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，存在精密流場維持的應(yīng)用需求[1，2]。本文針對其中一種精密流場維持控制裝置開展了研究工作，包括系統(tǒng)方案設(shè)計、控制方案設(shè)計、實驗平臺搭建與測試驗證等。

1 流場維持系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示，精密流場維持系統(tǒng)包含軟件模塊、維持單元控制模塊、供液控制模塊、運動平臺控制模塊等。其中，維持單元控制模塊負(fù)責(zé)流場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；運動平臺控制模塊負(fù)責(zé)運動平臺的二維運動控制；軟件模塊負(fù)責(zé)接收上層整機應(yīng)用的調(diào)用生成邏輯動作，并根據(jù)工藝要求轉(zhuǎn)換成物理動作，下發(fā)設(shè)備驅(qū)動執(zhí)行。流場的建立過程為，軟件模塊驅(qū)動運動平臺控制系統(tǒng)，使用運動平臺運動到工作位置，并調(diào)整好垂向高度；軟件模塊再驅(qū)動流場維持單元運動到運動平臺上方合適位置；軟件模塊再驅(qū)動供液控制模塊打開液體供給，形成流場，并不斷更新。在工作過程中，流場維持單元位置維持不動，運動平臺實現(xiàn)高速的二維運動，此時流場實現(xiàn)動態(tài)維持而不被破壞，并不斷更新。流場的撤銷過程為，軟件模塊驅(qū)動供液控制模塊關(guān)閉液體供給，并抽走所有流場液體；軟件模塊再驅(qū)動維持單元控制模塊，將維持單元提升到安全位置。

圖1 精密流場維持系統(tǒng)整體方案示意圖

精密流場維持系統(tǒng)被分為6層，即應(yīng)用層、邏輯層、控制層、信號流層、模擬層、物理層，如圖2所示。其中，應(yīng)用層、邏輯層均為軟件，部署在上位機中；應(yīng)用層包括測校應(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)動軟件層；控制層包括實現(xiàn)液體測控、維持單元測控、運動平臺控制的硬件機箱和固件以及用于實現(xiàn)機箱與上位機通信的以太網(wǎng)；信號流層包括用于處理現(xiàn)場信號的控制板卡以及用于實現(xiàn)現(xiàn)場板卡與上層機箱通信的工業(yè)現(xiàn)場總線；模擬層包括針對現(xiàn)場信號的信號調(diào)制、功率放大等環(huán)節(jié)；物理層包括布置在現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器，如位移傳感器、電機、流量傳感器、控制閥等。

圖2 精密流場維持系統(tǒng)示意圖

2 精密流場測試與驗證

本文通過上述精密流場維持系統(tǒng)在半導(dǎo)體設(shè)備上實現(xiàn)了流場的建立，并通過流場溫度測量系統(tǒng)、流場壓力測量系統(tǒng)、流場氣泡觀測系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)流場測量與驗證。

2.1 流場溫度測試與驗證

使用流場溫度測量系統(tǒng)如圖3所示，對其進(jìn)行再現(xiàn)性測試，測試結(jié)果表明該測量系統(tǒng)的再現(xiàn)性優(yōu)于±1 mK。使用該測量系統(tǒng)對靜態(tài)工況下、動態(tài)工況下流場分別進(jìn)行溫度測量，測試結(jié)果如表1、圖4所示。

圖3 流場溫度測量系統(tǒng)及其再現(xiàn)性測試

圖4 動態(tài)工況下流場溫度測試數(shù)據(jù)

表1 流場溫度測試結(jié)果

2.2 流場壓力測試與驗證

使用流場壓力測量系統(tǒng)如圖5所示，對其進(jìn)行再現(xiàn)性測試，測試結(jié)果表明該測量系統(tǒng)的再現(xiàn)性優(yōu)于±5 Pa。使用該測量系統(tǒng)對靜態(tài)工況下、動態(tài)工況下流場分別進(jìn)行壓力測量，測試結(jié)果如表2、圖6所示。

表2 流場壓力測試結(jié)果

圖5 流場壓力測量系統(tǒng)及其再現(xiàn)性測試

圖6 動態(tài)工況下流場壓力測試數(shù)據(jù)

2.3 流場氣泡測試與驗證

使用流場氣泡觀測系統(tǒng)如圖7所示，對其進(jìn)行分辨率測試，測試結(jié)果表明該測量系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于20μm。使用該測量系統(tǒng)對靜態(tài)下流場進(jìn)行氣泡觀測，測試結(jié)果如圖8所示。

圖7 流場氣泡觀測系統(tǒng)及其分辨率測試

圖8 流場氣泡觀測結(jié)果

3 結(jié)束語

對半導(dǎo)體設(shè)備中精密流場維持系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，包括軟件模塊、維持單元控制模塊、供液控制模塊、運動平臺控制模塊等，并通過上述控制系統(tǒng)實現(xiàn)了在半導(dǎo)體設(shè)備中流場建立、流場動態(tài)維持、流場撤銷等功能。使用流場溫度測量系統(tǒng)、流場壓力測量系統(tǒng)、流場氣泡觀測系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)流場測量與驗證，測試結(jié)果表明，流場的溫度梯度、壓力波動、氣泡數(shù)量等指標(biāo)達(dá)到實驗?zāi)康囊蟆?/p>