摘 要：針對傳統的擴散/氧化控制系統溫度控制精度、生產工藝控制能力以及自動運行能力較低的現狀，提出了一種智能擴散/氧化工藝控制系統。該系統以可編程邏輯控制器（PLC）為核心，以模糊自整定PID算法為控制器，采用Modbus協議實現PLC與各設備通信。在該系統的控制下，可有效地實現對擴散爐溫度工藝曲線和輔助工藝的控制，并可在線自整定PID參數，實現了半導體擴散工藝的自動化，提高了溫度控制精度以及工作效率。應用結果表明，該溫控系統具有良好的自適應性和魯棒性。 關鍵詞：擴散/氧化;可編程邏輯控制器;模糊自整定PID;控制精度 Abstract: Aiming at the current conditions of traditional diffusion / oxidize control system which precision, ability to produce the control ability of the craft and automatic operation is the getting lower relatively, it is difficult to realize the current situation of centralized management, diffusion / oxidize the control system of the craft after putting forward a kind of intelligence. This system regard programmable logic controller （PLC） as core, with fuzzy self-turning PID algorithm for the controller, adopt Modbus agreement to realize PLC and every apparatus communication.Under the control of this system, can realize to the control spreading the temperature craft curve of stove and auxiliary process effectively, and can online to make PID parameter exactly since, realize semiconductor automation to spread craft, have improved the precision and working efficiency of temperature control. Employ the result to indicate, this temperature-controlled system has well adaptively and stupid and excellent. Key words: Diffusion/oxidize, Programmable logic controller, Fuzzy self-turning PID, Control the precision 0 引言 　　高溫擴散/氧化系統是半導體器件、集成電路制造過程中用于對晶片進行擴散、氧化、退火及合金等工藝的一種熱加工設備，也適用于對其他材料的特殊溫度工藝處理，是一種用于長時間連續工作、高精度、高穩定性的自動控制設備。在半導體生產過程中，擴散爐爐溫控制的精度及其工作的穩定性已成為半導體產品質量的決定性因素。然而，在傳統的控制中，擴散爐的控制管理都是由基于單片機的儀器儀表來完成，其溫度控制精度、生產工藝控制能力以及自動運行能力較低，難以實現集中管理，從而導致了產品質量差、生產效率低的缺陷。 　　系統針對我國半導體擴散/氧化工藝技術發展現狀開發設計，采用先進、可靠的PLC為控制核心，以觸摸屏為人機界面，配以高精度溫度檢測電路，采用模糊自整定PID為控制器，可實現復雜的工藝溫度控制。具有檢測、控制精度高、工作過程穩定性好、控制參數自整定、設定參數方便等特點。 1 半導體擴散/氧化工藝流程 　　高溫擴散/氧化系統主要由擴散爐、凈化工作臺、推拉舟系統、氣源柜等組成。半導體器材生產過程中擴散/氧化工藝流程為：1）將擴散爐的溫度按一定的溫度工藝升溫至特定的溫度，并保證爐內處于恒溫狀態;2）將操作人員放在推拉舟托盤上所要擴散的晶圓經推拉裝置送入擴散爐內;3）在擴散爐保持特定的恒溫條件下，向擴散爐內注入各種要參雜的氣體。整個參雜過程要保證爐體內形成一個特定的恒溫區，才能使晶圓擴散均勻。所以溫度控制是擴散工藝控制系統中最重要的環節，控制效果的好壞直接決定著半導體擴散的質量。 2 系統硬件設計 　　根據半導體擴散/氧化工藝過程的要求，即既要實現整個工藝控制過程自動化又要實現半導體擴散/氧化工藝要求。系統以PLC為核心，液晶觸摸屏為人機界面，采用自行研制的JC-9溫度檢測模塊實現溫度的采集等。系統硬件結構如圖1所示。 [align=center] 圖1系統硬件結構圖 Fig.1 Structure chart of the systematic hardware[/align] 　　由圖1所示系統硬件包括三個閉環控制： 　　① 溫度控制：采用JC-9溫度檢測模塊實現溫度檢測，通過PLC調用PID控制算法控制自行研制的三相大功率調壓調功單元來實現溫度的控制，實現閉環控制。 　　溫度控制是擴散工藝控制系統中最重要的環節，控制效果的好壞直接決定著半導體擴散的質量。要保證控溫的精度首先要保證溫度的檢測精度，其次要有相應的控制算法。系統采用的JC-9溫度檢測模塊的檢測精度優于0.5‰，編寫模糊自整定PID控制算法使控制精度優于1‰。 　　② 氣體流量控制：PLC從氣體質量流量計的數字接口直接讀取氣體實際流量值，并根據擴散工藝中對氣體流量的要求通過數字接口進行流量輸出控制，實現閉環控制。 　　③ 推拉舟控制：PLC直接讀取推拉舟位置編碼器的數據來判斷推拉舟的位置，通過高速脈沖輸出口控制步進電機的驅動器來控制步進電機的運行，通過發送脈沖數控制推拉舟的位置，通過脈沖的頻率控制推拉舟的速度。實現推拉舟的位置/速度閉環控制。 3 系統軟件設計 　　系統軟件設計包括觸摸屏操作界面設計、模糊自整定PID控制算法設計及Modbus通信程序設計。 　　3.1 觸摸屏操作界面[3] 　　觸摸屏為人機對話界面，具有畫面豐富，信息量大、操作靈活直觀的特點。針對半導體擴散工藝及系統功能需求，設計用戶界面主要界面包括：自動運行界面，手動運行界面，工藝參數設置界面，工藝曲線繪制界面，PID參數自整定界面等。 　　（1）自動運行界面。實現擴散爐各測點的溫度檢測值、設定值，各種氣體流量值，各個閥的狀態，推拉舟運行狀態和速度的實時顯示，完成整個工藝過程的監督功能。 　　（2）手動運行界面。手動運行適合于系統調試、狀態測試等應用中。除了顯示爐體的三點溫度以外，其他部分均可通過按鍵實現手動操作。主要內容有：推拉舟“前進”“后退”運行控制;氣路四個閥門的控制;氫氣流量、氮氣流量的控制。在“手動”畫面中，設有推拉舟前進、后退速度設定，各種氣體流量設定按鍵。用戶可根據要求設定。 　　（3）工藝參數設置界面。系統可存儲20套工藝配方，每個工藝配方由20個工藝段組成，每個工藝段可分為升（降）溫和恒溫兩步。工藝參數界面設置可實現對每步的溫度數值、持續時間、氣路流量、推拉舟位置等參數進行設置。 　　（4）工藝曲線繪制界面。將控制過程的參數以數字方式顯示，將爐體的三點溫度以及設定溫度值以曲線形式顯示在畫面中。 　　（5）PID參數自整定[4]界面。根據工藝的溫度要求，選擇整定溫度，系統開始對爐體加溫并開始自整定過程，實現PID參數的整定。 　　3.2 模糊自整定PID控制算法設計[5][6] 　　PLC作為系統的核心，完成各種信息的檢測、處理，控制算法的實現，控制量的輸出等。系統實現控制包括：對擴散爐九點溫度的工藝控制;對氣體流量工藝過程的控制;對擴散爐生產工藝的自動化過程控制。其中對溫度的控制是至關重要的，控制效果的好壞直接決定著半導體擴散的質量。本系統采用模糊自整定PID控制算法實現對溫度的控制。 　　模糊推理控制算法程序的流程圖如圖2所示。計算時有以下幾個步驟： 　　（1）確定誤差和誤差變化率以及控制量的論域，將和的實際變化范圍分為7檔（考慮本控制系統要求控制精度較高）,使每一檔與其論域的某個元素相對應。這樣，系統的每個實測量就可以被量化為論域中的某個元素。 　　（2）本系統通過離線計算出模糊控制表，實際運行時，PLC主程序中斷執行查表子程序就可以得出控制量。 [align=center] 圖2 模糊推理子程序 Fig.2Fuzzy reasoning subprogram[/align] 　　在現場的控制中，模糊自整定PID控制器的魯棒性強，參數自整定易于實現，控制的精度較高。比單純的PID控制器具有更快的動態響應特性，其控溫效果較好。 　　3.3 Modbus通信程序設計 　　系統采用Modbus現場總線實現PLC主站與溫度檢測模塊、氣體質量流量計等各從站之間的通信。 　　1、以OMRON PLC為主站的主從站的通信[6] 　　系統選擇OMRON CP1H系列PLC作為通信主站。CP1H是歐姆龍公司推出的功能強大的一體化小型PLC，它的兩個串口中均內置的Modbus-RTU主站功能，還配置了兩個串行通信選件板RS422/485串口選件板和RS232串口選件板。系統選擇作為從站的JC-9溫度采集模塊、氣體質量流量計和推拉舟均含有RS485接口且已經內置Modbus協議，具有Modbus-RTU從站功能，只要按照編程手冊進行相應設置即可實現主站通信。 　　2、從站的通信流程 　　系統從站包括JC-9溫度采集模塊、氣體質量流量計和推拉舟裝置，其中氣體質量流量計和推拉舟裝置購置時均內置Modbus協議（此處不作介紹）。JC-9溫度采集模塊為自行研制的九路溫度采集模塊，此模塊含RS485接口，由于系統通信采用Modbus通信模式，需在模塊上自定義Modbus從站協議。從站收到主站指令，根據主站要求做出回應。從站與主站間通信中斷程序處理流程如圖3所示。 [align=center] 圖3 從站Modbus通信程序處理流程 Fig.5 The procedure of Modbus communication procedure of the sub site[/align] 5 結束語 　　系統依據半導體生產過程中擴散/氧化工藝需求而設計，結構簡單、操作簡便、成本低、可靠性好，可大大提高溫度控制精度及工藝過程自動化水平。現已廣泛應用于半導體生產企業，具有良好的經濟效益和社會效益。 參考文獻 　　[1] Michael Quirk,Julian Serda.半導體制造技術[M].韓鄭生等譯. 北京：電子工業出版社，2004，445-447 　　[2] 劉濤, 趙加寶. 微機測控技術在半導體擴散氧化工藝設備中的應用[J]. 中國儀器儀, 2005, （12）：94-96 　　[3] 鐘肇新.《可編程控制其原理及應用》[M]. 華南理工大學出版社, 2004 　　[4] 劉艷, 張天開, 黃東. 多工位燒結爐智能溫度控制系統的設計與應用. 自動化儀表[J], 2006,（11）：48-50 　　[5] 王先春, 蔡劍華, 胡惟文. 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