扩散炉智能控制系统的设计和应用

袁赛

摘要：针对传统的扩散炉控制系统的温度控制精度、生产工艺控制能力等较低的现状,提出了一种以PLC为核心的扩散炉智能控制系统。该系统将模糊控制算法引入传统的扩散炉控制系统,利用模糊控制规则自适应地在线对量化因子进行修改。应用结果表明:该系统有效地实现了对多工位扩散炉温度工艺曲线和辅助工艺的自动控制,提高了温度控制精度以及工作效率。

关键词：扩散炉、控制、应用

前言：在扩散炉智能控制系统中,需要使用电加热来实现对扩散炉工艺需要的温度控制,使其按照工艺要求达到并保持在某一温度设定值,而且控制过程中,对象温度的稳定性和精度要求都很高.常用的调节温度的方法有继电式调温、调压器调压调温和电子式(多用可控硅)移相调压调温等几种.可控硅作为电力电子器件,已被广泛的运用在控制领域.可控硅调压调温的特点是体积小、无噪声、调节方便、控制精度高,但会对电网产生一定影响,适用于小功率加热器.笔者提出的扩散炉智能控制系统中可控硅移相触发电路以TCA785为核心,设计了加热炉炉体的炉口、炉中、炉尾的温度控制电路,实际运行表明该电路设计简单,控制效果好.

一、系统的工艺要求

1.1系统的工艺要求本控制系统的控制对象为多工位扩散炉,它是由多个扩散炉炉体和一个加热炉体组成。工作时,将加热炉体套在某个扩散炉炉体外部,使用电加热来实现扩散炉工艺需要的温度控制。由于各个扩散炉每次装载的材料数量不同,各个扩散炉结构的差异等原因,在对扩散炉的工艺温度进行控制时,需要配置不同的控制参数。另外,在某个扩散炉完成扩散工艺操作以后,加热炉体要自动转至其他工位进行其工艺操作过程。该智能控制系统的工艺要求是:1)对一套扩散炉中的多个工位的温度测点分别进行检测、显示、控制;2)温度控制精度。在全量程范围内,检测分辨率≤±0.2摄氏度,控制精度≤±1)储存多条温度工艺曲线。可由1~20段直线组成,每段直线可设定时间:1~9999min;4)具有断电参数保护功能;5)具有较强的抗干扰能力并可适应任何工业现场的工作要求;6)控制方式为自适应控制方式;7)工作方式为自动、手动。

1.2系统的功能要求扩散炉有上、中、下3区炉丝加热和压力控制加压,3区温度分别由相应位置上的热电偶测出,压力由压力传感器测量,该控制系统主要功能就是实现对温度的控制,并使其按照设定工艺曲线自动运行。同时提供友好的人机界面,实时显示温度、压力值和报警信息,方便工艺设定、系统调试等操作。控制系统的具体功能要求如下。

1)实现对多工位扩散炉温度工艺曲线的控制。可对每个工位的3个温度检测点分别进行温度检测、显示、控制;并可分别自动校正3个检测控制点的控制参数。

2)实现对多工位扩散炉炉膛压力的检测与控制。按照工艺要求,每个扩散炉都配有抽真空泵和可控的氮气阀门,在扩散过程中反复不断地将炉内的空气抽出并充以氮气,以此产生炉内的真空环境。控制系统要实时检测扩散炉炉膛内氮气压力,确保炉膛压力不超过设定的上限值,保证生产安全进行。

3)实现多工位扩散炉工艺生产过程的自动化。以触摸屏作为人机界面,提供简单的操作方式设置、状态及运行、报警显示,以及完善的保护和锁定功能以防止误操作。

4)提供手动/自动两种运行方式。系统处在“手动运行”时,炉体的运行,炉内抽真空、充气等操作是由操作员手动实现的。这种方式便于维修人员调试、维修设备时操作使用。

二、半导体生产中的扩散工艺流程设计

在半导体的生产过程中，晶圆的扩散是一道非常重要的工序，一般在扩散炉内完成，具体的工艺流程如下：

2.1.1向扩散炉内注入足量的氮气或氧气，使扩散炉的内部一直处于正压状态。

2.1.2按照既定的温度工艺曲线，采用电加热的方法使扩散炉内的温度升高到特定的温度值，此时注意保持炉内处于恒温的状态。

2.1.3在推拉舟的托盘上，有相关操作人员事先放置的需要扩散的晶圆，通过推拉装置将其送入到扩散炉内。

2.1.4再向扩散炉内注入足够的氮气或氧气，保证扩散炉内部处于正压状态。

2.1.5按照既定的温度工艺曲线，升高扩散炉内的温度直到特定的温度值，此时同样要保证扩散炉内部处于恒温的状态。

2.1.6在保持扩散炉内部处于特定恒温状态的前提下，将各种所要掺杂的气体注入到扩散炉内。

2.3半导体生产中扩散工艺的发展当然，扩散工艺也存在一些缺陷，如高温扩散时间长、生产周期长、所需温度高等，而且在这些缺陷的影响下，导致半导体的成品率低，质量和产量都不高。因此，相关人员也在积极的探究可行的解决方案，其中微波和离子注入其中的两个发展方向。

2.3.1微波加快扩散速度微波高温加热技术是一种较新的热能技术，对某些物理化学反应具有加速作用。与传统的加热方法相比，在相同的温度上可以缩短反应所需时间，当加热方法相同时能降低完成反应所需的温度。目前应用微波加快扩散速度的技术在陶瓷半导体的生产方面有所应用。

2.3.2离子注入法的引入离子注入法所需温度低，易于精确控制，不受杂质固溶态的限制，可以与扩散工艺所需温度高、难控制温度的缺陷互补，而且离子注入后杂质浓度在半导体中成高斯分布，浓度最高的地方在表面以内的一定深度的位置，弥补了扩散所需时间长的缺陷。通过将扩散工艺和离子注入结合，可有效提高产品的质量和生产效率。

三、控制系统安全性设计

图1为自动上下料控制系统框图，其中可编程控制器采用三菱FX3U80MT+FX2N16EX，控制。

（图一）

首先在Z轴方向的位置检测，在所需的高度将到位开关装置安装在竖梁上，如1#管的取舟位和放舟位。电机使用带有编码器的伺服电机。驱动电机配有刹车装置，能够保证在非工作状态下，滑块机构自锁，保证在掉电状态下石英舟的安全。其工作原理如图2所示，当升降机在长距离检测开关1运动到2时，在两开关之间升降机将高速运动，为防止在检测开关2过冲，在离检测开关2一段距离时升降机就须减速运行。升降机从检测开关1运行到检测开关2的过程为：升降机在检测开关1开始以3000mm/min运行，电机编码器同时计数，计数到距离检测开关2还有200mm时，速度变为300mm/min，当开关2检测到升降机，电机停止运行，如果在运行时间容差10s内检测开关2没有检测到信号，系统发出报警信号进行人工干预。当升降机竖梁的两端装有限位检测开关，一方面作为调试过程中升降找原点的参考点，另一方面作为保证在生产过程中龙门升降机的安全。

在Y轴方向，机械手爪的位置检测靠独立编码器完成。在两个机械手爪之间的如图1所示同步转轴的从动一端安装编码器，实时反馈机械手控制龙门升降机在滑台上下运动及机械手臂在Y轴方向运动及系统的位置检测。而SiC桨上的对舟检测由扩散炉各管的控制系统检测，通过上位机将检测信息传送给自动上下料控制系统。

（图二）

四、采样的处理应用

扩散炉要求的控温范围是0~1350℃,而热电偶检测到的电势信号是0~14mV,为满A/D的输入要求,运算放大器的输出为0~5V,则运算放大器的放大倍数：

为确保采样的精度,选用12位A/D转换器,这样采样的分辨率,满足采样精度要求。

冷端补偿器件采用温度传感器,当冷端温度在0~70℃变化时,检测到的信号为5.462~6.864mV，转变成相应的数码值为1646~2073,这样冷端的采样分辨率：

如果用Ts表示实际炉温对应的数码值,表示热电偶所对应的数码值,D2表示冷端温度传感器所对应的数码值,则：

微机用软件的方法起到了冷端自动补偿的作用。克服干扰引起的信号失真,采用数字滤波法,连续采样16次,按大小排队,取中间.个值的平均值作为采样的真值。

结束语：

传统的扩散炉控制系统的温度及工艺控制由人工通过调节各种控制仪表实现,不仅操作人员的劳动强度大、自动化程度低,而且试验准确性很难保证。我们采用该系统对扩散炉进行控制,取得了很好的控制效果。在该系统的控制下,可以使炉膛的温度严格按照给定温度曲线变化,实现了整个工艺生产过程的自动化,减轻了操作人员的劳动强度。同时,比较理想地解决了多变量耦合的扩散过程自动控制问题,具有很好的实用价值。

参考文献：

1.周孚宏.应用扩散炉控制系统.,2004.5

2.鲍新福,都志杰.扩散炉模糊控制器.自动化学报,2010.9

3.屠乃威,付华.参数自适应扩散炉在温度控制系统中的应用.2011.10

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5.钟肇新,范建东.浅谈扩散工艺在半导体生产中的应用.2015.6