芯片生产过程中的特气处理自动控制设计

芯片生产过程中的特气处理自动控制设计

万江波 ,杨帅

世纪万安科技（北京）有限公司

摘要：自控系统是保证锅炉运行安全和方便操作的关键。特种气体的燃烧过程的自控系统，以S7-1500 PLC为核心，重点对其进行了燃烧过程的安全控制。本文对特气的危害与燃烧处理自动控制系统进行了介绍，并对其中涉及到的燃烧串的设计、点火程序设计、硬件与程序的安全控制、报警程序设计、运维手动及刮刀程序设计、以及S7-1500控制系统为主的硬件及程序设计进行了详细的说明。

关键词：特气处理；S7-1500控制系统；燃烧安全控制；自动控制

引言

当前，用于半导体制程的特种气体主要有等离子体加热一体机（PLASMASCRUBBER）和燃烧器（BURNSCRUBBER)，其中，由于其工作环境是在半导体车间，所以燃烧器消耗了大量的天然气，而且，在生产过程中，所产生的特种气体的类型、气体的流量都会随着生产过程而改变，所以，燃烧器中相应的燃油也会发生动态的变化，这就需要对燃气的安全性进行严格的控制。

1特气燃烧处理过程及S7-1500系统介绍

1.1芯片制程特气及其处理过程

在制造晶片时，特别是在外延、掺杂、蚀刻等工序中使用。其中，氢化物（如超纯氢，硅烷，磷烷等），氟化物（如六氟化硫，三氟化氮，四氟化硅等），以及氟化物（如四氟化碳，六氟乙烷等）[1]。这种特殊的气体毒害性大，酸性强，成分复杂，含尘量高，还具有剧毒，容易自燃，这种气体轻者会影响到产品的品质，重者会造成事故，造成人员伤亡，因此，一定要将它除去[2]。

1.2S7-1500PLC系统

S7-1500可编程逻辑控制器是西门子公司为满足高控制需求、高控制品质、快速反应等特点而研制的一种新型可编程控制器。在硬件上，S7-1500PLC具有更快的处理速度，更高的诊断能力，更高的安全性，既可以节约成本，又可以提高生产效率，同时还具有安全可靠、维修简便等特点，是工厂用户和现场维修人员的第一选择。S7-1500可编程控制器使用了一种新的背板总线技术，并使用了高速率、高质量的传输协议，大大加快了系统的数据处理速度；S7-1500PLC的模块集成了一个诊断功能，它的诊断等级为通道级，不需要进行额外的编程。在出现故障的时候，它可以迅速、准确地识别出受影响的通道，从而降低停机时间[3]。

1.3燃烧特气处理系统控制介绍

燃烧特气处理系统的重点自控设计具体有：燃烧点火控制，分级报警控制，启动过程控制，关机过程控制，火焰失去控制，流量分程控制等。

2燃烧特气处理系统自控设计

2.1燃烧串自控设计

燃烧串联的设计包括：燃烧点火变压器，火焰检测器，天然气压力检测开关，天然气电磁阀，流量控制器，压缩空气检测开关，一二级压缩空气阀岛组，以及气体泄露报警装置，烟气报警装置等。设计中采用了对气体压力和压缩空气压力的测量来判定气源供应的正确性；通过对一级、二级压缩空气进行流量控制，并对一级、二级压缩空气进行开关控制；采用火焰探测的方法，对着火过程进行了判定。

2.2安全硬联锁自控设计

对燃烧腔温度及出口温度进行了设计，并对温控器进行了配置，并对其进行了设置，并对其进行了固定的报警值进行了设置，之后，输出开关量对燃烧腔进行了控制，使其不能超温，与此同时，将输出串联到天然气阀输出上，对天然气进行了切断。与此同时，在这种设计下，燃气报警器、烟雾报警器也可以在硬件上实现安全互锁，并且与程序控制的软件互锁结合在一起，确保任何系统出现故障，都能确保特气处理系统的安全运转。

2.3程序安全联锁自控设计

程序安全互锁设计主要包括程序安全设计，程序运行中的火焰检测程序设计，以及相应的报警等级设计。点火程序设计包括了燃气和天然气的定量比投入，在点火过程中检测到火焰熄灭后，会自动开启吹扫程序，在点火前的预吹扫控制和时间控制，在运转中火焰检测程序，也就是在运转过程中，一旦检测到火焰丢失一定时间，就会自动切断燃料，并进行吹扫停机工作。报警等级，就是要根据所提的报警是低等级的还是高等级的，如果没有人为的介入，那么就会把低等级的报警提升到高等级的报警，当系统比较复杂的时候，需要把一些单独的系统处理成离线的在线处理，这样就可以减少因为单个系统的故障而引起的整个系统的故障。

2.4电气部分自控设计

电气部分自控设计具体包括了对变频器的输入输出控制，还有对控制电气设备状态的监控。比如，在监控特气燃烧自控系统中的刮刀，刮刀需要定期启动，而且每次启动只运行一两个周期，那么就需要设计限位开关来监控刮刀的位置状态，从开始位到结束位的时间进行累计，再通过和限位开关的状态点的累计变化，来判断刮刀是否存在异常卡死状态，这些都是电气部分的自控设计。

3S7-1500控制系统设计

3.1IO设计及PLC控制设计

根据所了解的流程和所需的控制点，编制一份设备的输入输出清单，并做好输入输出的统计。根据S7-1500PLC控制系统的选择说明书，对CPU1511-1PN进行了设计，并满足了控制的主要功能要求。6ES7531-7NF00-0AB0为8 AI的高性能模拟量输入模块，5个6ES7532-5HF00-0AB0为8 AI的高性能模拟量输入模块，1个6ES7532-5HF00-0AB0为8 AO的高速模拟量输出模块。再用欧姆龙S8VK-G24024型24 V开关电源模块，构成主控系统，再与仪器，隔离器，电磁阀，电磁阀岛，压力开关，变频器，流量控制器，中间继电器等元件一起，进行自动控制的设计。

3.2仪表设计及阀、控制回路设计

以 IO清单中的仪表和燃烧工艺的设定为基础，将燃烧腔温度作为控制的关键。因此，对两只热电偶进行了设计，其中一只传送 mv信号，输入信号隔离器，输出4~20 mA信号给 PLC，对燃烧温度进行识别和控制。另一只传送 mv信号给温控器，输出开关量信号，用硬件对天然气的切断进行控制，这种温度控制可以按高高报警点进行设置。

3.3手动控制及界面设计

系统为运行维护及调试预留手动控制程序及界面，以满足调试及运维人员的操作需求，也就是在控制系统送电后，可以选择手动模式和自动模式。在手动模式下，可以单个操作每个阀门及电机，并检查仪表是否处于正常阈值。接口设计有实时报警，历史报警，历史数据记录等功能，以达到对设备的实时监测。

4程序设计

4.1火焰检测程序

在系统自动开启点火变压器之后，延时2 s打开天然气总阀，小火燃气阀，进入火焰检测程序。在检测到火焰信号之后，需要继续检测8 s，如果任何持续5 s，检测到火焰信号，即点小火成功，就置位SMALL_FIRE_SUCESS，进入点大火程序，如果连续8 s，没有检测到火焰信号，就置位SMALL_FIRE_FAULT，同时，点大火程序也是同样的道理。

4.2分级报警与报警升级程序

在设计报警程序的时候，需要对报警等级是否会对设备安全或者使用产生影响进行考虑，将其划分为一般报警，也就是三级报警，如果有一定的危害或者长时间不处理，可能会对设备安全产生影响，就是二级报警，如果立即对设备安全产生影响，就是一级报警。

4.3刮刀控制程序

在设计刮刀控制程序的时候，首先要将刮刀状态位复位，当上位系统点击刮刀在线的时候，刮刀就会开始工作，在1个小时之后，将刮刀运行位设置为刮刀启动，与此同时，刮刀限位开关也会开始计时，等到刮刀上限位开关下次触碰的时候，刮刀就会停止，与此同时，如果时间累计超过10 s （设置一圈时间为10 s)，那么刮刀就会停止，与此同时，将刮刀异常位设置为，也就是将刮刀限位开关触碰的时候，是不是在10 s之内，如果超过了10 s，那么就有可能存在刮刀异常，之后，就会向上位机发出警报，提醒刮刀异常。

5结论

在芯片生产过程中的特气处理燃烧自动控制系统中，点火及设备运行安全和自动控制都非常重要，为了便于操作和维护，确保设备安全稳定的运行，并且可以避免人为因素造成的误差。

参考文献：

[1]李东升.特种气体在电子行业中的应用[J].低温与特气，2009，27（02）：1-4.

[2]沈祖宏，刘书俊.集成电路制造中化学气相沉积工艺废气的处理[J].洁净与空调技术，2011（01）：4-7.

[3]李波，朱延超.化合物半导体芯片工艺线的特种气体供应系统探讨[J].电子工业专用设备，2022，51（02）：1-4，22.