基于線(xiàn)激光的單晶爐口對(duì)中裝置研制

張宏帥 謝晴

摘 要：?jiǎn)尉t口對(duì)中裝置采用高精度線(xiàn)激光測(cè)距傳感器、標(biāo)線(xiàn)器、LED單元板、自主研發(fā)的控制模塊等，具有準(zhǔn)確測(cè)距、顯示距離和方向指示信息、WIFI上傳數(shù)據(jù)等功能，應(yīng)用于拉晶車(chē)間取棒車(chē)夾取爐內(nèi)晶棒的過(guò)程，能夠有效的解決取晶棒操作難，效率低的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：晶棒;激光測(cè)距;對(duì)中

引言

隨著國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)30多年的大力發(fā)展，我國(guó)的半導(dǎo)體行業(yè)近幾年對(duì)硅片及硅基材料的需求日益提高。由單晶硅棒制備生產(chǎn)成單晶硅片的過(guò)程中需要頻繁地在設(shè)備間進(jìn)行搬運(yùn)和夾取晶棒，制備好的晶棒需要從單晶爐中取出，現(xiàn)階段人工操作取棒車(chē)進(jìn)行取棒搬運(yùn)工作時(shí)需要依靠工作人員肉眼識(shí)別夾具是否與單晶硅棒中心對(duì)齊，這樣的取棒方法既帶來(lái)了定位誤差，又增加了人工操作的工作量，而且人為判斷失誤因素較多，造成取棒過(guò)程難度高，危險(xiǎn)大，使得整個(gè)加工過(guò)程效率低，耗時(shí)長(zhǎng)并且需要工作人員一直跟隨操作[1]。

1 設(shè)計(jì)原理

激光測(cè)距（laser distance measuring）是把激光器作為光源，配合相應(yīng)的光電元件和信號(hào)采集電路進(jìn)行測(cè)距工作，激光測(cè)距有著測(cè)量精度高、檢測(cè)時(shí)間短、不用直接接觸被測(cè)物體、測(cè)量距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到取棒車(chē)與爐門(mén)中的單晶硅棒距離較近，本裝置技術(shù)上采用三角法激光測(cè)距。三角法激光測(cè)距十分常見(jiàn)，該方法是通過(guò)對(duì)被測(cè)物體發(fā)射激光束，然后用光電探測(cè)元件接收反射光束，反射光的光斑將會(huì)隨著被測(cè)物體的移動(dòng)而移動(dòng)，由于發(fā)射光束與入射光束有一定夾角，根據(jù)三角反射原理和反射光斑的位置進(jìn)而獲得傳感器與被測(cè)物體之間的距離[2]。

2 硬件研制

硬件分為控制器、激光測(cè)距傳感器，標(biāo)線(xiàn)器、LED單元板、WIFI通訊模塊等部分，本裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

測(cè)量單元由左右兩側(cè)激光測(cè)距傳感器組成，控制單元由控制模塊、WIFI通訊模塊等組成。本裝置測(cè)量單元采用的傳感器是基于三角法激光測(cè)距原理的日本 Panasonic 公司的 HG-C1400 型激光測(cè)距傳感器。

控制單元由單片機(jī)控制電路、信號(hào)采集電路、電源電路、光耦隔離電路等部分組成。單片機(jī)控制電路選擇意法半導(dǎo)體公司的 STM32F103C8T6 微控制器作為控制芯片，該芯片內(nèi)部集成定時(shí)器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART 等多種資源，工作頻率最高為 72MHz，該芯片具有 2 個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá) 16 個(gè)輸入通道，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間最快可達(dá) 1us;信號(hào)采集電路包括傳感器內(nèi)部電路和電壓跟隨電路兩個(gè)部分，其中電壓跟隨電路的輸入阻抗高、輸出阻抗低，輸出電壓的幅度與輸入電壓的幅度基本一致，電路因前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，故有了“隔離”的效果，電壓跟隨電路的采用的芯片型號(hào)是 LM324，該芯片是單電源四路電壓跟隨器;電源電路的設(shè)計(jì)影響著硬件電路系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，本裝置采用的TPS54302 是一款輸入電壓范圍為 4.5V 至 28V 的 3A 同步降壓轉(zhuǎn)換器，該器件包含兩個(gè)集成式開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） 并且具備內(nèi)部回路補(bǔ)償和 5ms 內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，可降低組件數(shù)，通過(guò)集成 MOSFET 并采用 SOT-23 封裝，TPS54302 獲得了高功率密度，并且在印刷電路板 （PCB） 上的占用空間非常小;光耦隔離電路采用PC817芯片，PC817光電耦合器使前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

3 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

軟件設(shè)計(jì)采用 Keil Uvision5作為 STM32F103C8T6 單片機(jī)的編譯環(huán)境，通過(guò) C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了基于激光測(cè)距的爐門(mén)對(duì)中裝置的軟件設(shè)計(jì)，使用 ST-Link 仿真器進(jìn)行程序的下載和調(diào)試。本裝置的軟件設(shè)計(jì)即為單片機(jī)程序的編程開(kāi)發(fā)，由主程序和各個(gè)子程序組成，其中主程序負(fù)責(zé)調(diào)度各個(gè)子程序的運(yùn)行，子程序包括數(shù)據(jù)處理子程序、串口通訊子程序、按鍵輸入子程序、屏幕顯示子程序共四個(gè)部分。

3.1主程序設(shè)計(jì)

主程序首先包含所需要的頭文件，聲明并且定義各個(gè)變量，然后進(jìn)行初始化工作，初始化包括：串口初始化、定時(shí)器初始化、中斷管理初始化、GPIO 初始化、DMA 初始化、ADC 初始化等。串口初始化對(duì)串口通信的波特率、數(shù)據(jù)格式、有無(wú)奇偶校驗(yàn)等進(jìn)行設(shè)置;定時(shí)器初始化包括設(shè)置為定時(shí)器模式并且定義其定時(shí)時(shí)間;ADC 初始化工作包括設(shè)置 ADC 的工作模式、AD 采樣周期等;中斷管理初始化置位全局中斷允許位，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)處理;GPIO 初始化包括設(shè)置所使用引腳的輸入輸出模式、使能相關(guān)時(shí)鐘等;初始化工作完成后進(jìn)入 while（1）的循環(huán)中開(kāi)始 AD 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等。

3.2數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

本裝置通過(guò)激光測(cè)距傳感器采集距離后經(jīng)過(guò)對(duì)比兩側(cè)傳感器差值來(lái)判斷夾爪是否對(duì)準(zhǔn)晶棒中心，經(jīng)過(guò)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行中值濾波處理，以達(dá)到使數(shù)據(jù)相對(duì)平滑的目的，其次在定時(shí)器2初始化后每50ms發(fā)生一次中斷，在中斷中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值濾波即對(duì)數(shù)據(jù)的有效性先進(jìn)行判斷，第一次出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)時(shí)記錄為t1，第二次出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)時(shí)記錄為t2，完成一次對(duì)中掃描后根據(jù)前文所述爐門(mén)對(duì)中檢測(cè)原理計(jì)算得出偏差距離。

3.3顯示程序設(shè)計(jì)

LED單元板又名LED顯示屏模組，簡(jiǎn)稱(chēng)單元板，由LED發(fā)光二極管及驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)IC及塑膠套件構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，OLED屏幕需要在對(duì)中完成后得出偏差距離并且通過(guò)OLED屏幕給工作人員正確的操作提示。OLED模塊通過(guò)IIC總線(xiàn)與系統(tǒng)單片機(jī)控制電路進(jìn)行串行通訊。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本裝置經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試已經(jīng)滿(mǎn)足實(shí)際使用需求，減少了操作人員工作量，取代了操作人員依靠肉眼操作取棒車(chē)完成爐門(mén)對(duì)中取棒的方式，利用高精度激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)爐門(mén)中心的高精度測(cè)量，利用LED單元板實(shí)現(xiàn)了對(duì)操作人員的操作提示功能，本裝置大大提高了爐門(mén)對(duì)中取棒工作的效率，降低了爐門(mén)對(duì)中取棒可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本裝置采用高精度線(xiàn)激光測(cè)距傳感器、線(xiàn)激光標(biāo)線(xiàn)器、自主研發(fā)的控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和通訊模塊等，全面實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能和指標(biāo)。本裝置有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)和特點(diǎn)：

（1）采用激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)取棒車(chē)夾爪與爐門(mén)間距的高精度測(cè)量;

（2）適用于指示操作人員操作取棒車(chē)夾取8寸、6寸兩種尺寸的晶棒;

（3）標(biāo)線(xiàn)器可幫助操作人員進(jìn)行取棒車(chē)的方向調(diào)整;

（4）LED單元板簡(jiǎn)潔有效的對(duì)操作人員進(jìn)行調(diào)整提示。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓永龍.單晶爐設(shè)備的保養(yǎng)與維修[J].設(shè)備管理與維修，2020（18）：63-64.

作者簡(jiǎn)介：

張宏帥（1991—），男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：智能制造;

謝晴（1989—），女，本科，研究方向：工程管理。