工廠特殊氣體管理系統(tǒng)設(shè)計應(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，開發(fā)了基于PLC的特殊氣體管理系統(tǒng)。其核心是通過以太網(wǎng)通訊技術(shù)，將特殊氣體供氣氣柜、質(zhì)量分析儀器、氣體泄露偵測器的實時運行參數(shù)進行傳輸、處理，工程師分析數(shù)據(jù)及時掌握特殊氣體運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險。通過設(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)在市場經(jīng)濟下的競爭能力。
關(guān)鍵詞：特殊氣體；外延；PLC；信息化
最近三十年，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進步，硅片面積不斷增大，集成電路的單位成本和價格不斷降低，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)任何問題都會對企業(yè)造成極大損失。同時，特殊氣體一般是有毒、易腐蝕、易燃易爆等危險氣體，其管理特殊性直接關(guān)系人員安全和工廠安全。目前國內(nèi)外先進半導(dǎo)體制造工廠大多實現(xiàn)了自動化智能化生產(chǎn)[1-3]。外延行業(yè)對特殊氣體的管理研究仍處在起步階段。隨著客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高，企業(yè)對安全生產(chǎn)意識不斷增強，必須加快推進特殊氣體管理信息化建設(shè)，通過設(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)在市場經(jīng)濟下的競爭能力[4-5]。
1特殊氣體管理系統(tǒng)設(shè)計
1.1功能需求分析
隨著特殊氣體管控技術(shù)的不斷改進和提高，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立的信息孤島，無法滿足企業(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，進入檢測柜實時監(jiān)測氣體品質(zhì)。檢測合格后，再進入分配柜，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器，實時探測環(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）實時監(jiān)控，動態(tài)管理特殊氣體氣柜運行參數(shù)實時顯示，工程師在監(jiān)控界面能夠及時掌握特殊氣體供氣狀態(tài)，基于氣柜實時狀態(tài)進行動態(tài)管理。（2）雜質(zhì)檢測，品質(zhì)保證實時檢測特殊氣體中雜質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)存在品質(zhì)問題，第一時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)量問題的發(fā)生。（3）泄露探測，安全生產(chǎn)安裝特殊氣體泄露傳感器，當(dāng)監(jiān)測到環(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)，隔離危險地區(qū)，中斷生產(chǎn)工藝制程以及啟動相關(guān)的連鎖設(shè)備，將氣體泄露的危害程度降到最低，基于以上三點功能需求，設(shè)計項目系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
1.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計是整個信息化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，項目選擇面向?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、邏輯層和應(yīng)用層相分離，同時面向?qū)ο蟮目蓴U展性和可維護性更方便工程技術(shù)人員使用。系統(tǒng)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層組成，如圖2所示。
1.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。以PLC為工作核心，實時采集所有特殊氣體供氣氣柜、質(zhì)量分析儀器、特殊氣體泄露偵測器的運行參數(shù)，通過TCP/IP通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器進行管理，建立統(tǒng)一規(guī)則的數(shù)據(jù)中心，同時服務(wù)器根據(jù)實際生產(chǎn)管理中不同場景的使用需求，對數(shù)據(jù)進行定制化處理，滿足不同崗位工程師對特殊氣體管理的不同要求，數(shù)據(jù)最終以報表，圖表等形式在電腦上進行展示。工程師根據(jù)圖表曲線進行更有針對性的管理。
2功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
功能模塊是指特殊氣體管理系統(tǒng)中獨立的程序單元，不同的功能模塊組成一個高效的特殊氣體管理體系，通過采集、存儲、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有針對性的決策。為滿足企業(yè)生產(chǎn)運行中特殊氣體管理需求，項目設(shè)計了特氣監(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
隨著客戶對產(chǎn)品要求的不斷提高，企業(yè)對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行數(shù)據(jù)并進行分析，小尺寸外延工廠特殊氣體管理模式是依靠人工一臺一臺對氣柜的運行參數(shù)進行抄錄，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)問題的及時有效性無法保障，同時勞動量極大。針對以上需求，特氣監(jiān)控模塊需要實現(xiàn)一個直觀、方便的監(jiān)控方式，使每臺特殊氣體氣柜的工作狀態(tài)都能實時的被監(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)實時監(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，工程師通過模式燈和狀態(tài)燈第一時間直觀的了解氣柜運行狀態(tài)，出現(xiàn)異常后能快速有針對性的安排人員進行維修。通過底部切換按鈕可以實現(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，針對半導(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，對于高純氣體可作離線或在線檢測，檢測極限可達到ppb甚至ppt的水準。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設(shè)置一種或多種檢測儀器，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重要因素，大多數(shù)氣體中含有微量水，水在高溫下，會使晶片、芯片發(fā)生氧化反應(yīng)，在硅晶片中生成無定形SiO2，在外延過程會起到雜質(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、趨勢顯示等功能按鈕，中間區(qū)域顯示HCL中實時水分含量，下端為狀態(tài)燈，質(zhì)量管控工程師可以設(shè)置預(yù)警和報警限，當(dāng)水分含量大于設(shè)置限時會觸發(fā)報警，通知工程師檢查維修，預(yù)防產(chǎn)品質(zhì)量問題的發(fā)生。
2.3安全生產(chǎn)模塊
在半導(dǎo)體晶圓工廠內(nèi)，因為工藝制程需求的不同，會使用到很多危險性氣體，一旦發(fā)生氣體泄露，不但會給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失，同時對人體也會造成極大的傷害。在硅外延生產(chǎn)過程中，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為摻雜泄漏偵測監(jiān)控界面。一旦探測到氣體泄漏，報警監(jiān)控界面可以準確的顯示泄露發(fā)生的地點，根據(jù)氣體外泄的危害大小來確定整個氣體輸送系統(tǒng)的相關(guān)互鎖動作。嚴重時緊急關(guān)閉上游所有氣源，隔離危險地區(qū)，同時會驅(qū)動中央控制室和現(xiàn)場的相關(guān)報警系統(tǒng)，中斷生產(chǎn)工藝制程以及啟動相關(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。通過實時采集供氣氣柜、質(zhì)量分析儀器、氣體泄露偵測器的運行參數(shù)，建立統(tǒng)一規(guī)則的數(shù)據(jù)中心，工程師可以及時掌握特殊氣體供氣狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，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：南京國盛電子有限公司
