芯片生产过程中的特气处理自动控制设计

荀本舟XUN Ben-zhou

（上海盛剑环境系统科技股份有限公司，上海 201807）

0 引言

目前针对半导体制程中的特气处理方法有等离子一体 机（PLASMA SCRUBBER） 电 加 热 一 体 机（HOT SCRUBBER）以及燃烧一体机（BURN SCRUBBER），在燃烧一体机中由于设备操作环境为半导体厂房内，设备使用大量的天然气燃烧，同时由于制程过程中产生的特气种类和风量跟随工艺制程变化，因此燃烧一体机中对应的燃料也是实时变化，这对天然气的安全管控提出了很高的要求，也因此本文将着重讲述芯片生产过程中的特气处理过程中自动控制方法和实施过程，同时该方法在燃烧一体机中的得到了实际应用。

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

在芯片制程过程中特殊气体则主要用于外延，掺杂和蚀刻工艺。该类电子气体主要分为氢化物（超纯氢、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]。

此类特气毒害性大、酸性强、成分复杂、含尘量高，且有毒易自燃，这些气体轻则影响产品质量，重则引发事故，引起人员伤亡，所以必须将其去除[2]。

特气燃烧处理过程是将特气送入燃烧腔内进行燃烧，燃烧后废气送入水洗塔进行水洗除雾，合格的废气排至主系统，因此控制好燃气燃烧过程的稳定、安全、有效的使用至关重要。

1.2 S7-1500 PLC 系统

S7-1500 编程逻辑控制器是西门子公司近期开发的针对控制要求高，控制质量好，且响应速度快的新型PLC控制器。

从硬件方面来说，S7-1500PLC 的处理速度更快，诊断能力和安全性更高，不仅可节省成本，提高生产效率，而且安全可靠，维护简单方便，真正成为工厂客户和现场维护人员的首选控制器。S7-1500 PLC 采用新型的背板总线技术，采用高波特率和高传输协议，使其信号处理速度更快；S7-1500 PLC 的模块集成有诊断功能，诊断级别为通道级，无需进行额外编程，当发生故障时，可快速准确地识别受影响的通道，减少停机时间[3]。

且S7-1500PLC 使用博图软件具备强大的在线编程能力及调试能力，降低调试过程中的出错率。同时S7-1500PLC 在半导体行业用的相关设备上具有较高的使用率。

1.3 燃烧特气处理系统控制介绍

燃烧特气处理系统重点自控设计包括：燃烧点火控制，分级报警控制，启动过程控制，关机过程控制，火焰丢失控制，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

燃烧串设计主要包含燃烧点火变压器、火焰探测器、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等组成，另外还设计燃气泄漏报警仪和烟雾报警器等，如图1 所示。设计通过检测天然气压力以及压缩空气压力判断气源供给是否正常；通过控制流量控制器和一二级压缩空气的开关控制燃料的投料量；通过火焰检测来判断点火是否成功。

图1 燃烧串系统图

2.2 安全硬联锁自控设计

通过设计燃烧腔温度及出口温度，并配置温控器，设定好固定的报警值，然后输出开关量控制燃烧腔不能超温，同时将输出串联在天然气阀输出上，硬件控制天然气的切断。同时燃气报警器、烟雾报警器也通过此类设计保证硬件上的安全联锁，同时和程控的软件联锁相结合，保证任意系统出错，都保证特气处理系统安全运行。

2.3 程序安全联锁自控设计

程序安全联锁设计包含点火程序的安全设计、运行中火焰检测程序设计、以及相关的报警分级设计，如图2 所示。点火程序设计包含燃气和天然气的定量比投入，点火过程中检测到火焰熄灭后自动开启吹扫程序，以及点火前的预吹扫控制和时间控制，运行中火焰检测程序即运行过程中一旦检测到火焰丢失一定时间后，自动切断燃料并进行吹扫停机工作；报警分级即考虑所涉及的报警为低级报警还是高级报警，若无人为干预将低级报警升级为高级报警过程，同时系统复杂时需将部分系统独立处理做离线在线处理、降低因单个系统停机造成主系统的停机。

图2 安全联锁结构图

2.4 电气部分自控设计

电气部分自控设计包含变频器的输入输出控制，以及控制电气设备状态的监控，例如在监控特气燃烧自控系统中刮刀，刮刀需定期启动且每次启动只运行一两个周期，那需要设计限位开关对刮刀的位置状态进行监控，从开始位到结束位的时间进行累积，再通过和限位开关的状态点的累积变化，判断刮刀是否有异常卡死状态，此类皆是电气部分的自控设计。

3 S7-1500 控制系统设计

3.1 IO 设计及PLC 控制设计

依据理解的工艺及需要控制点整理出设备的IO 清册，并对IO 情况进行统计，如表1，表2 所示。

表1 部分IO 清册

表2 IO 统计

依据S7-1500PLC 控制系统选型手册进行设计，CPU1511-1PN 符合控制主要功能需求，然后配置16DI/16DO 输入输出模块6ES7523-1BL00-0AA0 模块4 块；配置8AI 高性能模拟量输入模块6ES7 531-7NF00-0AB0 模块5 块，配置8AO 高速模拟量输出模块6ES7532-5HF00-0AB0 模块1 块，如图3 所示。另配置欧姆龙24V 开关电源S8VK-G24024 型1 块，组成主控制系统，然后和设备内的仪表、隔离器、电磁阀、电磁阀岛、压力开关、变频器、流量控制器、中间继电器等元器件，设计自控原理图。

图3 PLC 模块示意图

3.2 仪表设计及阀、控制回路设计

依据IO 清册中仪表以及燃烧工艺的设定，燃烧腔温度为控制重点，故设计两只热电偶，一只传送mv 信号，输入信号隔离器，输出4~20mA 信号给PLC 识别并控制燃烧温度，另一只传送mv 信号给温控器，输出开关量信号，硬件控制天然气的切断，此温度控制可按高高报警点设置。另火焰探测器可输出0~10V 信号和开关量信号接入PLC，用开关量信号判断火焰的存在和丢失参考联锁控制，0~10V 输出到触摸屏显示并提示火焰信号的大小，当火焰低于0.2V 时基本可以判断火焰丢失并报警，若长期低于2V 后，可提示更换火焰检测探头。阀门主要涉及燃烧串阀门要做防爆设计，对燃烧串要做隔爆合计，燃烧腔风阀设计事故关阀，即正常状态阀门打开保持燃烧腔通风，且管路上设计微负压传感器，当微负压低于设定值时设备停机，保证燃烧过程处于负压状态，以保证系统的安全。

3.3 手动控制及界面设计

系统设计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，即控制系统送电后可选择手动模式和自动模式，当手动模式时，可单个操作每个阀门及电机，并检验仪表是否处于正常阈值。界面设计实时报警、历史报警、历史数据等功能以满足设备运行监控要求，如图4 所示。

图4 控制系统界面

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后，延时2s 开启天然气总阀，小火燃气阀，进入火焰检测程序，当检测到火焰信号后，需持续检测8s，若任意持续5s 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，若持续8s 检测不到火焰信号，就置位SMALL_FIRE_FAULT，同时自动进入熄火吹扫程序，点大火程序也是如此。

4.2 分级报警与报警升级程序

在设计报警程序时，需考虑报警等级是否影响到设备安全或使用，分为一般报警即三级报警，有一定的危害或长时间不处理可能影响设备安全即二级报警，立即影响到设备安全为一级报警，比如天然气压力未检测、风阀故障、小火失败、大火失败、运行火焰丢失等，天然气压力及风阀故障会影响设备使用造成一级报警则可以为一级报警也可以为二级报警；小火失败、大火失败、运行火焰丢失不停机容易造成天然气堆积为一级报警，但设备停机太过复杂时，且有人工干预操作时，可降级为二级报警。

4.3 刮刀控制程序

在设计刮刀控制程序时，先复位刮刀状态位，上位系统点击刮刀在线时，刮刀开始工作，计时1 小时后，置位刮刀运行位，此时刮刀启动，同时刮刀限位开关开始计时，等到刮刀上限位开关下一次触碰时刮刀停止，同时当时间累积超过10s（设定一圈时间为10s）时，刮刀停止，同时置位刮刀异常位，即比较刮刀限位开关触碰时是否在10s 内，若超过10s，即可能存在刮刀异常，然后报警给上位机提示刮刀异常，同时设定刮刀为单独离在线模式，即刮刀可以离线进行控制，以满足现场对刮刀定期巡检要求。

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以及自动控制都十分重要，在方便运行维护的同时，保证设备安全稳定的运行，同时能够脱离人为参与产生的误差。S7-1500PLC 控制系统对应的博图软件在系统编程和调试过程中高效实用，同时整个研发项目实施过程中得出了：

①通过对燃烧点火过程的安全联锁控制，能够对系统的运行起着至关重要的作用。

②分级报警的有效设计能够提高设备的安全性，同时在一定场合和工况下能够提高设备的使用便捷性。

③芯片特气处理过程中的自动控制设计通过了半导体行业SEMI 认证，要求更严格精细化、同时该燃烧自动控制装置已在项目上成功应用。