用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

崔嚴(yán)勻，袁敏杰 ，趙 歡

(1.無(wú)錫華潤(rùn)上華科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214061 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110032)

半導(dǎo)體是工業(yè)電子化、工業(yè)智能化的核心元件，被稱(chēng)為“現(xiàn)代工業(yè)的糧食”[1]。改革開(kāi)放四十年來(lái)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)了幾十萬(wàn)臺(tái)、300余種半導(dǎo)體設(shè)備，15.24 cm(6英寸)、0.5 μm生產(chǎn)線主要設(shè)備已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)收，部分品種的集成電路和半導(dǎo)體塑封機(jī)、塑封模具和自動(dòng)封裝系統(tǒng)亦可滿(mǎn)足用戶(hù)需要；數(shù)字集成電路測(cè)試系統(tǒng)以及適用線寬1 μm以上、64腿以下的集成電路的數(shù)/模混合系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。然而，我國(guó)每年向國(guó)外進(jìn)口的半導(dǎo)體芯片仍然高達(dá)3 000億美元，并且在美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家的封鎖下，半導(dǎo)體芯片供給的穩(wěn)定性也存在風(fēng)險(xiǎn)[2]。加強(qiáng)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝研究，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，對(duì)于我國(guó)半導(dǎo)體芯片的自主可控有著不可替代的重要意義[3]。國(guó)內(nèi)應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的臥式擴(kuò)散爐已經(jīng)發(fā)展成熟，硅片直徑現(xiàn)已增大到20.32 cm(8英寸)，微細(xì)加工線由1 μm提升至0.25 μm。但傳統(tǒng)的臥式擴(kuò)散爐難以滿(mǎn)足先進(jìn)制程半導(dǎo)體產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，需要進(jìn)一步加強(qiáng)針對(duì)立式擴(kuò)散爐的研發(fā)與生產(chǎn)。

1 擴(kuò)散/氧化設(shè)備

擴(kuò)散/氧化設(shè)備本質(zhì)上是一種熱加工設(shè)備，在半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中，該設(shè)備可以對(duì)硅片進(jìn)行氧化、擴(kuò)散以及退火處理，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、可連續(xù)工作等方面的特點(diǎn)[4]。擴(kuò)散/氧化設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要由推拉舟、凈化臺(tái)、爐體柜、控制柜所組成，圖1為擴(kuò)散/氧化設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)[5]。

圖1 擴(kuò)散/氧化設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

從設(shè)備類(lèi)型和工藝技術(shù)兩方面的角度上來(lái)看，擴(kuò)散/氧化設(shè)備可以劃分為幾個(gè)不同的種類(lèi)，分類(lèi)情況如表1所示[6]。

表1 半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備分類(lèi)表

2 擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次研究所設(shè)計(jì)的擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案主要涉及顯示觸摸屏、可編程序控制器(PLC)、溫度檢測(cè)單元(JC-A 模塊)以及上位數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)四項(xiàng)關(guān)鍵硬件。由顯示觸摸屏、PLC、溫度檢測(cè)單元共同構(gòu)成正位機(jī)控制系統(tǒng)。每個(gè)爐體均由獨(dú)立的JC-A模塊的熱電偶輸入通道檢測(cè)[7]，每套系統(tǒng)可控制1～4個(gè)爐體，各爐體檢測(cè)單元與PLC之間均采用光電隔離的通信技術(shù)，圖2為單個(gè)爐體下擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 擴(kuò)散/氧化下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位控制單元以液晶觸摸屏為人機(jī)界面，可編程邏輯控制器PLC為核心，采用位置編碼器、氣體質(zhì)量流量計(jì)和JC-A溫度檢測(cè)模塊分別實(shí)現(xiàn)推拉舟位置、氣體流量、恒溫區(qū)溫度的檢測(cè)與控制[8]。整個(gè)控制單元主要負(fù)責(zé)擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的推拉舟閉環(huán)控制、氣體流量閉環(huán)控制和溫度閉環(huán)控制，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 擴(kuò)散/氧化下位機(jī)系統(tǒng)

2.3 JC-A溫度檢測(cè)模塊

JC-A溫度檢測(cè)模塊由可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)芯片8253、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135、AD620低噪聲精密運(yùn)算放大器、熱電偶作為溫度傳感器所組成，并通過(guò)高精度鉑電阻對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)針對(duì)熱電偶的冷端補(bǔ)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(cè)模塊的線路連接方案

2.4 控制系統(tǒng)輸入/輸出單元

輸入/輸出單元是各個(gè)外接設(shè)備與PLC相連接的結(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)輸入單元向PLC傳輸信號(hào)，比如撥碼器開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、操作開(kāi)關(guān)、按鈕等提供開(kāi)關(guān)量的信號(hào)[10]。輸入電路需要對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、光電隔離以及濾波等操作，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)CPU處理的各種弱電信號(hào)則需要由輸出單元對(duì)其進(jìn)行功率放大、光電隔離等處理，進(jìn)而將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的信號(hào)傳輸給各個(gè)外接設(shè)備[11]，最終為調(diào)速裝置、電磁鐵、電磁閥、接觸器等裝置提供驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸出模塊的電路設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸出模塊設(shè)計(jì)方案

3 擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)設(shè)計(jì)操作界面設(shè)計(jì)

本次研究通過(guò)EasyBuilder 8000軟件對(duì)擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的觸摸屏界面進(jìn)行編譯與設(shè)計(jì)，并通過(guò)通信電纜實(shí)現(xiàn)RS-232與PLC之間的連接，觸摸屏狀態(tài)控制區(qū)的讀寫(xiě)則通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳輸。

基于擴(kuò)散爐在操作與控制方面的要求，本次研究設(shè)計(jì)了工藝參數(shù)設(shè)置界面、質(zhì)量流量計(jì)參數(shù)設(shè)置界面、控制參數(shù)設(shè)置界面、手動(dòng)運(yùn)行界面和自動(dòng)運(yùn)行界面。EasyBuilder 8000具有操作簡(jiǎn)單、界面豐富、多級(jí)密碼管理、菜單式操作等方面的特點(diǎn)，工藝編程方便[12]。擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)能夠?qū)t體溫度進(jìn)行獨(dú)立控制，可實(shí)時(shí)查看報(bào)警記錄。本次研究主要介紹擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行界面和手動(dòng)控制界面。

3.1 自動(dòng)運(yùn)行界面

擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行界面由上、下兩個(gè)部分組成，其中上半部主要顯示擴(kuò)散爐的推拉舟狀態(tài)、質(zhì)量流量計(jì)參數(shù)、控制量、工藝運(yùn)行參數(shù)以及各點(diǎn)溫度參數(shù)[13]，下半部則由操作按鍵所組成，比如控制工藝的開(kāi)始或停止、保持操作、跳步操作、設(shè)置控制參數(shù)以及設(shè)置工藝參數(shù)等，自動(dòng)運(yùn)行界面設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行界面

3.2 手動(dòng)控制界面

擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的手動(dòng)控制界面主要用于設(shè)備維護(hù)、狀態(tài)測(cè)試和系統(tǒng)調(diào)試?？蓪?shí)現(xiàn)的操作具體包括氮?dú)饬髁康脑O(shè)置、氫氣流量、氣路閥門(mén)的開(kāi)/關(guān)控制以及推拉舟“前進(jìn)”“后退”運(yùn)行控制等。手動(dòng)控制界面設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖7 擴(kuò)散/氧化系統(tǒng)的手動(dòng)控制界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了半導(dǎo)體生產(chǎn)中氧化及擴(kuò)散的控制流程與工藝原理，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說(shuō)明了相關(guān)工藝流程下軟硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。在未來(lái)的研究工作中，還需要重點(diǎn)加強(qiáng)針對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化整體系統(tǒng)的操作流程，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。