芯片生产过程中氢氟酸的控制

    摘要：在工业生产中工控机、PLC和触摸屏的应用越来越广泛，其中三者同时应用在同一个项目中也趋于普遍，尤其是在芯片生产厂家。芯片生产的每一个工艺过程的电气自动控制基本上都是由三者来实现，本文以中芯国际集成电路制造有限公司的氢氟酸生产工艺为例，结果工控机、PLC和触摸屏的应用介绍一下氢氟酸稀释的自动控制。

    1 引言

    随着科学技术的进步，芯片在人们的日常生活中越来越重要，它涉及到了人们生产、生活的各个方面。由于芯片应用的普及，使得芯片的需求大大增加，全世界几大芯片生产商纷纷扩建芯片生产线，提高生产量。由于市场竞争日益激烈，各生产商积极改造生产工艺，提高生产效率，降低生产成本，其中改购买生产消耗品为购买半成品，通过自己加工成生产用消耗品，就是典型的降低生产成本案例。

    中芯国际在扩建生产线的基础上，通过氢氟酸的稀释生产再次降低了消耗品的成本，从而增强了市场竞争力。本案介绍的就是将浓度为49%的半成品HF溶液稀释成0.98%的生产用氢氟酸溶液的自动控制系统。

    2 系统功能及构成

    系统功能：

    氢氟酸稀释的工艺是：将一定质量的49%的半成品氢氟酸溶液于一定质量的超纯水（UPW）混合，稀释成浓度为0.98%的生产用氢氟酸溶液，是通过电子称的称量，气动泵和气动阀的输送，PLC的控制，使两者在混酸罐（DILIUTION TANK）中均匀混合成浓度为0.98%的生产用氢氟酸溶液的过程。

    根据氢氟酸稀释的特殊性设计出以下控制方案。该方案是GE Fanuc PLC、Proface触摸屏。DELL工控机等产品的系统整合，该系统以触摸屏为操作终端，实现现场参数显示、设定和稀释工艺工程的动态显示，报警等；以GE Fanuc 9030系列PLC为核心控制器，实现称重控制，轮泵控制，阀、泵的开关和计数，手自动控制，条形码的扫描控制，浓度调节以及口令和批次控制等；通过Genius网络连接到中心控制室的PLC，再通过以太网连接到DELL工控机，来实现中心控制室监控。

    系统构成：

    氢氟酸的稀释工艺见（图1），整个工艺由3个相互关联且又相对独立的子系统构成，分别是混合（Dilution），输送（Transfer）和供应（Supply），他们是由17个气动阀V1-V15，4个气动泵P301A/B和P302A/B，1个存储罐，1个混酸罐，1个储藏罐和一台电子称及若干管道，传感器组成，阀和泵的动作是由PLC控制的，传感器信号直接进入PLC，电子称与PLC硬连接。
   

    控制系统构成（见图2），此控制系统分为两部分，即现场PLC控制和中控室监控系统。现场控制是由1套GE Fanuc9070 PLC和DELL工控机来实现，9070 PLC用于通讯，DELL工控机用来监控，同时他们还负责整个化学品区域的监控和统一调度管理。

    氢氟酸的自动稀释控制过程是由现场的9030 PLC来实现，从整体上控制过程可分为三部分：

    第一部分是稀释控制，即在浓度为49%的半成品氢氟酸溶液中加入超纯水UPW，稀释成浓度为0.98%的生产用的氢氟酸溶液。

    第二部分是传送控制，即将稀释好储存在Dilution tank中的0.98%氢氟酸溶液通过泵P301A或P301B直接输送到储藏罐Day tank中，已备VME（用户）使用。

    第三部分是供应控制Supply控制，即将储藏在Day tank中稀释好的0.98%HF溶液通过泵P302A或P302B供应给用户VME的过程。

    在稀释系统运行前，首先在触摸屏上预设好需要混合的目标浓度的溶液重量、浓度，以及原溶液的浓度。通过PLC计算出要加的49%的氢氟酸溶液的质量和UPW的质量，把这些数值传给电子称，再通过PLC控制Dilution tank混酸罐液体出入口气动阀的开关来控制所需液体的质量。
   
    3 控制过程及软硬件

    硬件构成：

    系统控制分中央控制室几种控制和现场本地控制两部分。

    中控室控制是通过1套PLC主站和1套工控机来实现。PLC选用美国通用电气的GE Fanuc9070系列，CPU为IC697CPX935，与上位机通讯选用以太网模块IC697CMM742，与子站通讯选用Genius通讯模块IC697BEM731。由于本案例只是中芯国际生产线扩建计划的一部分，即芯片生产工艺的化学品工艺段扩建，所以在主站PLC上给将来生产线扩建预留了子站通讯接口，氢氟酸站知识化学品工艺段其中一个子站。

    本地控制站是包括氢氟酸稀释控制站在内的所有子站。氢氟酸稀释控制站PLC选用美国通用电气的GE Fanuc 9030系列，CPU为IC693CPU363，通讯模块选用Genius通讯模块IC693BEM331,另加6块I/O模块，现场信号通过开关量输入模块IC693MDL655和模拟量输入模块IC693MDL753来控制，与中控室主站通讯是通过通讯模块IC693BEM331进行数据交换的。工艺参数的设定，现场操作及动态显示，以及报警显示均通过控制柜上的触摸屏Proface GP2501S来完成。

    本案例各PLC站之间采用GE Fanuc自己通讯网络Genius 通讯，Genius通讯设置简单，通讯稳定快捷，通讯介质采用屏蔽双绞线，接线简单，传输距离远，抗干扰能力强。本系统采用Global Data发送到总线上，主站周期性的，不间断的发送Global Data，其余子站都能接收。

    软件部分：

    软件是由系统软件，工具软件和应用软件3部分组成。系统软件采用Windows 2000 Professional；工具软件有3套分别是HMI软件，GE Fanuc的CIMPLICITY 5.0版 IC646MPP101，触摸屏开发软件ProPBwinc-Package02,；应用软件包括文件名均为HF50的上位机组态软件，PLC程序控制软件和触摸屏控制画面软件，其中PLC控制软件是氢氟酸稀释自动控制的执行部分，它由主程序和子程序组成：
   
    4 系统主要性能及特点

    （1）自动化程度高、具有手动/自动两种控制方式

    （2）具有操作员权限设置和条形码识别系统

    （3）浓度控制通过软件程序数字化模糊控制，智能调节，精度高、稳定性好，控制精度达0.001%

    （4）运行可靠，维护方便

    （5）定时轮泵功能，泵的运行次数纪录，寿命计算和报警功能

    （6）气动阀的开关计数，寿命计算和报警功能

    （7）混酸过程纪录，浓度测量纪录和混酸批次纪录功能

    （8）故障自诊断功能，并发出报警信号，现场反映到触摸屏，远端反映到中控室计算机

    4 控制器操作方法

    氢氟酸稀释自动控制系统以日本Proface触摸屏GP2501S作为控制终端，具体操作见操作手册。由于该控制系统采用了触摸屏，所以只要按照屏幕上的提示触按相关按钮，即可实现相应的控制。

    系统的手动/自动操作切换也是在触摸屏上的操作，并设有阀、泵、传感器等的屏蔽和强制功能，以便于使系统在工艺允许的特殊情况下强制运行或屏蔽某些设备。

    系统故障报警在触摸屏和上位机两地同时显示，并可在两地同时进行确认，触摸屏上的报警记录掉电不能保持，如系统掉电，报警记录只有到上位机上查询历史报警记录。

    5 经济效益和使用效果分析

    本案例由于采用人机界面、可编程控制器来实现自动控制，智能化程度得到了大幅度提高，客户在使用后基本上持肯定态度，主要有以下三个方面：

    （1）节约成本明显，由于以往购买0.98%氢氟酸的费用较高，增大了单位芯片的成本，降低了市场的竞争力，而氢氟酸稀释系统的投产大大降低了单位芯片氢氟酸的成本，节约成本显著。

    （2）生产效率得到提高，氢氟酸系统的投产在降低成本的同时也保障了由于货源因素造成的停产，间接提高了生产效率。

    （3）便于集中管理，由于智能化程度的提高，依靠远距离通讯对设备集中管理，因此，节省了大量的人力，相应的节约了人员开支。

    6 结束语

    本案例中虽然很多技术细节以及组网功能没有介绍，但是上述问题从技术层面角度讲是不存在任何问题的。该系统在很多类似生产工艺的很多场合得到了应用。

    当前PLC、触摸屏和上位计算机三者的结合应用，在很多工控场合得到广泛的应用。PLC作现场的逻辑控制和上位通讯设备，触摸屏作就地操作设备，，计算机作远程监控折本，三者各司其职，各有短长，远近兼顾，对于一个小型控制过程起到事半功倍的效果。
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