一種精密流場(chǎng)維持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅晉

(上海微電子裝備（集團(tuán)）股份有限公司，上海201203)

在半導(dǎo)體設(shè)備中，存在精密流場(chǎng)維持的應(yīng)用需求[1，2]。本文針對(duì)其中一種精密流場(chǎng)維持控制裝置開展了研究工作，包括系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、控制方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與測(cè)試驗(yàn)證等。

1 流場(chǎng)維持系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，精密流場(chǎng)維持系統(tǒng)包含軟件模塊、維持單元控制模塊、供液控制模塊、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊等。其中，維持單元控制模塊負(fù)責(zé)流場(chǎng)維持及其單元位置調(diào)節(jié)功能；供液控制模塊負(fù)責(zé)控制液體供給的通斷功能；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的二維運(yùn)動(dòng)控制；軟件模塊負(fù)責(zé)接收上層整機(jī)應(yīng)用的調(diào)用生成邏輯動(dòng)作，并根據(jù)工藝要求轉(zhuǎn)換成物理動(dòng)作，下發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。流場(chǎng)的建立過(guò)程為，軟件模塊驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)，使用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到工作位置，并調(diào)整好垂向高度；軟件模塊再驅(qū)動(dòng)流場(chǎng)維持單元運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上方合適位置；軟件模塊再驅(qū)動(dòng)供液控制模塊打開液體供給，形成流場(chǎng)，并不斷更新。在工作過(guò)程中，流場(chǎng)維持單元位置維持不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高速的二維運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)維持而不被破壞，并不斷更新。流場(chǎng)的撤銷過(guò)程為，軟件模塊驅(qū)動(dòng)供液控制模塊關(guān)閉液體供給，并抽走所有流場(chǎng)液體；軟件模塊再驅(qū)動(dòng)維持單元控制模塊，將維持單元提升到安全位置。

圖1 精密流場(chǎng)維持系統(tǒng)整體方案示意圖

精密流場(chǎng)維持系統(tǒng)被分為6層，即應(yīng)用層、邏輯層、控制層、信號(hào)流層、模擬層、物理層，如圖2所示。其中，應(yīng)用層、邏輯層均為軟件，部署在上位機(jī)中；應(yīng)用層包括測(cè)校應(yīng)用軟件、業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件等；邏輯層包括邏輯軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件層；控制層包括實(shí)現(xiàn)液體測(cè)控、維持單元測(cè)控、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制的硬件機(jī)箱和固件以及用于實(shí)現(xiàn)機(jī)箱與上位機(jī)通信的以太網(wǎng)；信號(hào)流層包括用于處理現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的控制板卡以及用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)板卡與上層機(jī)箱通信的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線；模擬層包括針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的信號(hào)調(diào)制、功率放大等環(huán)節(jié)；物理層包括布置在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、執(zhí)行器，如位移傳感器、電機(jī)、流量傳感器、控制閥等。

圖2 精密流場(chǎng)維持系統(tǒng)示意圖

2 精密流場(chǎng)測(cè)試與驗(yàn)證

本文通過(guò)上述精密流場(chǎng)維持系統(tǒng)在半導(dǎo)體設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)的建立，并通過(guò)流場(chǎng)溫度測(cè)量系統(tǒng)、流場(chǎng)壓力測(cè)量系統(tǒng)、流場(chǎng)氣泡觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)流場(chǎng)測(cè)量與驗(yàn)證。

2.1 流場(chǎng)溫度測(cè)試與驗(yàn)證

使用流場(chǎng)溫度測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，對(duì)其進(jìn)行再現(xiàn)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該測(cè)量系統(tǒng)的再現(xiàn)性優(yōu)于±1 mK。使用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)工況下、動(dòng)態(tài)工況下流場(chǎng)分別進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表1、圖4所示。

圖3 流場(chǎng)溫度測(cè)量系統(tǒng)及其再現(xiàn)性測(cè)試

圖4 動(dòng)態(tài)工況下流場(chǎng)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

表1 流場(chǎng)溫度測(cè)試結(jié)果

2.2 流場(chǎng)壓力測(cè)試與驗(yàn)證

使用流場(chǎng)壓力測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示，對(duì)其進(jìn)行再現(xiàn)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該測(cè)量系統(tǒng)的再現(xiàn)性優(yōu)于±5 Pa。使用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)工況下、動(dòng)態(tài)工況下流場(chǎng)分別進(jìn)行壓力測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表2、圖6所示。

表2 流場(chǎng)壓力測(cè)試結(jié)果

圖5 流場(chǎng)壓力測(cè)量系統(tǒng)及其再現(xiàn)性測(cè)試

圖6 動(dòng)態(tài)工況下流場(chǎng)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3 流場(chǎng)氣泡測(cè)試與驗(yàn)證

使用流場(chǎng)氣泡觀測(cè)系統(tǒng)如圖7所示，對(duì)其進(jìn)行分辨率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該測(cè)量系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于20μm。使用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)下流場(chǎng)進(jìn)行氣泡觀測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖7 流場(chǎng)氣泡觀測(cè)系統(tǒng)及其分辨率測(cè)試

圖8 流場(chǎng)氣泡觀測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備中精密流場(chǎng)維持系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括軟件模塊、維持單元控制模塊、供液控制模塊、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊等，并通過(guò)上述控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在半導(dǎo)體設(shè)備中流場(chǎng)建立、流場(chǎng)動(dòng)態(tài)維持、流場(chǎng)撤銷等功能。使用流場(chǎng)溫度測(cè)量系統(tǒng)、流場(chǎng)壓力測(cè)量系統(tǒng)、流場(chǎng)氣泡觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)流場(chǎng)測(cè)量與驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明，流場(chǎng)的溫度梯度、壓力波動(dòng)、氣泡數(shù)量等指標(biāo)達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蟆?/p>