用于半导体生产的扩散/氧化系统整体方案设计

崔严匀，袁敏杰 ，赵 欢

(1.无锡华润上华科技有限公司，江苏 无锡 214061 2.中国电子科技集团公司第四十七研究所，辽宁 沈阳 110032)

半导体是工业电子化、工业智能化的核心元件，被称为“现代工业的粮食”[1]。改革开放四十年来，国内生产了几十万台、300余种半导体设备，15.24 cm(6英寸)、0.5 μm生产线主要设备已经通过验收，部分品种的集成电路和半导体塑封机、塑封模具和自动封装系统亦可满足用户需要；数字集成电路测试系统以及适用线宽1 μm以上、64腿以下的集成电路的数/模混合系统已经实现规模化生产。然而，我国每年向国外进口的半导体芯片仍然高达3 000亿美元，并且在美国等西方发达国家的封锁下，半导体芯片供给的稳定性也存在风险[2]。加强半导体生产工艺研究，优化生产工艺，对于我国半导体芯片的自主可控有着不可替代的重要意义[3]。国内应用于半导体生产的卧式扩散炉已经发展成熟，硅片直径现已增大到20.32 cm(8英寸)，微细加工线由1 μm提升至0.25 μm。但传统的卧式扩散炉难以满足先进制程半导体产品的生产要求，需要进一步加强针对立式扩散炉的研发与生产。

1 扩散/氧化设备

扩散/氧化设备本质上是一种热加工设备，在半导体生产过程中，该设备可以对硅片进行氧化、扩散以及退火处理，具有稳定性强、精度高、可连续工作等方面的特点[4]。扩散/氧化设备在结构设计上主要由推拉舟、净化台、炉体柜、控制柜所组成，图1为扩散/氧化设备的组成结构[5]。

图1 扩散/氧化设备结构图

从设备类型和工艺技术两方面的角度上来看，扩散/氧化设备可以划分为几个不同的种类，分类情况如表1所示[6]。

表1 半导体生产设备分类表

2 扩散/氧化系统设计方案

2.1 系统总体结构设计

本次研究所设计的扩散/氧化系统硬件设计方案主要涉及显示触摸屏、可编程序控制器(PLC)、温度检测单元(JC-A 模块)以及上位数据处理计算机四项关键硬件。由显示触摸屏、PLC、温度检测单元共同构成正位机控制系统。每个炉体均由独立的JC-A模块的热电偶输入通道检测[7]，每套系统可控制1～4个炉体，各炉体检测单元与PLC之间均采用光电隔离的通信技术，图2为单个炉体下扩散/氧化系统的硬件结构。

图2 系统硬件结构图

2.2 扩散/氧化下位机系统设计

下位控制单元以液晶触摸屏为人机界面，可编程逻辑控制器PLC为核心，采用位置编码器、气体质量流量计和JC-A温度检测模块分别实现推拉舟位置、气体流量、恒温区温度的检测与控制[8]。整个控制单元主要负责扩散/氧化系统的推拉舟闭环控制、气体流量闭环控制和温度闭环控制，具体结构如图3所示。

图3 扩散/氧化下位机系统

2.3 JC-A温度检测模块

JC-A温度检测模块由可编程计数/定时芯片8253、双积分型A/D转换器ICL7135、AD620低噪声精密运算放大器、热电偶作为温度传感器所组成，并通过高精度铂电阻对环境温度进行测试，进而实现针对热电偶的冷端补偿[9]，该模块的线路连接方式如图4所示。

图4 JC-A 温度检测模块的线路连接方案

2.4 控制系统输入/输出单元

输入/输出单元是各个外接设备与PLC相连接的结。现场设备通过输入单元向PLC传输信号，比如拨码器开关、限位开关、操作开关、按钮等提供开关量的信号[10]。输入电路需要对各种信号进行电平转换、光电隔离以及滤波等操作，将模拟信号转换为CPU可以直接进行数据处理的数字信号。经过CPU处理的各种弱电信号则需要由输出单元对其进行功率放大、光电隔离等处理，进而将经过转换的信号传输给各个外接设备[11]，最终为调速装置、电磁铁、电磁阀、接触器等装置提供驱动数据。控制系统开关量输出模块的电路设计方案如图5所示。

图5 控制系统开关量输出模块设计方案

3 扩散/氧化系统设计操作界面设计

本次研究通过EasyBuilder 8000软件对扩散/氧化系统的触摸屏界面进行编译与设计，并通过通信电缆实现RS-232与PLC之间的连接，触摸屏状态控制区的读写则通过PLC实现，进而实现二者之间的数据传输。

基于扩散炉在操作与控制方面的要求，本次研究设计了工艺参数设置界面、质量流量计参数设置界面、控制参数设置界面、手动运行界面和自动运行界面。EasyBuilder 8000具有操作简单、界面丰富、多级密码管理、菜单式操作等方面的特点，工艺编程方便[12]。扩散/氧化系统能够对炉体温度进行独立控制，可实时查看报警记录。本次研究主要介绍扩散/氧化系统的自动运行界面和手动控制界面。

3.1 自动运行界面

扩散/氧化系统的自动运行界面由上、下两个部分组成，其中上半部主要显示扩散炉的推拉舟状态、质量流量计参数、控制量、工艺运行参数以及各点温度参数[13]，下半部则由操作按键所组成，比如控制工艺的开始或停止、保持操作、跳步操作、设置控制参数以及设置工艺参数等，自动运行界面设计结果如图6所示。

图6 扩散/氧化系统的自动运行界面

3.2 手动控制界面

扩散/氧化系统的手动控制界面主要用于设备维护、状态测试和系统调试。可实现的操作具体包括氮气流量的设置、氢气流量、气路阀门的开/关控制以及推拉舟“前进”“后退”运行控制等。手动控制界面设计结果如图7所示。

图7 扩散/氧化系统的手动控制界面

4 结 语

本文详细介绍了半导体生产中氧化及扩散的控制流程与工艺原理，并在此基础上详细说明了相关工艺流程下软硬件系统的总体设计方案。在未来的研究工作中，还需要重点加强针对下位机系统的设计，优化整体系统的操作流程，降低生产成本，提高生产效率。