探讨半导体蚀刻机台温湿度监控系统

武警士官学校 黎金睿 金景怡

蚀刻技术是指在半导体制造工艺中，在适宜的温、湿度环境下，利用化学溶液或者等离子体，对半导体表面选择性去除的技术。半导体蚀刻机台则是进行蚀刻工艺的设备，为其提供合适的环境。基于此，本文先探讨此类温湿度监控系统必要性，再分析目前国内外研究状况，最后对整个系统进行介绍，以供相关工作人员参考。

半导体是指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，半导体目前在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。半导体既可作为导体也可作为绝缘体，正是由于它的这种特性，使得其在芯片领域广泛应用，尤其是在电子领域高速发展的当今时代。半导体材料作为集成电路的基础材料，集成电路的快速发展离不开半导体技术发展的支持。

1 半导体蚀刻机台温湿度监控系统的必要性

在集成电路制造过程中常需要在晶圆上定义出极细微尺寸的图案，这些图案主要的形成方式，乃是藉由蚀刻技术将微影后所产生的光阻图案忠实地转印至光阻下的材质上，以形成集成电路的复杂构架。通俗的讲，蚀刻技术就是对半导体的表面选择性去除的技术，如果没有半导体蚀刻技术，将不会出现集成电路的高速发展，所以说，蚀刻技术是半导体制造中不可或缺的部分。蚀刻技术主要包含以下两种方法：

干法蚀刻，其工作原理是通过带电粒子和其他等离子体去除待蚀刻薄膜，所以要将机台的湿度控制在一定的范围内。否则，会影响产品的实用寿命，甚至会损坏半导体。

湿法蚀刻，则是利用化学溶液的反应将晶圆上未被覆盖的部分进行分解，所以反应过程中温度是影响蚀刻速度的一个关键因素，即温度越高，速度越快。然而，过高的蚀刻率会引起严重的“底切现象”，所以必须要将温度控制在适当的范围内。

无论是干法还是湿法蚀刻，在蚀刻过程中，为防止半导体原件的损坏，需要重点控制温度和湿度两个参数指标，因此，对于机台温湿度监控系统的探讨有其必要性。

2 国内外研究状况及发展趋势

当前阶段，无论是国内还是国外，半导体蚀刻机台内部环境的监控主要采用有线的模式，有线模式在数据量上、速度上和可靠性上都具有明显的优势，而且经过长时间的发展技术也相对比较成熟。以Modutek公司的旋转晶圆蚀刻系统为例，该系统温度控制的精度可以达到±1/2℃，同时还具有过温保护功能，使得对圆晶的保护发生在预防阶段。相对比，我国在整体技术上距离一些技术成熟的国家还存在着差距，尤其在控制精度和相对应的控制等方面。

但是有线模式同样存在着短板：一是传统布线方式操作比较复杂，出现设备部件更换或者移动时则需要重新布线，浪费人力资源；二是，一旦数据传输故障，需要对线路一一排查，线路故障的排除相对比较麻烦；三是虽然是对整个蚀刻机台的内部环境进行监控，但是对于数据量的要求并不是很大，传统有线模式的高宽带并不能得到充分的利用。所以当前发展的趋势是，人们希望通过一种稳定的、可靠的无线方式来取代有线方式，以稳定简单、更低的成本实现传统模式所达到的功能。

3 分析导体蚀刻机台温湿度监控系统

3.1 整体设计

监控系统主要目的是对半导体蚀刻机台的温、湿度数据进行实时监测与采集；实现单片机与上位机对全部系统的操控，对数据的接收、处理和传输，实现超限报警；通过上位机经由单片机对继电器的控制，从而使相应的装置进行不同的工作，实数据库对机台温、湿度数据的记录。

3.2 监控系统的硬件设计

半导体蚀刻机台的温湿度监控，硬件系统设计主要有以下几部分：

（1）采集终端设计。通过对市面上的传感器的筛选，综合经济性、实用性以及其他性能的考虑，系统中采用传感器DHT11这种数字传感器最佳，其内置的A/D转换模块，使得在减少用户工作量的同时，也使传感器的响应速度比较快、输出温湿度精度相对比较高。DHT11传感器实时地对模块周围的温度和湿度进行检测，并定时将所检测的温湿度信号传递给CC2530（即Zigbee终端），同时由Zigbee终端把数据上传到上位机。

（2）执行终端设计。控制半导体蚀刻机台的温度和湿度是由加热器来实现的，干法蚀刻时，机台工作腔内的湿度容易升高，当湿度过高时，通过控制加热器使机台工作腔内的湿度降低。湿法蚀刻时，过高的温度会使溶液的反应速度发生变化，一旦反应速度过快则会引起严重的“底切现象”，所以当工作腔内的温度较高时，控制加热器使腔内的温度降低。当给高电平时，三极管导通，电器继电器通电产生磁性，此时开关闭合，相应的加热器开始工作，LED灯予以指示；当给低电平时，开关闭合，现象相反。

（3）复位电路设计。为了更好的防止外界因素对单片机进行干扰导致的死机，在该系统中设计复位电路。复位电路通过对特殊寄存器中的数据进行刷新，将其更改为默认数据从而达到避免死机的目的。当按下复位电路的按键时，单片机上电，将高电平拉低为低电平，从而完成程序的复位。

（4）程序下载电路设计。程序的下载是单片机控制的重要步骤。设计中的下载电路采用TI公司提供的SmartRF04EB仿真器，该模块不仅完整的支持CC253x等多个系列的芯片，更是可以和IAR编译环境进行无缝连接，使得用户在编写程序的同时可以更方便的对程序进行调试。

（5）串口转化电路的设计。温湿度监控系统中，为实现下位机与上位机不同设备中的通信，需要采用统一的标准接口。为了更好的适应计算机设备，本系统中采用CH340将单片机串口信号转化为USB信号，以方便进行操作。CH340是一款被广泛应用的USB总线的转换芯片，该芯片能够实现USB转串口、转打印口等转换，使得更多的PC机能够摆脱RS235、RS485串口线。

3.3 监控系统的软件设计

硬件电路确定后，半导体蚀刻机台的温湿度监控系统设计的主要功能实现都将由软件的编程来完成。本系统软件的设计主要分为两部分，一是对下位机Zigbee模块、传感器、继电器等功能实现的设计，以初步完成温湿度数据的采集和传输；二是对上位机的设计，使得上传的温湿度数据得以显示、比较和保存。

（1）下位机软件功能的实现。下位机软件功能的实现主要通过主控芯片CC2530对各模块实现的控制，系统能否稳定地工作，在很大程度上依赖于软件设计。CC2530芯片是基于8051内核的，编程要由C语言来完成。本设计中网络节点中的通信采用Zigbee无线通信技术，所以软件开发是基于TI Zigbee协议栈的基础上进行编写的，采用的软件开发环境是IAR。在Zigbee的协议栈中，相对的已经对此中的MAC层到设备应用层进行了编写。所以对于CC2530芯片的编程不需要对MAC层以及其它层进行修改，只需在协调器和终端节点的设备应用层进行所需任务和事件函数的编写即可。

在一个组建好的Zigbee网络中，协调器充当着“绝对领袖”的角色，其主要负责建立网络、分配信道、允许其他节点的加入或退出的工作，因此在一个组建好的Zigbee无线网络中，协调器有且只能有一个。在温湿度监控系统中，协调器的作用则细化到无线网络的建立、接收终端节点上传的温湿度数据，并传递给上位机，同时接收其命令，再传递给终端节点。终端节点是系统功能实现的主要执行部分，终端上连接了数据采集的温湿度传感器和执行部分的继电器。终端收集到温湿度传感器所获取的温湿度数据，经由自身电路和相应程序的处理，借由射频将数据上传给协调器。同时接受协调器下达的命令，并执行相应的动作。

（2）上位机软件部分的实现。上位机在系统中主要起着人机交互的功能，在本系统中，其功能可以具体为串口参数的设置，温湿度数据的接收、处理、保存以及对单片机下达指令等功能。VB6.0作为一种可视化的程序设计语言，简单易学，兼容性较强，性能基本上满足了本系统上位机软件设计的要求。由于上位机还需要数据的保存和处理，需要数据库对本设计进行数据上的支持，所以数据的保存部分采用了Microsoft Access进行编写。在确定编程语言后，需要对上位机系统的程序流程进行设计，结构的框架流程是整个设计的大纲，是设计的基本思路。上位机程序流程框图如图1所示。

图1 上位机程序流程框图

在该上位机中，包含3个窗口分别是用户登录窗口、主界面窗口和数据库查看窗口。

本设计研究的温湿度监控系统不仅可以用于半导体蚀刻机台，也可用于其他需要温湿度监控的场合。在温湿度监控系统发展前景如此广阔的背景下，要立足生产中的实际需求进行设计研发，根据需求不断完善温湿度监控系统。