探討半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

武警士官學(xué)校 黎金睿 金景怡

蝕刻技術(shù)是指在半導(dǎo)體制造工藝中，在適宜的溫、濕度環(huán)境下，利用化學(xué)溶液或者等離子體，對(duì)半導(dǎo)體表面選擇性去除的技術(shù)。半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)則是進(jìn)行蝕刻工藝的設(shè)備，為其提供合適的環(huán)境?；诖?，本文先探討此類溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)必要性，再分析目前國(guó)內(nèi)外研究狀況，最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，以供相關(guān)工作人員參考。

半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，半導(dǎo)體目前在收音機(jī)、電視機(jī)以及測(cè)溫上有著廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體既可作為導(dǎo)體也可作為絕緣體，正是由于它的這種特性，使得其在芯片領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其是在電子領(lǐng)域高速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代。半導(dǎo)體材料作為集成電路的基礎(chǔ)材料，集成電路的快速發(fā)展離不開半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的支持。

1 半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

在集成電路制造過(guò)程中常需要在晶圓上定義出極細(xì)微尺寸的圖案，這些圖案主要的形成方式，乃是藉由蝕刻技術(shù)將微影后所產(chǎn)生的光阻圖案忠實(shí)地轉(zhuǎn)印至光阻下的材質(zhì)上，以形成集成電路的復(fù)雜構(gòu)架。通俗的講，蝕刻技術(shù)就是對(duì)半導(dǎo)體的表面選擇性去除的技術(shù)，如果沒(méi)有半導(dǎo)體蝕刻技術(shù)，將不會(huì)出現(xiàn)集成電路的高速發(fā)展，所以說(shuō)，蝕刻技術(shù)是半導(dǎo)體制造中不可或缺的部分。蝕刻技術(shù)主要包含以下兩種方法：

干法蝕刻，其工作原理是通過(guò)帶電粒子和其他等離子體去除待蝕刻薄膜，所以要將機(jī)臺(tái)的濕度控制在一定的范圍內(nèi)。否則，會(huì)影響產(chǎn)品的實(shí)用壽命，甚至?xí)p壞半導(dǎo)體。

濕法蝕刻，則是利用化學(xué)溶液的反應(yīng)將晶圓上未被覆蓋的部分進(jìn)行分解，所以反應(yīng)過(guò)程中溫度是影響蝕刻速度的一個(gè)關(guān)鍵因素，即溫度越高，速度越快。然而，過(guò)高的蝕刻率會(huì)引起嚴(yán)重的“底切現(xiàn)象”，所以必須要將溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

無(wú)論是干法還是濕法蝕刻，在蝕刻過(guò)程中，為防止半導(dǎo)體原件的損壞，需要重點(diǎn)控制溫度和濕度兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)，因此，對(duì)于機(jī)臺(tái)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的探討有其必要性。

2 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前階段，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)控主要采用有線的模式，有線模式在數(shù)據(jù)量上、速度上和可靠性上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展技術(shù)也相對(duì)比較成熟。以Modutek公司的旋轉(zhuǎn)晶圓蝕刻系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)溫度控制的精度可以達(dá)到±1/2℃，同時(shí)還具有過(guò)溫保護(hù)功能，使得對(duì)圓晶的保護(hù)發(fā)生在預(yù)防階段。相對(duì)比，我國(guó)在整體技術(shù)上距離一些技術(shù)成熟的國(guó)家還存在著差距，尤其在控制精度和相對(duì)應(yīng)的控制等方面。

但是有線模式同樣存在著短板：一是傳統(tǒng)布線方式操作比較復(fù)雜，出現(xiàn)設(shè)備部件更換或者移動(dòng)時(shí)則需要重新布線，浪費(fèi)人力資源；二是，一旦數(shù)據(jù)傳輸故障，需要對(duì)線路一一排查，線路故障的排除相對(duì)比較麻煩；三是雖然是對(duì)整個(gè)蝕刻機(jī)臺(tái)的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，但是對(duì)于數(shù)據(jù)量的要求并不是很大，傳統(tǒng)有線模式的高寬帶并不能得到充分的利用。所以當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)是，人們希望通過(guò)一種穩(wěn)定的、可靠的無(wú)線方式來(lái)取代有線方式，以穩(wěn)定簡(jiǎn)單、更低的成本實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模式所達(dá)到的功能。

3 分析導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 整體設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要目的是對(duì)半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)的溫、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集；實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)對(duì)全部系統(tǒng)的操控，對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理和傳輸，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警；通過(guò)上位機(jī)經(jīng)由單片機(jī)對(duì)繼電器的控制，從而使相應(yīng)的裝置進(jìn)行不同的工作，實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)機(jī)臺(tái)溫、濕度數(shù)據(jù)的記錄。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)的溫濕度監(jiān)控，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有以下幾部分：

（1）采集終端設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)市面上的傳感器的篩選，綜合經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性以及其他性能的考慮，系統(tǒng)中采用傳感器DHT11這種數(shù)字傳感器最佳，其內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，使得在減少用戶工作量的同時(shí)，也使傳感器的響應(yīng)速度比較快、輸出溫濕度精度相對(duì)比較高。DHT11傳感器實(shí)時(shí)地對(duì)模塊周圍的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)，并定時(shí)將所檢測(cè)的溫濕度信號(hào)傳遞給CC2530（即Zigbee終端），同時(shí)由Zigbee終端把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。

（2）執(zhí)行終端設(shè)計(jì)。控制半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)的溫度和濕度是由加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，干法蝕刻時(shí)，機(jī)臺(tái)工作腔內(nèi)的濕度容易升高，當(dāng)濕度過(guò)高時(shí)，通過(guò)控制加熱器使機(jī)臺(tái)工作腔內(nèi)的濕度降低。濕法蝕刻時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì)使溶液的反應(yīng)速度發(fā)生變化，一旦反應(yīng)速度過(guò)快則會(huì)引起嚴(yán)重的“底切現(xiàn)象”，所以當(dāng)工作腔內(nèi)的溫度較高時(shí)，控制加熱器使腔內(nèi)的溫度降低。當(dāng)給高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，電器繼電器通電產(chǎn)生磁性，此時(shí)開關(guān)閉合，相應(yīng)的加熱器開始工作，LED燈予以指示；當(dāng)給低電平時(shí)，開關(guān)閉合，現(xiàn)象相反。

（3）復(fù)位電路設(shè)計(jì)。為了更好的防止外界因素對(duì)單片機(jī)進(jìn)行干擾導(dǎo)致的死機(jī)，在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)復(fù)位電路。復(fù)位電路通過(guò)對(duì)特殊寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，將其更改為默認(rèn)數(shù)據(jù)從而達(dá)到避免死機(jī)的目的。當(dāng)按下復(fù)位電路的按鍵時(shí)，單片機(jī)上電，將高電平拉低為低電平，從而完成程序的復(fù)位。

（4）程序下載電路設(shè)計(jì)。程序的下載是單片機(jī)控制的重要步驟。設(shè)計(jì)中的下載電路采用TI公司提供的SmartRF04EB仿真器，該模塊不僅完整的支持CC253x等多個(gè)系列的芯片，更是可以和IAR編譯環(huán)境進(jìn)行無(wú)縫連接，使得用戶在編寫程序的同時(shí)可以更方便的對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。

（5）串口轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)不同設(shè)備中的通信，需要采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口。為了更好的適應(yīng)計(jì)算機(jī)設(shè)備，本系統(tǒng)中采用CH340將單片機(jī)串口信號(hào)轉(zhuǎn)化為USB信號(hào)，以方便進(jìn)行操作。CH340是一款被廣泛應(yīng)用的USB總線的轉(zhuǎn)換芯片，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、轉(zhuǎn)打印口等轉(zhuǎn)換，使得更多的PC機(jī)能夠擺脫RS235、RS485串口線。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

硬件電路確定后，半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能實(shí)現(xiàn)都將由軟件的編程來(lái)完成。本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一是對(duì)下位機(jī)Zigbee模塊、傳感器、繼電器等功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，以初步完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集和傳輸；二是對(duì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)，使得上傳的溫濕度數(shù)據(jù)得以顯示、比較和保存。

（1）下位機(jī)軟件功能的實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)軟件功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)主控芯片CC2530對(duì)各模塊實(shí)現(xiàn)的控制，系統(tǒng)能否穩(wěn)定地工作，在很大程度上依賴于軟件設(shè)計(jì)。CC2530芯片是基于8051內(nèi)核的，編程要由C語(yǔ)言來(lái)完成。本設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的通信采用Zigbee無(wú)線通信技術(shù)，所以軟件開發(fā)是基于TI Zigbee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行編寫的，采用的軟件開發(fā)環(huán)境是IAR。在Zigbee的協(xié)議棧中，相對(duì)的已經(jīng)對(duì)此中的MAC層到設(shè)備應(yīng)用層進(jìn)行了編寫。所以對(duì)于CC2530芯片的編程不需要對(duì)MAC層以及其它層進(jìn)行修改，只需在協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備應(yīng)用層進(jìn)行所需任務(wù)和事件函數(shù)的編寫即可。

在一個(gè)組建好的Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器充當(dāng)著“絕對(duì)領(lǐng)袖”的角色，其主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、分配信道、允許其他節(jié)點(diǎn)的加入或退出的工作，因此在一個(gè)組建好的Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器有且只能有一個(gè)。在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器的作用則細(xì)化到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立、接收終端節(jié)點(diǎn)上傳的溫濕度數(shù)據(jù)，并傳遞給上位機(jī)，同時(shí)接收其命令，再傳遞給終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的主要執(zhí)行部分，終端上連接了數(shù)據(jù)采集的溫濕度傳感器和執(zhí)行部分的繼電器。終端收集到溫濕度傳感器所獲取的溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)由自身電路和相應(yīng)程序的處理，借由射頻將數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器。同時(shí)接受協(xié)調(diào)器下達(dá)的命令，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（2）上位機(jī)軟件部分的實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)在系統(tǒng)中主要起著人機(jī)交互的功能，在本系統(tǒng)中，其功能可以具體為串口參數(shù)的設(shè)置，溫濕度數(shù)據(jù)的接收、處理、保存以及對(duì)單片機(jī)下達(dá)指令等功能。VB6.0作為一種可視化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)，兼容性較強(qiáng)，性能基本上滿足了本系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的要求。由于上位機(jī)還需要數(shù)據(jù)的保存和處理，需要數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)上的支持，所以數(shù)據(jù)的保存部分采用了Microsoft Access進(jìn)行編寫。在確定編程語(yǔ)言后，需要對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)的程序流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的框架流程是整個(gè)設(shè)計(jì)的大綱，是設(shè)計(jì)的基本思路。上位機(jī)程序流程框圖如圖1所示。

圖1 上位機(jī)程序流程框圖

在該上位機(jī)中，包含3個(gè)窗口分別是用戶登錄窗口、主界面窗口和數(shù)據(jù)庫(kù)查看窗口。

本設(shè)計(jì)研究的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以用于半導(dǎo)體蝕刻機(jī)臺(tái)，也可用于其他需要溫濕度監(jiān)控的場(chǎng)合。在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展前景如此廣闊的背景下，要立足生產(chǎn)中的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，根據(jù)需求不斷完善溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。