关键词：扩散/氧化;可编程逻辑控制器;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
高温扩散/氧化系统是半导体器件、集成电路制造过程中用于对晶片进行扩散、氧化、退火及合金等工艺的一种热加工设备，也适用于对其他材料的特殊温度工艺处理，是一种用于长时间连续工作、高精度、高稳定性的自动控制设备。在半导体生产过程中，扩散炉炉温控制的精度及其工作的稳定性已成为半导体产品质量的决定性因素。然而，在传统的控制中，扩散炉的控制管理都是由基于单片机的仪器仪表来完成，其温度控制精度、生产工艺控制能力以及自动运行能力较低，难以实现集中管理，从而导致了产品质量差、生产效率低的缺陷。
系统针对我国半导体扩散/氧化工艺技术发展现状开发设计，采用先进、可靠的PLC为控制核心，以触摸屏为人机界面，配以高精度温度检测电路，采用模糊自整定PID为控制器，可实现复杂的工艺温度控制。具有检测、控制精度高、工作过程稳定性好、控制参数自整定、设定参数方便等特点。
1 半导体扩散/氧化工艺流程
高温扩散/氧化系统主要由扩散炉、净化工作台、推拉舟系统、气源柜等组成。半导体器材生产过程中扩散/氧化工艺流程为：1）将扩散炉的温度按一定的温度工艺升温至特定的温度，并保证炉内处于恒温状态;2）将操作人员放在推拉舟托盘上所要扩散的晶圆经推拉装置送入扩散炉内;3）在扩散炉保持特定的恒温条件下，向扩散炉内注入各种要参杂的气体。整个参杂过程要保证炉体内形成一个特定的恒温区，才能使晶圆扩散均匀。所以温度控制是扩散工艺控制系统中最重要的环节，控制效果的好坏直接决定着半导体扩散的质量。
2 系统硬件设计
根据半导体扩散/氧化工艺过程的要求，即既要实现整个工艺控制过程自动化又要实现半导体扩散/氧化工艺要求。系统以PLC为核心，液晶触摸屏为人机界面，采用自行研制的JC-9温度检测模块实现温度的采集等。系统硬件结构如图1所示。
图1系统硬件结构图
Fig.1 Structure chart of the systematic hardware
由图1所示系统硬件包括三个闭环控制：
① 温度控制：采用JC-9温度检测模块实现温度检测，通过PLC调用PID控制算法控制自行研制的三相大功率调压调功单元来实现温度的控制，实现闭环控制。
温度控制是扩散工艺控制系统中最重要的环节，控制效果的好坏直接决定着半导体扩散的质量。要保证控温的精度首先要保证温度的检测精度，其次要有相应的控制算法。系统采用的JC-9温度检测模块的检测精度优于0.5‰，编写模糊自整定PID控制算法使控制精度优于1‰。
② 气体流量控制：PLC从气体质量流量计的数字接口直接读取气体实际流量值，并根据扩散工艺中对气体流量的要求通过数字接口进行流量输出控制，实现闭环控制。
③ 推拉舟控制：PLC直接读取推拉舟位置编码器的数据来判断推拉舟的位置，通过高速脉冲输出口控制步进电机的驱动器来控制步进电机的运行，通过发送脉冲数控制推拉舟的位置，通过脉冲的频率控制推拉舟的速度。实现推拉舟的位置/速度闭环控制。
3 系统软件设计
系统软件设计包括触摸屏操作界面设计、模糊自整定PID控制算法设计及Modbus通信程序设计。
3.1 触摸屏操作界面[3]
触摸屏为人机对话界面，具有画面丰富，信息量大、操作灵活直观的特点。针对半导体扩散工艺及系统功能需求，设计用户界面主要界面包括：自动运行界面，手动运行界面，工艺参数设置界面，工艺曲线绘制界面，PID参数自整定界面等。
（1）自动运行界面。实现扩散炉各测点的温度检测值、设定值，各种气体流量值，各个阀的状态，推拉舟运行状态和速度的实时显示，完成整个工艺过程的监督功能。
（2）手动运行界面。手动运行适合于系统调试、状态测试等应用中。除了显示炉体的三点温度以外，其他部分均可通过按键实现手动操作。主要内容有：推拉舟“前进”“后退”运行控制;气路四个阀门的控制;氢气流量、氮气流量的控制。在“手动”画面中，设有推拉舟前进、后退速度设定，各种气体流量设定按键。用户可根据要求设定。
（3）工艺参数设置界面。系统可存储20套工艺配方，每个工艺配方由20个工艺段组成，每个工艺段可分为升（降）温和恒温两步。工艺参数界面设置可实现对每步的温度数值、持续时间、气路流量、推拉舟位置等参数进行设置。
（4）工艺曲线绘制界面。将控制过程的参数以数字方式显示，将炉体的三点温度以及设定温度值以曲线形式显示在画面中。
（5）PID参数自整定[4]界面。根据工艺的温度要求，选择整定温度，系统开始对炉体加温并开始自整定过程，实现PID参数的整定。
3.2 模糊自整定PID控制算法设计[5][6]
PLC作为系统的核心，完成各种信息的检测、处理，控制算法的实现，控制量的输出等。系统实现控制包括：对扩散炉九点温度的工艺控制;对气体流量工艺过程的控制;对扩散炉生产工艺的自动化过程控制。其中对温度的控制是至关重要的，控制效果的好坏直接决定着半导体扩散的质量。本系统采用模糊自整定PID控制算法实现对温度的控制。
模糊推理控制算法程序的流程图如图2所示。计算时有以下几个步骤：
（1）确定误差和误差变化率以及控制量的论域，将和的实际变化范围分为7档（考虑本控制系统要求控制精度较高）,使每一档与其论域的某个元素相对应。这样，系统的每个实测量就可以被量化为论域中的某个元素。
（2）本系统通过离线计算出模糊控制表，实际运行时，PLC主程序中断执行查表子程序就可以得出控制量。
图2 模糊推理子程序
Fig.2Fuzzy reasoning subprogram
在现场的控制中，模糊自整定PID控制器的鲁棒性强，参数自整定易于实现，控制的精度较高。比单纯的PID控制器具有更快的动态响应特性，其控温效果较好。
3.3 Modbus通信程序设计
系统采用Modbus现场总线实现PLC主站与温度检测模块、气体质量流量计等各从站之间的通信。
1、以OMRON PLC为主站的主从站的通信[6]
系统选择OMRON CP1H系列PLC作为通信主站。CP1H是欧姆龙公司推出的功能强大的一体化小型PLC，它的两个串口中均内置的Modbus-RTU主站功能，还配置了两个串行通信选件板RS422/485串口选件板和RS232串口选件板。系统选择作为从站的JC-9温度采集模块、气体质量流量计和推拉舟均含有RS485接口且已经内置Modbus协议，具有Modbus-RTU从站功能，只要按照编程手册进行相应设置即可实现主站通信。
2、从站的通信流程
系统从站包括JC-9温度采集模块、气体质量流量计和推拉舟装置，其中气体质量流量计和推拉舟装置购置时均内置Modbus协议（此处不作介绍）。JC-9温度采集模块为自行研制的九路温度采集模块，此模块含RS485接口，由于系统通信采用Modbus通信模式，需在模块上自定义Modbus从站协议。从站收到主站指令，根据主站要求做出回应。从站与主站间通信中断程序处理流程如图3所示。
图3 从站Modbus通信程序处理流程
Fig.5 The procedure of Modbus communication procedure of the sub site
5 结束语
系统依据半导体生产过程中扩散/氧化工艺需求而设计，结构简单、操作简便、成本低、可靠性好，可大大提高温度控制精度及工艺过程自动化水平。现已广泛应用于半导体生产企业，具有良好的经济效益和社会效益。
参考文献
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[2] 刘涛, 赵加宝. 微机测控技术在半导体扩散氧化工艺设备中的应用[J]. 中国仪器仪, 2005, （12）：94-96
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[4] 刘艳, 张天开, 黄东. 多工位烧结炉智能温度控制系统的设计与应用. 自动化仪表[J], 2006,（11）：48-50
[5] 王先春, 蔡剑华, 胡惟文. PID算法及参数自整定在温控系统中的实现. 自动化仪表[J], 2007,（2）：16-18
[6] 刘国光. 基于Fuzzy-PID的自适应温度控制器. 中国仪器仪表, 2002,（5） ：19-22
[7] 郭俊, 刘畅, 姚峰林. 基于PLC温控系统的PID控制器的实现. 机械工程与自动化[J], 2005,（3）：31-33
第一作者周红丽，女，1982年生，现为青岛理工大学计算机工程学院在读硕士研究生，主要研究方向为计算机控制与检测系统的设计。
