输入电源从供给单片机系统的电源获取，这样使得控制器与外界的充分隔离，提高了抗干扰能力，确保安全可靠。采用DC-DC模块进行电源变换，模块密封性强，用利于在气体环境下通电安全，而且保证了系统各地的充分隔离；控制器的客体采用金属制作，散热性强，整个电源设计达到本安级。

优选的，所述STM8S单片机外接FM25256铁电存储器和参数掉电存储器EEPROM 24C02。

优选的，所述STM8S单片机外接存储器。

优选的，所述STM8S单片机外接FM25256铁电存储器和参数掉电存储器EEPROM 24C02。单片机外接FM25256铁电存储器作为实时数据记录，通过上位机可设置控制器实时记录数据的时间间隔，实验结束后将记录数据上传到上位机上。用EEPROM 24C02 作为参数掉电保存。

优选的，所述控制部分与质量流量计、上位机、输入部分和输出部分光电隔离，保证信号的可靠性。

本发明的有益效果是：该控制器可适用于气体模拟质量流量计或数字质量流量计，可与8个质量流量计相连，该控制器可根据上位机下达各气体的控制规则和程序来监控不同的质量流量计的气体流量，同时进行互锁和保护。设计SIH4泄放压力检测电路和输出电路，采用稳压击穿及光电隔离、电阻分压及电容的滤波形式，保证信号的可靠性，以防误动作；实现氢氧比例软硬件保护。采用STM8S单片机，实现高可靠，增加铁电存储器FM25256，可实现实验过程气体流量的记录。采用DC-DC模块进行电源变换，模块密封性强，用利于在气体环境下通电安全，而且保证了系统各地的充分隔离。该控制器应用场合广泛，智能化高、功能强、成本低、精度高、安全可靠。 

附图说明

图1为本发明实施例的原理图，

图2为本发明实施例中的SIH4压力信号检测电路，

图3为本发明实施例中的氢氧保护输出电路，

图4至6为本发明背景技术的原理图，

图7为本发明控制器的面板图，

图中：1、端子接线板，依次为：DC+24V;DC0V;点火信号；COM1; SIH4压力; OUT1 SIH4压超压；COM2；OUT2 H/O比超；自定义1控制端；自定义2控制端；自定义3控制端；自定义4控制端；自定义5控制端；氮气控制端；氧气控制端；氢气控制端，2、PVC面板，3、9、16、17、18、指示灯，4、接线端子与上位机通讯口，5、氮气流量计接口，6、氧气流量计接口，7、氢气流量计接口，8、流量计通讯口，10、校准开关，11、第四流量计接口，12、第五流量计接口，13、第六流量计接口，14、第七流量计接口，15、第八流量计接口。

具体实施方式

使用时，如图7所示，将该控制器与质量流量计的电气接头连接。该控制器把氢气、氧气和氮气这三种气体的质量流量计接口和输出位置一定，不能变，其他气体接口通过上位机自定义。该控制器的点化信号与SIH4压力信号的地与COM1相连。氢氧超压、SIH4超压信号是无源触点，与外部报警或PLC等控制系统相连。气体的控制输出接相应的电磁控制气动阀。

通过上位机设置与上位机通讯的波特率，选择质量流量计的厂家，设置氢气缓启动时间，设置氢氧比例（1.8：1至2:1），设定气体的顺序和限定值，设置气体的存储时间间隔。

模拟信号采集部分采用TLC2543，一端通过主通讯口与气体质量流量计相连，采集模拟信号，完成A/D转换，包括11个模拟输入通道：8路质量流量计模拟输入通道，1路零点校准电路，1路满量程校准电路，1路SIH4压力信号检测电路。串行口采集模块通过主通讯口与质量流量计的串行口相连，采集质量流量计的流量信号。 TLC2543采集8路流量计输入信号，进行A/D转换。STM8S对采集的信号进行处理，单片机外接的FM25256铁电存储器对数据进行实时记录。STM8S将信号输出，从而启动相应的电磁控制气动阀。

SIH4压力和氢氧超压保护输出如图2和图3所示，氧的信号经过1.8倍左右的放大和氢气信号通过比较器进行比较，在小于1.8倍时，多路开关CD4052的控制端口BA的编码为10，输出信号通道为X2，Y2；如果氢大于1.8倍氧，则使多路开关CD4052的控制端口BA 编码为00，此时多路开关把输出转换到X0、Y0通道上，输出为零，关闭氢氧输出，起到保护作用。同时将信号给单片机的中断口，单片机立即响应向外输出信号。单片机检测到SIH4压力超也向外输出信号，实现相应的保护。

Claims (4)

1.半导体设备气体混合控制器，其特征在于：包括输入部分、控制处理部分、输出部分、RS485通讯端口和电源，

输入部分包括模拟信号采集模块、氢氧比例输入模块和SIH4压力输入模块，

模拟信号采集模块采用芯片TLC2543，一端与气体质量流量计相连，采集气体质量流量计的模拟流量信号，完成A/D转换，包括11个模拟输入通道：8路气体质量流量计模拟输入通道，1路零点校准电路，1路满量程校准电路，1路SIH4压力信号检测电路；另一端与控制处理部分连接；

控制处理部分采用STM8S单片机做主机，STM8S单片机通过从通讯口与上位机相连，

输出部分包括模拟通道输出模块、控制通道输出模块、氢氧比例保护输出模块和SIH4超压输出模块，

模拟通道输出模块采用芯片AD5668，控制通道输出模块采用三极管MJD122G，

所述的氢氧比例保护输出模块包括放大器A、比较器B和多路开关，其中，氧气流量信号经放大器A放大1.8倍后与氢气流量信号分别接入比较器B的正负端进行比较，比较结果输出到多路开关的控制端口B，多路开关的控制端口A接地，当氢气流量小于1.8倍氧气流量时，多路开关的控制端口BA编码为10，输出信号通道为X2、Y2，当氢气流量大于1.8倍氧气流量时，多路开关的控制端口BA编码为00，此时多路开关把输出转换到X0、Y0通道，Y0端和X0端接地，输出为零，关闭氢氧输出，同时将比较器比较结果输出给单片机的中断口，由单片机输出报警信号,

RS485通讯端口包括主通讯口和从通讯口，主通讯口与数字质量流量计相连，采集数字质量流量计的流量信号，从通讯口与上位机相连，所述电源采用隔离DC-DC模块，电源经过隔离DC-DC模块转换为5个回路：气体质量流量计、模拟通道芯片、单片机系统、主通讯口和从通讯口所需电源。

2.根据权利要求1所述的半导体设备气体混合控制器，其特征在于：所述STM8S单片机外接存储器。

3.根据权利要求1或2所述的半导体设备气体混合控制器，其特征在于：所述STM8S单片机外接FM25256铁电存储器和参数掉电存储器EEPROM24C02。

4.根据权利要求1所述的半导体设备气体混合控制器，其特征在于：所述控制处理部分与气体质量流量计、上位机、输入部分和输出部分光电隔离。