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1、【系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文】工廠特殊氣體管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用
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(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
2、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
3、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
4、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
5、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)
6、
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
7、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
8、,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
9、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瑫?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
10、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
11、在風(fēng)險(xiǎn),保障產(chǎn)品質(zhì)量。
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