【系統(tǒng)設(shè)計論文】工廠特殊氣體管理系統(tǒng)設(shè)計應(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、氣體泄露偵測器的實時運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行傳輸、處理，工程師分析數(shù)據(jù)及時掌握特殊氣體運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險。通過設(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)在市場經(jīng)濟(jì)下的競爭能力。關(guān)鍵詞：特殊氣體；外延；PLC；信息化最近三十年，我國半導(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格不斷降低，但投入成本卻持續(xù)增加。在硅外延生產(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)任何問題都會對企業(yè)造成極大損失。同時，特殊氣體一般是有毒、易腐蝕、易燃易爆等危險氣體，其管理特殊性直接關(guān)系人員安全和工廠安全。目前國內(nèi)外先進(jìn)半導(dǎo)體制造工廠大多實現(xiàn)了自動化智能化生產(chǎn)1-3。外延行業(yè)對特殊氣體的管理研究仍處在起步階段。隨著客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高，企業(yè)對安全生產(chǎn)意識不斷增強(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)在市場經(jīng)濟(jì)下的競爭能力4-5。1特殊氣體管理系統(tǒng)設(shè)計1.1功能需求分析隨著特殊氣體管控技術(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)入檢測柜實時監(jiān)測氣體品質(zhì)。檢測合格后，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器，實時探測環(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）實時監(jiān)控，動態(tài)管理特殊氣體氣柜運(yùn)行參數(shù)實時顯示，工程師在監(jiān)控界面能夠及時掌握特殊氣體供氣狀態(tài)，基于氣柜實時狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)管理。（2）雜質(zhì)檢測，品質(zhì)保證實時檢測特殊氣體中雜質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)存在品質(zhì)問題，第一時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)量問題的發(fā)生。（3）泄露探測，安全生產(chǎn)安裝特殊氣體泄露傳感器，當(dāng)監(jiān)測到環(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)，隔離危險地區(qū)，中斷生產(chǎn)工藝制程以及啟動相關(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)計項目系統(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)計系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計是整個信息化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，項目選擇面向?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、邏輯層和應(yīng)用層相分離，同時面向?qū)ο蟮目蓴U(kuò)展性和可維護(hù)性更方便工程技術(shù)人員使用。系統(tǒng)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(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)計系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。以PLC為工作核心，實時采集所有特殊氣體供氣氣柜、質(zhì)量分析儀器、特殊氣體泄露偵測器的運(yùn)行參數(shù)，通過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，同時服務(wù)器根據(jù)實際生產(chǎn)管理中不同場景的使用需求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行定制化處理，滿足不同崗位工程師對特殊氣體管理的不同要求，數(shù)據(jù)最終以報表，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)行更有針對性的管理。2功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)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高效的特殊氣體管理體系，通過采集、存儲、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有針對性的決策。為滿足企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中特殊氣體管理需求，項目設(shè)計了特氣監(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)控模塊隨著客戶對產(chǎn)品要求的不斷提高，企業(yè)對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一臺對氣柜的運(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，這種管理模式發(fā)現(xiàn)問題的及時有效性無法保障，同時勞動量極大。針對以上需求，特氣監(jiān)控模塊需要實現(xiàn)一個直觀、方便的監(jiān)控方式，使每臺特殊氣體氣柜的工作狀態(tài)都能實時的被監(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)實時監(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，工程師通過模式燈和狀態(tài)燈第一時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性的安排人員進(jìn)行維修。通過底部切換按鈕可以實現(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，對于高純氣體可作離線或在線檢測，檢測極限可達(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設(shè)置一種或多種檢測儀器，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重要因素，大多數(shù)氣體中含有微量水，水在高溫下，會使晶片、芯片發(fā)生氧化反應(yīng)，在硅晶片中生成無定形SiO2，在外延過程會起到雜質(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、趨勢顯示等功能按鈕，中間區(qū)域顯示HCL中實時水分含量，下端為狀態(tài)燈，質(zhì)量管控工程師可以設(shè)置預(yù)警和報警限，當(dāng)水分含量大于設(shè)置限時會觸發(fā)報警，通知工程師檢查維修，預(yù)防產(chǎn)品質(zhì)量問題的發(fā)生。2.3安全生產(chǎn)模塊在半導(dǎo)體晶圓工廠內(nèi)，因為工藝制程需求的不同，會使用到很多危險性氣體，一旦發(fā)生氣體泄露，不但會給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時對人體也會造成極大的傷害。在硅外延生產(chǎn)過程中，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為摻雜泄漏偵測監(jiān)控界面。一旦探測到氣體泄漏，報警監(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確定整個氣體輸送系統(tǒng)的相關(guān)互鎖動作。嚴(yán)重時緊急關(guān)閉上游所有氣源，隔離危險地區(qū)，同時會驅(qū)動中央控制室和現(xiàn)場的相關(guān)報警系統(tǒng)，中斷生產(chǎn)工藝制程以及啟動相關(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。通過實時采集供氣氣柜、質(zhì)量分析儀器、氣體泄露偵測器的運(yùn)行參數(shù)，建立統(tǒng)一規(guī)則的數(shù)據(jù)中心，工程師可以及時掌握特殊氣體供氣狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，保障產(chǎn)品質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1付春霞.半導(dǎo)體晶圓廠氣體監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計D.大連:大連理工大學(xué),2014.2彭志輝,黃其煜.半導(dǎo)體代工廠的特氣供應(yīng)系統(tǒng)探討J.半導(dǎo)體技術(shù),2005,8:38-40.3林鷹,程線.基于InTouch系統(tǒng)的毒害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計J.重慶交通學(xué)院學(xué)報,2005,24(2):138-140.4陳霖新.半導(dǎo)體生產(chǎn)用高純氣體供應(yīng)系統(tǒng)J.潔凈與空調(diào)技術(shù),2002:(4):30-35.5施洪瑞.工業(yè)氣體生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)J.中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2018,(07):20-21.6彭志輝,黃其煌.淺析半導(dǎ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