掩模清洗机加热系统控制及故障排除

陈 卓，严剑荫

(无锡中微掩模电子有限公司，江苏无锡214035)

1 清洗机简介

掩模清洗是掩模生产过程中的重要工序，尤其对于高阶掩模，最终清洗设备更是提供客户零缺陷产品的关键设备。

Akrion清洗机由美国Akrion公司生产，是用于5～7英寸BIM及PSM掩模的去胶及最终清洗的全自动设备。此系统共设置7个清洗槽（Tank），分别承担了SPM、APM、QDR、DIO3和LuCID Dry，根据不同的工艺需求设置了相应的酸、碱、纯水、臭氧和氮气加热控制单元。整个系统采用计算机及可编程模块实现全自动监测与控制。

2 计算机及Genius I/O控制系统

Genius I/O美国GE公司的可编程控制产品（见图1）。是连接清洗机与计算机之间的一个I/O，是发送和接收总线来的信息的智能单元，用于监控清洗机工作。有以下几部分组成：通讯总线；PCIM卡；Genius I/O模块；手持监控器（HHM）。通讯总线通过三线电缆（一屏蔽线）进行数据传送，所有总线上的模块唯一编址，每个总线通道可编32个地址（0-31），共有两个通道。手持监控器（HHM）可连接到任意一个I/O模块上监控设备工作状态。清洗机的机械运动、超声清洗、臭氧等是通过计算机串口控制，本文不讨论。

整个总线串行连接最后一个模块有一个终结电阻（见图 2）。

图1 Genius I/O控制系统

图2 总线连接图

I/O模块在总线中传递一个令牌，令牌在地址0到地址31中按顺序传递，这个传递顺序叫总线扫描。

输入的模块连续的监视从它的输入设备来的数据并更新它的通讯数据。当模块拿到总线的令牌时，它会广播它所有当前的输入数据。总线控制器保存这个数据，将它转换为CPU可用的数据。没有输入的模块收到令牌时也广播一个信息，告诉总线控制器它收到了数据并处于在线状态。例如：Genius I/O模块收到来自清洗机液位传感器的一个令牌（token硫酸加液到位）将它发送给PCIM卡。

当应用程序执行时，CPU发送输出和其它的命令到总线控制器。总线控制器保存这个数据直到它收到总线令牌。接下来，它将输出数据传送到总线上的每个模块，将命令传到相应的设备。没有输出的模块也会在拿到令牌时接收到从总线控制器来的一个空信息。这使模块告诉CPU它处于在线状态，并在用来检测通讯丢失信息。例如Genius I/O模块收到CPU通过PCIM卡发来的令牌：打开加热电路或运行加热循环泵，然后执行它。

清洗机共有3种Genius I/O模块：Sink I/O模块、模拟I/O模块和RTD输入模块。加热控制电路是由Sink I/O模块控制完成的，它接受或提供一个二进制的信号，有两种状态0（0 V）,1（24 V）。例如：加热器开，关；阀打开，阀关闭；探测有液位，无液位。另外，非常重要的是Sink I/O模块是提供一个地Cmmon(-)的路径。也可以说I/O激活起作用时是接地的。

3 氮气加热控制

氮气加热系统是用于掩模产品清洗完成后将产品烘干处理。

3.1 加热仓及加热部件

高流量的高纯氮气穿过加热仓经过过滤器送到喷雾输出端。加热盒中的氮气吹扫是为了隔热保护加热仓，它的输出直接送设备排气管。3kW电阻型加热器包在不锈钢金属保护罩内用于加热超纯氮气到160℃（不可调）。热电偶1在加热仓内用于监控氮气加热温度。热电偶2在加热器体内也报告给智能温控器用于超温保护（见图 3）。

图3 氮气加热原理

3.2 加热安全控制电路

3.2.1 安全电路

它的作用是在异常情况下切断主回路电源。继电器K1控制并提供AC主回路电源，并由K2控制。安全电路监控：加热器温度、氮气泵条件、液位。如果这些条件有一个不满足，超出设定安全范围，K1将打开，切断主回路加热器的电源供给，避免不安全的事故发生，保护设备。K16和超纯氮气加热超温热电偶：如发生超温K16打开，切断主加热回路。K14和超纯氮气压力开关：压力开关在氮气供给加热器管路监控压力，一旦压力丧失压力开关打开K14,切断主加热回路。

图4 氮气加热安全电路

3.2.2 控制电路

加热控制是通过智能温度控制器完成的，加热指令通过I/O模块发出使K15闭合，通过温度控制器接收热电偶来的温度传感信号根据PID自动计算输出PID脉冲驱动固态继电器输出控制，如果没到设置温度160℃，K17无输出，I/O点为高电平，如加热温度达到了设置点，K17闭合送低电平给I/O(Heater At Temp)。

4 化学药品加热温度控制

（1）几个Tank都有不同温度的化学药品加热，加热的溶液不同，它们的工艺参数不同，温度设置也不同，不同的工艺还可随时用软件更改加热的温度。加热的温度是通过计算机PID控制经过I/O实现的（见图6）。但加热控制原理是相同的。

图5 加热控制电路

图6 加热控制原理

（2）加热脉冲的加热周期。固态继电器（SSR）通过打开或关闭触点来控制加热器的温度。Genius I/O模块发出脉冲信号反映了要加温或者保持温度。加热周期由实际的处理温度与设置点的温度和TANK的PID决定。当加热周期是100%时SSR总是闭合加热器总是开，允许不间断电流通过，得到最大输出功率。当温度上升到工艺温度附近时，加热周期降低到100%以下时使SSR打开一会儿、闭合一会儿，使得加热器开一会儿、关一会儿，这就是脉冲加热。脉冲加热使得工艺温度不会过冲设置点。当溶液温度非常接近设置点的温度时，加热脉冲周期非常低，刚好保持工艺温度。见图7。

图7 加热脉冲占空比

加热周期是脉冲方波由两个因素决定：脉冲宽度，脉冲重复率。对清洗机来说脉冲宽度是固定的，而脉冲重复率是可变的。高重复率导致高的加热脉冲周期。

（3）电流监控器（Current Monitor）或者叫电流传感器。主负载电流线穿过电流监控器时它能输出直流脉冲（24 V），正像钳表钳AC电流一样。当流过电流监控器的电流超过3 A以上时它打开，它送一个“Currentmonitor ON”信号通过I/O点（HTR-SSR-FLR)发回到清洗机的计算机。在加热周期20%以上时，计算机寻找这个信号。如果计算机没发现这ON信号，计算机输出出错信息，I/O点（HTR-TMR-STR）不使能安全电路，去掉触发安全脉冲。I/O点（HTR-ON/OFF）关掉SSR。最终停止加热。

（4）安全电路。当化学循环泵已启动并按下加热按钮时，Genius I/O模块发出：HTR-TMR-STR信号（每0.5 s发出一个接地脉冲）这是安全定时器使能信号，它使K5导通，连续触发安全定时器TMR1.而TMR1每一次被触发都延时10 s左右。如果 OT1、OT2、PSI、MA5、LEVEL SNS 都正常接地闭合，TMR1触发 K2，K2触发 K1，K1接通加热器主回路。在正常情况下连续的HTR-TMR-STR信号（每0.5 s发出一个接地脉冲）确保了主回路接通，一旦出现异常，10 s延时切断主回路，保证器件和设备安全。例如：加热温度已到设置点，脉冲加热是0%周期，此时计算机不检测电流监控器，如果此时主回路或SSR短路，则电流监控器输出为24 V电平，报告给I/O模块，I/O则关HTR-TMR-STR，关HTR-ON/OFF。立即停止加热，10 s延时切断主回路电源。

(5)各种继电器、开关、监控器等。OT1，OT2是超温监控器。PSI是化学循环泵的压力开关。泵启动时压力开关闭合。无空气压力操作泵，关加热器。MA5延时继电器，通过泵流量传感器触发。延时3～5 s，如无流动的溶液在加热管路线上，MA5不使能，关加热器。

LEVEL SNS液位传感器探测到液体，K4触发。否则，关加热器。

5 故障的排查

5.1 一般故障排查

由于加热系统有高温化学溶液及大电流的存在，维修时要注意安全，避免人身伤害。在电路排查时要充分利用Sink I/O模块特点：I/O激活起作用时是接地的。另外，也可利用手持监控器来监控I/O状态，排查故障。见表1。

表1 一般故障排查表

5.2 利用手持监控器排查

屏蔽计算机。由于加热电路中存在着电流监控器反馈电路，如果加热输出信号HTR-ON/OFF与电流监控器反馈信号HTR-SSR-FLR不一致，计算机会立即发停止加热命令，这给故障排查带来不便。电路一跳停，无从检查。屏蔽计算机即欺骗计算机。在短期内让I/O一直全功率加热，这样容易暴露问题。

在加热周期达到25%以前用手持监控器force'HTR-CRK-FLT'到逻辑“0”，这时计算机将连续驱动加热器电路，即使计算机没有探测到电流。根据电路图依次检查OT1，OT2，PSI，MA5，LEVEL SNS。然后根据表2所示方法进行检查。

6 故障排查应用实例

（1）超纯氮气加热时超温，电路跳停。首先检查安全电路各控制点、继电器，检查K15及主回路继电器K1，基本正常。在接近设置温度时检查智能温控器输出有无脉冲：有。用AC钳表检查有无间断的交流电流：连续交流，不间断。判断固态继电器触点短路，更换后正常。

（2）硫酸加热启动后立即跳停。重点检查安全电路、依次检查 OT1，OT2，PSI，MA5，LEVEL SNS、I/O模块、主回路继电器K1基本正常。用持监控器force'HTR-CRK-FLT'回路能够全功率加热。后拆下固态继电器加直流加假负载证明SSR也是好的。更改温度设置点将设置温度降低到溶液当前温度附近时监测AC电流：低加热脉冲周期时能加热，加热周期百分比稍加大马上跳停。根据上述电路及原理分析：在加热周期20%以下时计算机不检测电流监控器输入，当加热脉冲周期加大时，发现输出与反馈输入脉冲不一致所以跳停。更换电流监控器，故障排除。

（3）加热TANK跳停，时好时坏。用上述方法检测电路。发现电流监控器输出只有14 V拆掉电流监控器输出线测量I/O点仍14 V。判断：I/O模块坏。拆下分离其电子端子板与电子基板。发现端子板上一端子二极管软击穿更换后恢复。

表2 电路故障排查表

（4）某TANK的I/O模块I/O使能灯闪烁，说明回路有强制状态。

发现端子电压不对，进一步查出I/O坏。每一个TANK的I/O都有自己的CONFIGURATION（配置）在EEPROM中。如有两TANK的CONFIGURATION相同，可以拷贝复制。更换新I/O模块，先定义新模块的地址后用手持监控器拷贝CONFIG后修复。

7 结束语

本文对清洗机的原理及应用实例进行了深入浅出的分析，总结出了一些行之有效的故障解决方法，积累了宝贵的经验。希望能对同行在维修此类设备时有一定的实用价值。对快速诊断、及时修复，保证生产线的畅通，创造条件。