毕业设计.docx

1、毕业设计本科生毕业设计（论文） 题 目 利用PLC控制半导体硅片清洗机 姓名与学号 王仁伟 50601656 指 导 教 师 王康元 年级专业小班 2006电气工程及其自动化1班 所在学院和系 电气学院 2008 年 11 月 29 日摘要目前，PLC可编程控制器作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，被广泛应用于机械制造行业，而半导体作为一种高新技术行业在近几年在中国大陆得到了长足发展，因此PLC控制的清洗机已被国外设备开发商广泛应用，目前在国内半导体的硅片清洗设备基本由国外进口，然而国外设备的高昂价格促使其国产化的趋势。而且，国内的半导体制造厂经常会面临二手设备的维修时由于找不到合适的备

2、件而必须以旧换新，从而带来了成本的大幅提高，对于一些早期的设备，原厂已没有了相关的备件支持，但中国制造厂还在使用该设备，虽然来自设备供应商的备件质量很有保证，但是价格也很高，周期经常不可控，在这种情况下，半导体设备的本土化的重要性日益凸现。清洗设备由于它配置简单，各种耐腐蚀材料可以在国内定购加工，但是，目前国内的小尺寸的设备生产厂家所用的控制很多还是采用继电器逻辑控制方式，而用继电器控制的设备在半导体清洗中会受到各种酸的腐蚀，会出现故障多，可靠性差和工作寿命短及颗粒影响等缺陷，因此本项目使用了PLC的控制方式来实现清洗机的全自动机械手动作和自动喷淋。关键词：半导体PLC半导体清洗机 Abstr

3、act:At present, PLC as an automatic controller that uses the micro-electron technology is widely used in mechanical manufacture industry, and the semiconductor a high-tech industry- has been widely developing on the Chinese mainland in recent years. PLC washer is extensively applied by foreign equip

4、ment manufactories and presently most wafer washers in semiconductor industry in China are imported from overseas, but it gradually leads to development in Chinese mainland due to the high price from the overseas. Moreover, Chinese semiconductor manufactories often face the fact that they were not a

5、ble to get decent spare parts when maintaining the second-hand equipment so that they have to replace it with new ones which results in highly cost increment. For some old equipments, the former factory has no support to the spare parts, but the manufactory in China is still using those equipments,

6、although the quality of the parts from the vendor is guaranteed, the price is very high. In such case, the localization of the semiconductor equipment promotes its importance increasingly.Because the configure of washer is simple, various anti-corruption materials can be got in the Chinese mainland.

7、 Many Chinese manufactories for small-size equipment are still using relay logic controller, but the equipment with the relay logic controller will be ruined by acid, and it will have much trouble, weak reliability, shot life time and particle problems. So, this project applies PLC to realize the au

8、tomatic operation and spraying of the washer. Key word: semiconductor PLC semiconductor washer 目 录摘要 - 1 -1. 绪论 - 4 -1.1 半导体产业 - 4 -1.2 半导体清洗设备 - 5 -1.3 PLC的发展阶段 - 5 -1.2 PLC的发展趋势 - 5 -1.3 PLC可编程控制器 - 8 -1.4 PLC系统的组成及其工作方式 - 10 -2. 硬件设计 - 11 -2.1 系统设计步骤 - 11 -2.2 PLC选型 - 12 -2.3 机台的配置 - 12 -2.3.1 机台

9、相关外观照片 - 13 -2.3.1 酸槽介绍 - 13 -2.3.1 冲水槽介绍 - 13 -3. 程序编程设计说明 - 16 -3.1 机械手动作 - 17 -3.1.1 机械手复位和手动停止 - 18 -3.1.2 正常工作做片 - 18 -3.2 冲水槽和酸槽 - 20 -3.2.1 冲水槽 - 21 -3.2.2 酸槽 - 21 -3.3 报警 - 23 -3.3.1报警部分说明 - 23 -4. 总结与展望 - 24 -参考文献 - 26 -第一章 绪论1.1 半导体产业在20世纪,社会目睹了伴随着从机械技术派生出的产品到集中电子技术产品变化的技术革命数字CD播放机取代了磁带播放机

10、,现在 车发动机也已由电子点火系统控制电子计算机几乎在社会每个方面迅速起着作用,促进资源的有效利用半导体产业已经成为这场技术革命的中心其主要建筑材料半导体是贯穿整个社会电子产品的要素,增长着的半导体市场不断要求以更低的成本获得更好的性能制造电子器件的基本半导体材料是圆形单晶薄片,称为硅片,在硅片制造厂,由硅片生的半导体产品又被称为微芯片或芯片在20世纪90年代中期,半导体产业占美国经济的27%,相比之下居民住房占14%,汽车业占4%17 当代半导体产业伴随着1947年12月16日贝尔电话实验室固态晶体管的发明而诞生,发明者是威廉.肖克利约翰.巴丁和沃尔特.布拉顿,晶体管的名字取自“跨导”和“变

11、阻器”两词,这一发现发动了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业起初是对半导体器件的研究,在1959年,由仙童半导体公司的罗伯特诺伊思和德州仪器公司的杰克基尔比分别发明了在一块集成电路上硅表面上可以制造出许多不同的半导体器件(例如晶体管二极管电阻和电容),它们被连成一个有确定芯片功能的电路，从此半导体制造开始了蓬勃发展11在中国的半导体制造业最早以台湾的代加工最为成功,台湾集成电路产业自1966年开始由后段的封装制造切入,经过了四分之一世纪的历练,其间产生了联华电子公司台湾集成电路制造公司华邦电子公司台湾光罩公司等上下游知名公司,到了1990年初期,众多厂商竞相设立六英寸硅片厂,台湾集成电路产

12、业才开始蓬勃发展起来1而随着中国大陆的政策的开放与集成电路技术的发展，半导体集成电路产业近年来正逐渐成为中国大陆资本与技术最密集的工业，产生出如：上海宏力、上海中芯国际、上海先进、杭州士兰、无锡上华、绍兴华越等众多的芯片制造厂.集成电路产来已连续近3年保持了30%的增长率，其中自1998以来先进技术的半导体制造业占产业比重越来越大，各IC制造厂竞相扩充产能，半导体制造设备市场需求规模已占全球第四位。然而目前国内半导体制造设备，几乎仰赖进口，整体缺乏自主研发与生产能力、以及可持续发展和市场核心竞争力，因此如何有效地建立国内半导体制造设备之自主研发与生产能力，已成为中国国内集成电路产业科技发展的全

13、局性和战略性的重要课题2。1.2 半导体清洗设备早期的半导体只在欧美发达国家发展特别是以美国为核心的发展基地，因此，相应的半导体设备的制造也是主要以美国为主，如美国应用材料公司、TEGAL公司、LAM RESEARCH公司等等，它们的设备占有全世界半导体设备市场的70%份额，而最早硅片制造中刻蚀工艺全部采用湿法腐蚀工艺完成。集成电路制造过程中清洗硅片表面的污染和杂质是清洗的主要目的，在制造过程中，几乎每道工序都涉及到清洗，而且集成电路的集成度越高，制造工序越多，所需的清洗工序也越多。在诸多的清洗工序中，只要其中某一工序达不到要求，则将前功尽弃，导致整批芯片的报废，所以可以毫不夸张地说，没有有效

14、的清洗技术，便没有集成电路和超大规模集成电路的今天。集成电路制造业专用清洗设备以及相应的清洗工艺技术的研究必须与集成电路技术日新月异的发展相协调。面对晶圆尺寸的不断扩大与芯片关键尺寸的不断缩小的实际情况，硅片清洗技术必须同步快速发展以满足芯片制造业对专用设备的要求。同时，新型的专用清洗设备及其相关工艺技术的研究与开发是对下一代芯片技术的高成品率和高性能特点的重要保证。各清洗设备厂家已经开始在提供面向新一代无损伤和抑制刻蚀损耗新设备、新工艺领域展开了激战22。清洗机也是随着半导体制造业同步发展。早期的清洗机都是手动操作的，它需要更多的人才能完成更多的产量。随着制造工艺线宽的不断提高，对硅片沾污的

15、要求也不断提高，因此，清洗机的自动化程度也随之提高，出现了利用单片机控制的自动冲水及自动提取花篮的全自动清洗机，由于减少了人为操作步骤且能批量生产，它的出现大大提高了硅片制造产量和产品质量。而随着PLC技术的不断成熟及其抗干扰能力强和可靠性高的特点，自动清洗机的控制用PLC来实现已被许多设备制造商所推广，目前6线以上的清洗机设备基本采用了PLC的控制。面对半导体设备技术被世界少数发达国家的设备制造商垄断的局势与中国大陆地区半导体行业及微电子产业的迅猛发展形势，国家实施了863计划，国产的硅片研磨清洗机、化学湿台，等离子清洗机、管壳封装清洗及为代表的设备已进入了半导体芯片制作和后封装全过程2。但

16、是行业内对半导体清洗设备的需求不断增加，而现有的半导体清洗技术已经无法满足需求的情况，导致大量半导体设备依靠进口。2005年中国芯片设备的采购和使用量占全球采购量的25，其中清洗设备将占到请求清洗设备市场的52。本设计正是出于减少设备的进口，利用现有公司资源，结合当前国际清洗机的趋势，利用PLC控制自动清洗机的全过程。1.3 PLC的发展阶段 可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻

17、辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段18：1、早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I

18、/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2、中期的PLC（70年代中期80年代中、后期） 在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC的功

19、能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。 3、近期的PLC（80年代中、后期至今） 进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使

20、得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。1.4 PLC的发展趋势早期的工厂自动化控制主要是以继电器回路控制占据主导地位，电气控制人员常常抱怨这种控制系统体积大、耗电多、寿命短、可靠性差以及运行速度慢等缺点，急需要一种新的控制装置来取代，所以PLC的出现是顺应时代、趋势的发展。它的出现，在技术角度大大方便了电控设计人员，软硬件设计简便，维护方便，在体积、可靠性、耗电量有很大程度的提高，从而带动成本的节约，而且可以通过计算机进行数据的传输和监控，一系列的优点使PLC很快被接受并代替继电器控制回路广泛应用于工厂自动控制中。伴随时代发展，进入21世纪崭新工业控制领域，PLC仍然能够引导自动化行业的发展，主

21、要是由于在最初其采用计算机的设计思想和适应各种现场应用，随着电子事业的飞速发展，PLC已经可以在各个领域去适应不同的客户要求。这就是PLC的生命力，具有一个非常灵活的大脑，和可以随时变化和更新的身体部件。目前，国外PLC制造商不断推出新产品。西门子最初推出S5系列，然后推出S7系列；三菱开始是F系列，FX系列，现在是A系列（A1、A2、A2X）。大趋势是功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。特别是网络，因为联网是一个大潮流。现在各种PLC都在发展自己的网络，一般从结构上有两种，一种在PLC模块上做了一个通信输出口，可以直接与计算机联接实现点对点通信（RS232联接）；另一种是通过多点

22、联接（RS485联接），这适用于多层PLC。 这方面，西门子的产品具有代表性，它具有自己的PROFIBUS协议的网络标准，现在已经被世界上绝大多数国家接受，几乎已经成为国际标准，获得广泛的应用。目前网络是一个发展趋势。网络的控制中心一般有两台计算机，通过电缆与现场的PLC站相连，每个站就放在被控设备的附近，从设备到PLC站之间的电缆很短，从PLC站到控制中心只需一根电缆线，这样成本就大大降低了19。1.5 PLC可编程控制器随着可编程序控制器（简称PLC）技术的迅速发展，PLC作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，已被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。特别是近几年，随着

23、计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了PLC的通信能力，丰富了PLC的编程软件和编程技巧，增强了PLC的过程控制能力，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用PLC。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，它的问世后发展极为迅速。到现在，世界各国一些著名的电气制造商几乎都在生产PLC装置，如美国罗克韦尔自动化公司的AB、欧洲的西门子、日本的三菱和OMRON、美国的GE等。一个可编程序控制器系统一般都具有如下特点20：1、高可靠性 （1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外

24、电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接

25、近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备非常专业的计算机知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单，维修方便PLC不需要专门

26、的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。1.6 PLC系统的组成及其工作方式 PLC一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的1、PLC的硬件结构从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体

27、。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2、PLC的软件及工作方式PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。系统程序包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等；用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。用户通过编程器或PC机写入到PLC的RAM内存中，可以修改和更新2。 本文将采用OMRON公司PLC产品，采用SYSMAC系列的C200HE产品。第二章 硬件设计2.1 系统设计步骤： 图 2-12.2 PLC选型本次设计的PLC选用OMRON的

28、控制器，具体各模块型号及参数特点如下： 电源单元为PA204240VACCPU单元为SYSMAC C200HE-CPU42 输入单元为C200H-ID212(4块)，每块输入模块最多可接15个点。 输出单元为C200H-OC224(4块)，每块输出模块最多可接7个点其中此CPU带直接输出的循环扫描和立即中断处理，程序可写容量为7.2Kmax,总共可扩展后的I/O点数为640点，定时器/计数器为512点，电源故障后可保持HR、AR、CNT、DM、EM和时钟内容，在25下电池寿命为5年，在高温环境下工作电池寿命会缩短，在电池警告指示器开始闪烁一周内要更换电池。更换电池须在取下电池后5分钟之内装好1

29、4（时间过长会导致PLC程序丢失）。2.3 机台的配置 设备为美国VERTEQ公司生产的半导体自动清洗机。机台电压等级为：208VAC，3相，30AMP，频率为50/60Hz系统经过内部交直流变换后由直流电源输出24V控制电源。总共有三个独立控制的机械手和冲水槽及酸槽。每一个单元块分别装有如下元器件：其中控制机械手的电机采用设备自带的24V直流伺服电机，每个机械手需2个伺服电机，它们分别通过继电器来控制机械臂的上下、左右的动作，机械臂中装有如下限位开关：下限位一个、上限位一个、左限位一个、右限位一个。酸槽里有两液位开关分别是中液位和上液位，酸槽的温度由外部另接一个温控器控制，有一个酸的循环泵，

30、排酸阀一个，排酸阀由电磁阀驱动气动阀而动作。冲水槽分为上下两路喷淋冲水，它是靠两个电磁阀驱动气动阀来控制水喷淋，里面装有一个水液位开关。在机台的外面装有一个时间继电器，可根据不同的工艺要求设定在酸槽停留的时间，在机台的外壳上装有一个紧急停止按钮、一个带多付常开常闭触点的启动按钮、一个排酸按钮。机台装有一个报警蜂鸣器。2.3.1 机台相关外观照片（见图2.2、图2.3）图2.2 设备整体照图2.3 1#槽2.3.2酸槽介绍清洗机中的酸槽由外槽、内槽、酸循环泵、过滤器、热交换器（又名：热水循环器）组成（见图2.4）。图2.4 酸槽工作示意图酸循环系统是清洗腐蚀效果好坏的关键部分。工作原理：当酸槽液

31、位满足要求后，运行酸循环泵，酸液从外槽被酸循环泵抽出，经过过滤器过滤，再经过热交换器回到内槽，使内槽酸液溢出回到外槽，周而复始。作用：使得酸液浓度均衡、温度恒定，清洗腐蚀速率均匀。半导体行业硅片清洗腐蚀常用酸液有：1、1#液，由氨水、双氧水、去离子水按照1:1:51:2:7体积比混合而成的。用途：去油脂、光刻残胶、金属离子、金属原子2、2#液，由盐酸、过氧化氢和去离子水按照1:1:6到1:2:8体积比混合而成。用途，去金属离子、金属原子3、3#液，浓硫酸和过氧化氢的混合液，其体积比为3:1。用途：去油、去蜡、有机物、金属离子、金属原子4、硝酸，用途：去金属离子，Na+。5、腐蚀液，由氢氟酸与去

32、离子水按照1：40体积混合而成。用途：去SiO2。2.3.3冲水槽介绍 硅片经酸槽清洗腐蚀后，必须经过冲水处理。作用：去除硅片上的残酸及表面颗粒。冲水槽所用水均为去离子水。高质量的去离子水是半导体制造工艺中最基础的条件，几乎一切清洗都离不开去离子水，本公司使用的去离子水的电阻率要求16-18M.cm，接近于理论纯水。冲水槽工作结构图见下图2.5：图2.5 冲水槽工作示意图 工作过程：硅片放入冲水后，启动冲水槽工作，上、下喷淋同时喷水，当水位达到液位传感器后，上喷淋关闭，下喷淋继续喷淋，使水溢出水槽，数秒后，下喷淋关闭，排水汽缸打开，水从排水口排出。待水排空后，关闭排水口，重复上述动作。反复数次。第三章 程序