基于单片机的硅片处理系统设计
2022-06-09
某型以国产关键设备为基础的硅模拟集成电路生产线是为了提高我国半导体材料生产设备的技术水平和集成电路设计能力的国家"九五"攻关重点课题，硅片处理系统是其关键设备之一。硅片处理系统采用了工业PC和工控级8031单片机，其中，温度的测控是硅片处理系统工艺中的重要一环，与硅片质量的好坏直接相关，在本系统中采用了欧姆龙（OMRON）温度控制器E5AX。
1系统组成结构
本系统由七个工位模块和六个机械手组成，其关系如图1所示。各个工位模块完成一定的功能，硅片由工位1开始至工位7结束即完成一次完整的工艺处理，而各工位模块之间的机械手则负责将硅片从上位模块转移到相邻的下位模块。在工位2和工位5中，还设置有温度控控器，为了降低上位机的负担和提高温度测控的可靠性，在系统中采用了OMRON温度控制器E5A×。
系统中所有工位模块和机械手均由各自所带单片机控制，各模块之间相互独立，没有信息传递，它们之间的相互协调由上位机统一调度，即由上位机根据各工位模块和机械手上传的状态信息，协调控制下位机的运行。温控器的运行也由上位机调度。整个系统上位机和下位机之间通过通信接口单元，采用点对点形式RS-232通信。
2下位机模块的设计
下位机模块采用工控级8031单片机。为了提高系统的通用性、可靠性和可维护性，单片机系统为统一的模块化设计，采用标准的STD总线结构（部分有所改动），根据不同的下位机分别接插不同的模板即可实现其功能。这种结构同时也降低了系统开发、制造的成本。温控器采用E5AX以简化设计。
2.1主控模板
为单片机基本系统模板。8031外扩一片RAM62256、一片EPROM27256和Watchdog芯片MA×705构成单片机基本系统。同时在该模板扩展有并行接口芯片8255A和定时/计数芯片8253插座，以供不同下位机模块选用，串行通信接口也由主控模板采用MAX232芯片实现。
2.2开关量输入模板
用于接收控制系统在运行时需要检测的被控模块的各种状态信息，如机械手模块的左限位右限位、前限位、后限位及真空的通断等状态信息。输入通道共有24路，全部采用TLP521-4光耦进行了光电隔离，由74LS245采集输入。
2.3功率输出模板
主要用于步进电机的控制，经光电隔离由ULN2803达林顿输出。在该模板还有达林顿驱动的继电器输出，以控制系统中的接触器、大功率继电器等。
2.4固态继电器输出模板
用于控制系统中的电磁阀，如各模块的真空阀、流体阀等。固态继电器本身带有光电隔离，且无触点、无火花，具有高的抗干扰能力。固态继电器由达林顿驱动控制。在系统中除了开关量输出控制外，每个下位模块都有步进电机，这也是系统中用的最多的控制元件。为了保证系统的可靠性并简化软件编程，采用了步进电机驱动器。工位4是整个系统的控制核心模块，也是系统中控制最为复杂的模块，速度控制又是其关键，这是因为调速的准确性和转速的均匀性直接关系到产品的质量。系统调速原理如图2所示。单片机先根据加速度给定值通过D/A转换、PWM控制、驱动直流电机进行加速度控制直至系统的速度达到给定速度值为止。待加速过程完成后，再开始进行调速控制。
速度测量的精度直接影响调速的性能。本系统采用了变周期测速法，即保证了测速的精度，又实现了测速的快速响应，测速原理如图3所示。
8253的计数器0用于记录实际测量时间，计数器1用于记录测量时间内被测转速频率信号的脉冲数，计数器2用于测量时间的定时。计数器0和1的计数初值设为65535，计数器2的常数根据测量时间和速度设置。用一片触发器74LS74构成同步控制门。测量前P1.6保持为0。测量开始后，启动计数器2开始定时，8031经控制电路发出闸门开启信号（预置闸门T）即P1.5=1、P1.6=1，但此时计数器0和1并不计数，而是经同步控制后得到同步闸门T7，即在被测转速信号的上升沿到来后，触发器74LS74翻转，Q端变为高电平1，计数器0和1才分别开始对时基信号f0和被测转速频率信号f进行计数。测速定时时间到后OUT2输出信号申请中断，8031经控制电路发出闸门关闭信号即P1.5=0，计数器0和1也不是立即停止计数，而是经同步控制即在被测转速信号的下一个上升沿到来后，触发器74LS74翻转，Q端变为低电平0才停止计数。可见，实际的闸门时间是由预置闸门T经同步后得到的同步闸门T?，闸门时间T?≠T，而是由计数器O的计数值确定的。被测转速不同，闸门时间也不同。因同步闸门和被测转速信号是严格同步的，不存在对被测信号计数的±1误差，测量的精度取决于闸门时间和时基信号，而与被测信号无关，测量精度高。E5AX是一种高性能的温度控制器，可选择外接铂电阻和热电偶，并在传感器测温范围内任意设置被控温度和上下限温度；根据控制负载的不同，配有六种输出单元控制模块以供选择；具有通/断控制和PID控制两种模式，控制周期和PlD参数可任意设置；具有两路独立的继电器型报警输出；具有本控（本地控制）和遥控（远距离通信控制）两种控制方式；具有灵活多样的通信方式。在本系统工位2和工位5的温度控制中采用了PID调节方式，E5AX和上位机采用RS一232通信。
3上位机软件的开发
本系统是在Windows工作平台下，利用面向对象的可视化编程语言VB6.0开发的。VB具有良好的图形用户界面，具有结构化的事件驱动编程模式，集成了用户用来创建、修改、测试和编译应用软件所需的一切。上位机采用了研华公司一体化工业PC工作站AWS-825PB，主机内安装有两块PCL-858八串口卡，用于与下位机通信。上位机软件包括三大部分：工艺编程模块；维护模块；联机运行模块。3.1工艺编程模块
用于系统运行前对七个工位模块的参数进行设置。工艺设置中，同一模块又是多种不同工艺参数的组合，要求可以任意插入或删除一道工艺，工艺组数是随机的。在编程中采用了数据递推的方式，很好地解决了这一问题。编程完毕的工艺参数以文件形式保存，若下次开机不更改工艺参数，不必重新设置。为了安全和保密起见，进入工艺参数编程设有密码，密码可由工艺设置人员修改。
3.2维护模块
用于对下位机各模块单步动作的测试和维护，也可用于制造中对各模块的调试。根据系统实际运行的需要，下位机不设人工干预操作装置，在安装调试和检修维护时，由维护模块程序完成操作。在编程时工位根据动作界面分类，而机械手单步动作完全一样，可将其作为一个界面处理。调试时各个界面均独占焦点，并设有防止误操作的措施。对于维护或调试中出现的故障指明故障原因，并在图片上闪烁提示故障部位，以利于操作人员排除故障。
3.3联机运行模块
联机运行模块又分为两类：干运行和湿运行。干运行用于制造、安装或维修完毕后测试整个系统的协调工作状况，湿运行即为系统的正常运行。对于两种运行方式，在运行过程中要求实时显示各下位机的工作状态，并显示系统必要的参数。上位机利用下位机的状态信息统一调度控制下位机的运行。运行中有一模块发生故障将进入预停处理（并实时显示故障部位和原因），即故障模块之前的各模块处理完处于等待状态，而故障模块之后的各模块正常运行，直至将硅片处理完毕。若故障排除，按"继续"钮就可恢复正常运行。若为永久性故障，则要等到故障下位机后各模块将硅片处理完毕，才能退出运行。这种操作方式保证了将故障造成的损失降低到最小程度。
[参考文献]
[1]万群.半导体材料浅释[M].化学工业出版社，1999.
[2]吴道悌.非电量电测技术[M].西安交通大学出版社，1990.
[3]薛钧义，张彦斌.MCS-51、96系列单片微型计算机及其应用[J].西安交通大学出版社，1990.
[4]李罡，丁莉.VisuaIBasic6.0中文版编程实例详解[J].电子工业出版社，1999.
[5]樊波，常弘.E5A×温控器的VB通信控制[M].自动化仪表，2001（11）.
1系统组成结构
本系统由七个工位模块和六个机械手组成，其关系如图1所示。各个工位模块完成一定的功能，硅片由工位1开始至工位7结束即完成一次完整的工艺处理，而各工位模块之间的机械手则负责将硅片从上位模块转移到相邻的下位模块。在工位2和工位5中，还设置有温度控控器，为了降低上位机的负担和提高温度测控的可靠性，在系统中采用了OMRON温度控制器E5A×。
系统中所有工位模块和机械手均由各自所带单片机控制，各模块之间相互独立，没有信息传递，它们之间的相互协调由上位机统一调度，即由上位机根据各工位模块和机械手上传的状态信息，协调控制下位机的运行。温控器的运行也由上位机调度。整个系统上位机和下位机之间通过通信接口单元，采用点对点形式RS-232通信。
2下位机模块的设计
下位机模块采用工控级8031单片机。为了提高系统的通用性、可靠性和可维护性，单片机系统为统一的模块化设计，采用标准的STD总线结构（部分有所改动），根据不同的下位机分别接插不同的模板即可实现其功能。这种结构同时也降低了系统开发、制造的成本。温控器采用E5AX以简化设计。
2.1主控模板
为单片机基本系统模板。8031外扩一片RAM62256、一片EPROM27256和Watchdog芯片MA×705构成单片机基本系统。同时在该模板扩展有并行接口芯片8255A和定时/计数芯片8253插座，以供不同下位机模块选用，串行通信接口也由主控模板采用MAX232芯片实现。
2.2开关量输入模板
用于接收控制系统在运行时需要检测的被控模块的各种状态信息，如机械手模块的左限位右限位、前限位、后限位及真空的通断等状态信息。输入通道共有24路，全部采用TLP521-4光耦进行了光电隔离，由74LS245采集输入。
2.3功率输出模板
主要用于步进电机的控制，经光电隔离由ULN2803达林顿输出。在该模板还有达林顿驱动的继电器输出，以控制系统中的接触器、大功率继电器等。
2.4固态继电器输出模板
用于控制系统中的电磁阀，如各模块的真空阀、流体阀等。固态继电器本身带有光电隔离，且无触点、无火花，具有高的抗干扰能力。固态继电器由达林顿驱动控制。在系统中除了开关量输出控制外，每个下位模块都有步进电机，这也是系统中用的最多的控制元件。为了保证系统的可靠性并简化软件编程，采用了步进电机驱动器。工位4是整个系统的控制核心模块，也是系统中控制最为复杂的模块，速度控制又是其关键，这是因为调速的准确性和转速的均匀性直接关系到产品的质量。系统调速原理如图2所示。单片机先根据加速度给定值通过D/A转换、PWM控制、驱动直流电机进行加速度控制直至系统的速度达到给定速度值为止。待加速过程完成后，再开始进行调速控制。
速度测量的精度直接影响调速的性能。本系统采用了变周期测速法，即保证了测速的精度，又实现了测速的快速响应，测速原理如图3所示。
8253的计数器0用于记录实际测量时间，计数器1用于记录测量时间内被测转速频率信号的脉冲数，计数器2用于测量时间的定时。计数器0和1的计数初值设为65535，计数器2的常数根据测量时间和速度设置。用一片触发器74LS74构成同步控制门。测量前P1.6保持为0。测量开始后，启动计数器2开始定时，8031经控制电路发出闸门开启信号（预置闸门T）即P1.5=1、P1.6=1，但此时计数器0和1并不计数，而是经同步控制后得到同步闸门T7，即在被测转速信号的上升沿到来后，触发器74LS74翻转，Q端变为高电平1，计数器0和1才分别开始对时基信号f0和被测转速频率信号f进行计数。测速定时时间到后OUT2输出信号申请中断，8031经控制电路发出闸门关闭信号即P1.5=0，计数器0和1也不是立即停止计数，而是经同步控制即在被测转速信号的下一个上升沿到来后，触发器74LS74翻转，Q端变为低电平0才停止计数。可见，实际的闸门时间是由预置闸门T经同步后得到的同步闸门T?，闸门时间T?≠T，而是由计数器O的计数值确定的。被测转速不同，闸门时间也不同。因同步闸门和被测转速信号是严格同步的，不存在对被测信号计数的±1误差，测量的精度取决于闸门时间和时基信号，而与被测信号无关，测量精度高。E5AX是一种高性能的温度控制器，可选择外接铂电阻和热电偶，并在传感器测温范围内任意设置被控温度和上下限温度；根据控制负载的不同，配有六种输出单元控制模块以供选择；具有通/断控制和PID控制两种模式，控制周期和PlD参数可任意设置；具有两路独立的继电器型报警输出；具有本控（本地控制）和遥控（远距离通信控制）两种控制方式；具有灵活多样的通信方式。在本系统工位2和工位5的温度控制中采用了PID调节方式，E5AX和上位机采用RS一232通信。
3上位机软件的开发
本系统是在Windows工作平台下，利用面向对象的可视化编程语言VB6.0开发的。VB具有良好的图形用户界面，具有结构化的事件驱动编程模式，集成了用户用来创建、修改、测试和编译应用软件所需的一切。上位机采用了研华公司一体化工业PC工作站AWS-825PB，主机内安装有两块PCL-858八串口卡，用于与下位机通信。上位机软件包括三大部分：工艺编程模块；维护模块；联机运行模块。3.1工艺编程模块
用于系统运行前对七个工位模块的参数进行设置。工艺设置中，同一模块又是多种不同工艺参数的组合，要求可以任意插入或删除一道工艺，工艺组数是随机的。在编程中采用了数据递推的方式，很好地解决了这一问题。编程完毕的工艺参数以文件形式保存，若下次开机不更改工艺参数，不必重新设置。为了安全和保密起见，进入工艺参数编程设有密码，密码可由工艺设置人员修改。
3.2维护模块
用于对下位机各模块单步动作的测试和维护，也可用于制造中对各模块的调试。根据系统实际运行的需要，下位机不设人工干预操作装置，在安装调试和检修维护时，由维护模块程序完成操作。在编程时工位根据动作界面分类，而机械手单步动作完全一样，可将其作为一个界面处理。调试时各个界面均独占焦点，并设有防止误操作的措施。对于维护或调试中出现的故障指明故障原因，并在图片上闪烁提示故障部位，以利于操作人员排除故障。
3.3联机运行模块
联机运行模块又分为两类：干运行和湿运行。干运行用于制造、安装或维修完毕后测试整个系统的协调工作状况，湿运行即为系统的正常运行。对于两种运行方式，在运行过程中要求实时显示各下位机的工作状态，并显示系统必要的参数。上位机利用下位机的状态信息统一调度控制下位机的运行。运行中有一模块发生故障将进入预停处理（并实时显示故障部位和原因），即故障模块之前的各模块处理完处于等待状态，而故障模块之后的各模块正常运行，直至将硅片处理完毕。若故障排除，按"继续"钮就可恢复正常运行。若为永久性故障，则要等到故障下位机后各模块将硅片处理完毕，才能退出运行。这种操作方式保证了将故障造成的损失降低到最小程度。
[参考文献]
[1]万群.半导体材料浅释[M].化学工业出版社，1999.
[2]吴道悌.非电量电测技术[M].西安交通大学出版社，1990.
[3]薛钧义，张彦斌.MCS-51、96系列单片微型计算机及其应用[J].西安交通大学出版社，1990.
[4]李罡，丁莉.VisuaIBasic6.0中文版编程实例详解[J].电子工业出版社，1999.
[5]樊波，常弘.E5A×温控器的VB通信控制[M].自动化仪表，2001（11）.