工廠特殊氣體管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

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摘要：分析企業(yè)特殊氣體管理現(xiàn)狀和需求，開(kāi)發(fā)了基于PLC的特殊氣體管理系統(tǒng)。其核心是通過(guò)以太網(wǎng)通訊技術(shù)，將特殊氣體供氣氣柜、質(zhì)量分析儀器、氣體泄露偵測(cè)器的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行傳輸、處理，工程師分析數(shù)據(jù)及時(shí)掌握特殊氣體運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)設(shè)備互聯(lián)，共享信息資源，保障產(chǎn)品質(zhì)量，助力安全生產(chǎn)，提高了企業(yè)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下的競(jìng)爭(zhēng)能力。

關(guān)鍵詞：特殊氣體；外延；PLC；信息化

最近三十年，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，硅片面積不斷增大，集成電路的單位成本和價(jià)格不斷降低，但投入成本卻持續(xù)增加。在硅外延生產(chǎn)中，特殊氣體作為關(guān)鍵輔料，品質(zhì)高低直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，其供應(yīng)出現(xiàn)任何問(wèn)題都會(huì)對(duì)企業(yè)造成極大損失。同時(shí)，特殊氣體一般是有毒、易腐蝕、易燃易爆等危險(xiǎn)氣體，其管理特殊性直接關(guān)系人員安全和工廠安全。目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)半導(dǎo)體制造工廠大多實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化智能化生產(chǎn)[1-3]。外延行業(yè)對(duì)特殊氣體的管理研究仍處在起步階段。隨著客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高，企業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)意識(shí)不斷增強(qiáng)，必須加快推進(jìn)特殊氣體管理信息化建設(shè)，通過(guò)設(shè)備互聯(lián)，共享信息資源，保障產(chǎn)品質(zhì)量，助力安全生產(chǎn)，提高企業(yè)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下的競(jìng)爭(zhēng)能力[4-5]。

1特殊氣體管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1功能需求分析

隨著特殊氣體管控技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，氣柜向連續(xù)化、精密化和智能化發(fā)展。但每一套氣柜都是獨(dú)立的信息孤島，無(wú)法滿足企業(yè)信息化建設(shè)要求。圖1為外延工廠典型的特殊氣體供應(yīng)示意圖，特殊氣體采用氣體鋼瓶供氣，從供氣柜輸出，進(jìn)入檢測(cè)柜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體品質(zhì)。檢測(cè)合格后，再進(jìn)入分配柜，按需求供應(yīng)給不同的外延設(shè)備使用。氣柜排風(fēng)處安裝特殊氣體泄露偵測(cè)器，實(shí)時(shí)探測(cè)環(huán)境中特殊氣體濃度[6-7]。分析企業(yè)特殊氣體管理現(xiàn)狀，就打破信息孤島、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)，提出以下需求：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)管理特殊氣體氣柜運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，工程師在監(jiān)控界面能夠及時(shí)掌握特殊氣體供氣狀態(tài)，基于氣柜實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。（2）雜質(zhì)檢測(cè)，品質(zhì)保證實(shí)時(shí)檢測(cè)特殊氣體中雜質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)存在品質(zhì)問(wèn)題，第一時(shí)間將異常信息反饋給質(zhì)量管控工程師，防止批量性產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。（3）泄露探測(cè)，安全生產(chǎn)安裝特殊氣體泄露傳感器，當(dāng)監(jiān)測(cè)到環(huán)境中特殊氣體濃度變化，根據(jù)危害程度，切斷供應(yīng)系統(tǒng)，隔離危險(xiǎn)地區(qū)，中斷生產(chǎn)工藝制程以及啟動(dòng)相關(guān)的連鎖設(shè)備，將氣體泄露的危害程度降到最低，基于以上三點(diǎn)功能需求，設(shè)計(jì)項(xiàng)目系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)信息化監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，項(xiàng)目選擇面向?qū)ο蟮目蛻舳?服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)，這種架構(gòu)體系的管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)庫(kù)、邏輯層和應(yīng)用層相分離，同時(shí)面向?qū)ο蟮目蓴U(kuò)展性和可維護(hù)性更方便工程技術(shù)人員使用。系統(tǒng)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成，如圖2所示。

1.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。以PLC為工作核心，實(shí)時(shí)采集所有特殊氣體供氣氣柜、質(zhì)量分析儀器、特殊氣體泄露偵測(cè)器的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)TCP/IP通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行管理，建立統(tǒng)一規(guī)則的數(shù)據(jù)中心，同時(shí)服務(wù)器根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)管理中不同場(chǎng)景的使用需求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定制化處理，滿足不同崗位工程師對(duì)特殊氣體管理的不同要求，數(shù)據(jù)最終以報(bào)表，圖表等形式在電腦上進(jìn)行展示。工程師根據(jù)圖表曲線進(jìn)行更有針對(duì)性的管理。

2功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

功能模塊是指特殊氣體管理系統(tǒng)中獨(dú)立的程序單元，不同的功能模塊組成一個(gè)高效的特殊氣體管理體系，通過(guò)采集、存儲(chǔ)、處理、分析各種設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，幫助工程師做出及時(shí)有針對(duì)性的決策。為滿足企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中特殊氣體管理需求，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了特氣監(jiān)控模塊、質(zhì)量管理模塊和安全生產(chǎn)模塊，如圖4所示。

2.1特氣監(jiān)控模塊

隨著客戶對(duì)產(chǎn)品要求的不斷提高，企業(yè)對(duì)特殊氣體管理的要求也不斷增加，為了能夠監(jiān)控特殊氣體供氣狀態(tài)，需要從供氣氣柜端獲取其運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，小尺寸外延工廠特殊氣體管理模式是依靠人工一臺(tái)一臺(tái)對(duì)氣柜的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行抄錄，參數(shù)抄錄頻次按重要性分為一天、一周、一月和一年，這種管理模式發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的及時(shí)有效性無(wú)法保障，同時(shí)勞動(dòng)量極大。針對(duì)以上需求，特氣監(jiān)控模塊需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)直觀、方便的監(jiān)控方式，使每臺(tái)特殊氣體氣柜的工作狀態(tài)都能實(shí)時(shí)的被監(jiān)控，方便工程師判斷特殊氣體供氣狀態(tài)。圖5為摻雜供氣氣柜參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。監(jiān)控界面中間區(qū)域顯示摻雜供氣系統(tǒng)盤面各閥門狀態(tài)、壓力傳感器讀數(shù)。兩側(cè)為該系統(tǒng)的模式燈和狀態(tài)燈，工程師通過(guò)模式燈和狀態(tài)燈第一時(shí)間直觀的了解氣柜運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)異常后能快速有針對(duì)性的安排人員進(jìn)行維修。通過(guò)底部切換按鈕可以實(shí)現(xiàn)不同供氣界面的切換。

2.2質(zhì)量管理模塊

隨著高純氣體制程技術(shù)的推進(jìn)，針對(duì)半導(dǎo)體氣體的高純度特性，發(fā)展的極微量分析技術(shù)也日趨完備，對(duì)于高純氣體可作離線或在線檢測(cè)，檢測(cè)極限可達(dá)到ppb甚至ppt的水準(zhǔn)。主要分析方法包括氣象色譜分析法（GasChromatography）、氧氣分析儀（TraceOxygenAnalyzer）、水分分析儀（MositureAnalyzer）、大氣壓離子化質(zhì)譜儀（API-MS）和顆粒儀（ParticleCounter）。根據(jù)不同的使用需求，在特殊氣體輸送管路中會(huì)設(shè)置一種或多種檢測(cè)儀器，保障特殊氣體品質(zhì)要求[8]。圖6為HCL氣體中水分含量監(jiān)控界面。水分含量是影響氣體純度的一個(gè)重要因素，大多數(shù)氣體中含有微量水，水在高溫下，會(huì)使晶片、芯片發(fā)生氧化反應(yīng)，在硅晶片中生成無(wú)定形SiO2，在外延過(guò)程會(huì)起到雜質(zhì)聚集作用，造成晶格缺陷。監(jiān)控界面上半部分為模式、設(shè)置、趨勢(shì)顯示等功能按鈕，中間區(qū)域顯示HCL中實(shí)時(shí)水分含量，下端為狀態(tài)燈，質(zhì)量管控工程師可以設(shè)置預(yù)警和報(bào)警限，當(dāng)水分含量大于設(shè)置限時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警，通知工程師檢查維修，預(yù)防產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。

2.3安全生產(chǎn)模塊

在半導(dǎo)體晶圓工廠內(nèi)，因?yàn)楣に囍瞥绦枨蟮牟煌?，?huì)使用到很多危險(xiǎn)性氣體，一旦發(fā)生氣體泄露，不但會(huì)給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對(duì)人體也會(huì)造成極大的傷害。在硅外延生產(chǎn)過(guò)程中，使用的特殊氣體一般具有易燃性、毒性、腐蝕性，因此氣體泄露偵測(cè)器在安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上擔(dān)任著非常重要的角色[9-11]。圖7為摻雜泄漏偵測(cè)監(jiān)控界面。一旦探測(cè)到氣體泄漏，報(bào)警監(jiān)控界面可以準(zhǔn)確的顯示泄露發(fā)生的地點(diǎn)，根據(jù)氣體外泄的危害大小來(lái)確定整個(gè)氣體輸送系統(tǒng)的相關(guān)互鎖動(dòng)作。嚴(yán)重時(shí)緊急關(guān)閉上游所有氣源，隔離危險(xiǎn)地區(qū)，同時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)中央控制室和現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)報(bào)警系統(tǒng)，中斷生產(chǎn)工藝制程以及啟動(dòng)相關(guān)的連鎖設(shè)備，將氣體泄露的危害程度降到最低。

3結(jié)論

本文分析企業(yè)特殊氣體管理現(xiàn)狀和需求，設(shè)計(jì)了以PLC為數(shù)據(jù)交互核心，面向?qū)ο蟮目蛻舳?服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)。開(kāi)發(fā)了特氣監(jiān)控模塊、質(zhì)量管理模塊和安全生產(chǎn)模塊。通過(guò)實(shí)時(shí)采集供氣氣柜、質(zhì)量分析儀器、氣體泄露偵測(cè)器的運(yùn)行參數(shù)，建立統(tǒng)一規(guī)則的數(shù)據(jù)中心，工程師可以及時(shí)掌握特殊氣體供氣狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

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作者：肖健 周德兵 任凱 馬利行 單位：南京國(guó)盛電子有限公司