芯片生產(chǎn)過程中的特氣處理自動控制設計

荀本舟XUN Ben-zhou

（上海盛劍環(huán)境系統(tǒng)科技股份有限公司，上海 201807）

0 引言

目前針對半導體制程中的特氣處理方法有等離子一體 機（PLASMA SCRUBBER） 電 加 熱 一 體 機（HOT SCRUBBER）以及燃燒一體機（BURN SCRUBBER），在燃燒一體機中由于設備操作環(huán)境為半導體廠房內(nèi)，設備使用大量的天然氣燃燒，同時由于制程過程中產(chǎn)生的特氣種類和風量跟隨工藝制程變化，因此燃燒一體機中對應的燃料也是實時變化，這對天然氣的安全管控提出了很高的要求，也因此本文將著重講述芯片生產(chǎn)過程中的特氣處理過程中自動控制方法和實施過程，同時該方法在燃燒一體機中的得到了實際應用。

1 特氣燃燒處理過程及S7-1500 系統(tǒng)介紹

1.1 芯片制程特氣及其處理過程

在芯片制程過程中特殊氣體則主要用于外延，摻雜和蝕刻工藝。該類電子氣體主要分為氫化物（超純氫、硅烷、磷烷等），氟化物（六氟化硫、三氟化氮、四氟化硅等），碳氟化合物（四氟化碳、六氟乙烷等）[1]。

此類特氣毒害性大、酸性強、成分復雜、含塵量高，且有毒易自燃，這些氣體輕則影響產(chǎn)品質量，重則引發(fā)事故，引起人員傷亡，所以必須將其去除[2]。

特氣燃燒處理過程是將特氣送入燃燒腔內(nèi)進行燃燒，燃燒后廢氣送入水洗塔進行水洗除霧，合格的廢氣排至主系統(tǒng)，因此控制好燃氣燃燒過程的穩(wěn)定、安全、有效的使用至關重要。

1.2 S7-1500 PLC 系統(tǒng)

S7-1500 編程邏輯控制器是西門子公司近期開發(fā)的針對控制要求高，控制質量好，且響應速度快的新型PLC控制器。

從硬件方面來說，S7-1500PLC 的處理速度更快，診斷能力和安全性更高，不僅可節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率，而且安全可靠，維護簡單方便，真正成為工廠客戶和現(xiàn)場維護人員的首選控制器。S7-1500 PLC 采用新型的背板總線技術，采用高波特率和高傳輸協(xié)議，使其信號處理速度更快；S7-1500 PLC 的模塊集成有診斷功能，診斷級別為通道級，無需進行額外編程，當發(fā)生故障時，可快速準確地識別受影響的通道，減少停機時間[3]。

且S7-1500PLC 使用博圖軟件具備強大的在線編程能力及調(diào)試能力，降低調(diào)試過程中的出錯率。同時S7-1500PLC 在半導體行業(yè)用的相關設備上具有較高的使用率。

1.3 燃燒特氣處理系統(tǒng)控制介紹

燃燒特氣處理系統(tǒng)重點自控設計包括：燃燒點火控制，分級報警控制，啟動過程控制，關機過程控制，火焰丟失控制，流量分程控制等。

2 燃燒特氣處理系統(tǒng)自控設計

2.1 燃燒串自控設計

燃燒串設計主要包含燃燒點火變壓器、火焰探測器、天然氣壓力檢測開關、天然氣電磁閥，流量控制器、壓縮空氣檢測開關、一二級壓縮空氣閥島組等組成，另外還設計燃氣泄漏報警儀和煙霧報警器等，如圖1 所示。設計通過檢測天然氣壓力以及壓縮空氣壓力判斷氣源供給是否正常；通過控制流量控制器和一二級壓縮空氣的開關控制燃料的投料量；通過火焰檢測來判斷點火是否成功。

圖1 燃燒串系統(tǒng)圖

2.2 安全硬聯(lián)鎖自控設計

通過設計燃燒腔溫度及出口溫度，并配置溫控器，設定好固定的報警值，然后輸出開關量控制燃燒腔不能超溫，同時將輸出串聯(lián)在天然氣閥輸出上，硬件控制天然氣的切斷。同時燃氣報警器、煙霧報警器也通過此類設計保證硬件上的安全聯(lián)鎖，同時和程控的軟件聯(lián)鎖相結合，保證任意系統(tǒng)出錯，都保證特氣處理系統(tǒng)安全運行。

2.3 程序安全聯(lián)鎖自控設計

程序安全聯(lián)鎖設計包含點火程序的安全設計、運行中火焰檢測程序設計、以及相關的報警分級設計，如圖2 所示。點火程序設計包含燃氣和天然氣的定量比投入，點火過程中檢測到火焰熄滅后自動開啟吹掃程序，以及點火前的預吹掃控制和時間控制，運行中火焰檢測程序即運行過程中一旦檢測到火焰丟失一定時間后，自動切斷燃料并進行吹掃停機工作；報警分級即考慮所涉及的報警為低級報警還是高級報警，若無人為干預將低級報警升級為高級報警過程，同時系統(tǒng)復雜時需將部分系統(tǒng)獨立處理做離線在線處理、降低因單個系統(tǒng)停機造成主系統(tǒng)的停機。

圖2 安全聯(lián)鎖結構圖

2.4 電氣部分自控設計

電氣部分自控設計包含變頻器的輸入輸出控制，以及控制電氣設備狀態(tài)的監(jiān)控，例如在監(jiān)控特氣燃燒自控系統(tǒng)中刮刀，刮刀需定期啟動且每次啟動只運行一兩個周期，那需要設計限位開關對刮刀的位置狀態(tài)進行監(jiān)控，從開始位到結束位的時間進行累積，再通過和限位開關的狀態(tài)點的累積變化，判斷刮刀是否有異?？ㄋ罓顟B(tài)，此類皆是電氣部分的自控設計。

3 S7-1500 控制系統(tǒng)設計

3.1 IO 設計及PLC 控制設計

依據(jù)理解的工藝及需要控制點整理出設備的IO 清冊，并對IO 情況進行統(tǒng)計，如表1，表2 所示。

表1 部分IO 清冊

表2 IO 統(tǒng)計

依據(jù)S7-1500PLC 控制系統(tǒng)選型手冊進行設計，CPU1511-1PN 符合控制主要功能需求，然后配置16DI/16DO 輸入輸出模塊6ES7523-1BL00-0AA0 模塊4 塊；配置8AI 高性能模擬量輸入模塊6ES7 531-7NF00-0AB0 模塊5 塊，配置8AO 高速模擬量輸出模塊6ES7532-5HF00-0AB0 模塊1 塊，如圖3 所示。另配置歐姆龍24V 開關電源S8VK-G24024 型1 塊，組成主控制系統(tǒng)，然后和設備內(nèi)的儀表、隔離器、電磁閥、電磁閥島、壓力開關、變頻器、流量控制器、中間繼電器等元器件，設計自控原理圖。

圖3 PLC 模塊示意圖

3.2 儀表設計及閥、控制回路設計

依據(jù)IO 清冊中儀表以及燃燒工藝的設定，燃燒腔溫度為控制重點，故設計兩只熱電偶，一只傳送mv 信號，輸入信號隔離器，輸出4~20mA 信號給PLC 識別并控制燃燒溫度，另一只傳送mv 信號給溫控器，輸出開關量信號，硬件控制天然氣的切斷，此溫度控制可按高高報警點設置。另火焰探測器可輸出0~10V 信號和開關量信號接入PLC，用開關量信號判斷火焰的存在和丟失參考聯(lián)鎖控制，0~10V 輸出到觸摸屏顯示并提示火焰信號的大小，當火焰低于0.2V 時基本可以判斷火焰丟失并報警，若長期低于2V 后，可提示更換火焰檢測探頭。閥門主要涉及燃燒串閥門要做防爆設計，對燃燒串要做隔爆合計，燃燒腔風閥設計事故關閥，即正常狀態(tài)閥門打開保持燃燒腔通風，且管路上設計微負壓傳感器，當微負壓低于設定值時設備停機，保證燃燒過程處于負壓狀態(tài)，以保證系統(tǒng)的安全。

3.3 手動控制及界面設計

系統(tǒng)設計運行維護及調(diào)試預留手動控制程序及界面，以滿足調(diào)試及運維人員的操作需求，即控制系統(tǒng)送電后可選擇手動模式和自動模式，當手動模式時，可單個操作每個閥門及電機，并檢驗儀表是否處于正常閾值。界面設計實時報警、歷史報警、歷史數(shù)據(jù)等功能以滿足設備運行監(jiān)控要求，如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)界面

4 程序設計

4.1 火焰檢測程序

在系統(tǒng)自動開啟點火變壓器后，延時2s 開啟天然氣總閥，小火燃氣閥，進入火焰檢測程序，當檢測到火焰信號后，需持續(xù)檢測8s，若任意持續(xù)5s 檢測到火焰信號即點小火成功，就置位SMALL_FIRE_SUCESS，進入點大火程序，若持續(xù)8s 檢測不到火焰信號，就置位SMALL_FIRE_FAULT，同時自動進入熄火吹掃程序，點大火程序也是如此。

4.2 分級報警與報警升級程序

在設計報警程序時，需考慮報警等級是否影響到設備安全或使用，分為一般報警即三級報警，有一定的危害或長時間不處理可能影響設備安全即二級報警，立即影響到設備安全為一級報警，比如天然氣壓力未檢測、風閥故障、小火失敗、大火失敗、運行火焰丟失等，天然氣壓力及風閥故障會影響設備使用造成一級報警則可以為一級報警也可以為二級報警；小火失敗、大火失敗、運行火焰丟失不停機容易造成天然氣堆積為一級報警，但設備停機太過復雜時，且有人工干預操作時，可降級為二級報警。

4.3 刮刀控制程序

在設計刮刀控制程序時，先復位刮刀狀態(tài)位，上位系統(tǒng)點擊刮刀在線時，刮刀開始工作，計時1 小時后，置位刮刀運行位，此時刮刀啟動，同時刮刀限位開關開始計時，等到刮刀上限位開關下一次觸碰時刮刀停止，同時當時間累積超過10s（設定一圈時間為10s）時，刮刀停止，同時置位刮刀異常位，即比較刮刀限位開關觸碰時是否在10s 內(nèi)，若超過10s，即可能存在刮刀異常，然后報警給上位機提示刮刀異常，同時設定刮刀為單獨離在線模式，即刮刀可以離線進行控制，以滿足現(xiàn)場對刮刀定期巡檢要求。

5 結論

在芯片生產(chǎn)過程中的特氣處理燃燒自動控制系統(tǒng)中，點火及設備運行安全以及自動控制都十分重要，在方便運行維護的同時，保證設備安全穩(wěn)定的運行，同時能夠脫離人為參與產(chǎn)生的誤差。S7-1500PLC 控制系統(tǒng)對應的博圖軟件在系統(tǒng)編程和調(diào)試過程中高效實用，同時整個研發(fā)項目實施過程中得出了：

①通過對燃燒點火過程的安全聯(lián)鎖控制，能夠對系統(tǒng)的運行起著至關重要的作用。

②分級報警的有效設計能夠提高設備的安全性，同時在一定場合和工況下能夠提高設備的使用便捷性。

③芯片特氣處理過程中的自動控制設計通過了半導體行業(yè)SEMI 認證，要求更嚴格精細化、同時該燃燒自動控制裝置已在項目上成功應用。