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高精度半导体扩散/氧化工艺控制系统的研制

作　者: 王淑梅
导　师: 张天开
学　校: 青岛理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 扩散/氧化工艺控制系统 PLC 温度检测精度温度控制精度温度控制算法
分类号: TN305
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

半导体和集成电路专用设备制造业是支撑半导体和集成电路产业发展的基础,在各种半导体专用设备中,扩散/氧化工艺生产设备是集成电路生产过程中的最为重要的工艺设备之一,其中的控制系统是该设备的核心,控制系统的性能指标反映这类设备的性能高低。针对现有控制系统存在的问题,特别是在温度控制方面存在的问题,从实际应用角度出发设计并制作了高精度的扩散/氧化工艺控制系统。在本系统中温度的检测与控制是关键指标,温度检测和控制的精度及其工作的稳定性是整个系统控制精度高低的决定性因素,也最终影响生产出来的半导体产品的质量。首先,全新设计了温度检测与控制系统的结构。系统由温度检测单元和温度控制单元构成。温度检测单元通过RS485通讯接口和控制单元的PLC连接,将当前检测温度值送入PLC,PLC根据当前检测温度值,再配以适用于扩散/氧化工艺的温度控制算法,实现温度控制。其次,根据提出的温度检测精度优于0.5‰的性能指标,从电路元件选型、电路原理设计、电路板的制作、检测软件的设计四方面阐述了温度检测单元的设计与制作。在设计温度检测单元时不仅选择了性价比高的元件,而且在电路原理设计和电路板制作中充分考虑了干扰因素的影响,从而保证了检测单元的温度检测精度及工作稳定性。最后,根据提出的温度控制精度优于1‰的性能指标,考虑到扩散/氧化工艺温度控制系统属于典型的大惯性、纯滞后系统,且被控对象难以建立精确的数学模型等特点,推导了适应此系统的温度控制算法,设置了合理的控制参数,完成了温度控制单元的制作。实验表明,该温度检测与控制系统工作稳定可靠、自动化程度高,研究和开发此系统对半导体生产企业具有十分重要的实际意义。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-16
  1.1 引言  11
  1.2 扩散/氧化工艺控制系统概述  11-13
    1.2.1 扩散/氧化工艺控制系统的发展概况  11-12
    1.2.2 目前使用的扩散/氧化工艺控制系统的组成  12-13
  1.3 扩散/氧化工艺温度控制系统的研究现状  13-14
  1.4 本课题的研究内容及重点  14-16
第2章温度检测与控制系统总体设计方案  16-20
  2.1 温度检测与控制系统的功能要求  16
  2.2 温度检测与控制系统的结构设计方案  16-18
  2.3 温度检测与控制系统硬件电路的设计方案  18
  2.4 温度检测与控制系统软件程序的设计方案  18-19
  2.5 本章小结  19-20
第3章温度检测单元硬件电路设计与实现  20-36
  3.1 温度检测单元的元件选型  20-26
    3.1.1 温度传感器的选择  20-22
    3.1.2 热电偶冷端补偿元件的选择  22-24
    3.1.3 A/D转换器的选择  24-26
  3.2 硬件电路的原理设计  26-35
    3.2.1 信号采集电路  26-29
    3.2.2 温度补偿电路  29-30
    3.2.3 A/D转换电路  30-32
    3.2.4 单片机外围电路  32-33
    3.2.5 电源电路  33-35
  3.3 电路板的制作  35
  3.4 本章小结  35-36
第4章温度检测单元软件设计与实现  36-47
  4.1 A/D转换程序设计  37-43
    4.1.1 AD7710的控制字  37-38
    4.1.2 AD7710的读写时序及读写程序  38-41
    4.1.3 A/D转换程序的调试  41-43
  4.2 温度转换程序的设计  43-45
    4.2.1 温度转换的方法  43
    4.2.2 热电偶和铂电阻传感器的非线性校正方法  43-44
    4.2.3 温度数据的修正方法  44-45
  4.3 本章小结  45-47
第5章扩散/氧化工艺系统的温度控制策略  47-58
  5.1 经典PID控制算法  47-50
    5.1.1 PID算法的数字化  47-49
    5.1.2 PID参数分析  49-50
  5.2 PID算法的改进  50-53
    5.2.1 通常采用的PID改进方法  50-53
    5.2.2 扩散/氧化工艺控制系统的温度控制算法  53
  5.3 PID控制参数的设置方法  53-57
    5.3.1 PID控制参数测试环节特性的设计  54
    5.3.2 PID控制参数设置公式的推导  54-57
  5.4 本章小结  57-58
第6章温度控制单元硬件电路和软件程序设计  58-67
  6.1 温度控制单元硬件电路的设计  58-61
  6.2 温度控制单元软件程序的设计  61-64
    6.2.1 控制部分软件程序的设计  61-63
    6.2.2 通信部分软件程序的设计  63-64
  6.3 触摸屏应用程序的设计  64-66
  6.4 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间发表的学术论文  73-74
致谢  74-75
附录  75-81
  附图1:温度检测单元原理图—1  75-76
  附图2:温度检测单元原理图—2  76-77
  附图3:温度检测单元原理图—3  77-78
  附图4:扩散炉温度检测与控制系统—结构图  78-79
  附图5:扩散炉温度检测与控制系统—输入接线图  79-80
  附图6:扩散炉温度检测与控制系统—输出接线图  80-81
  附图7:温度检测单元外部接线图  81

高精度半导体扩散/氧化工艺控制系统的研制

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