芯片外延设备软件控制系统功能介绍

一、系统架构与安全管控

本系统专为MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积）设备开发，采用工业级PLC控制架 构，集成智能化人机交互界面，支持6英寸至8英寸晶圆外延工艺的全流程自动化控制。系统 设计符合ISO 14644-1 Class 5洁净室标准，满足第三代半导体材料（GaN、SiC等）外延生 长的严苛工艺要求。

 

1.1 多级安全防护体系

构建四层安全防护机制：

物理层防护：腔室多重联锁（18组压力/温度传感器联动）

操作层防护：三级权限管理（管理员/工艺工程师/操作员）

工艺层防护：21项工艺互锁条件（温度-压力-气体流量动态匹配）

应急层防护：三重急停系统（软件急停+硬件急停+机械联锁）

1.2 用户权限管理系统

采用RBAC（基于角色的访问控制）模型，支持：

4级权限划分：管理员（System Admin）、工艺工程师（Process Engineer）、设备维 护工程师（Maintenance Engineer）、操作员（Operator）

动态权限分配：支持128种功能模块的细粒度权限控制

生物特征验证：支持指纹/虹膜识别模块（可选配）

操作追溯：2000小时操作日志存储（符合FDA 21 CFR Part 11规范）

二、核心控制模块详解

2.1 智能工艺控制中心

2.1.1 多模式运行控制

全自动模式：支持500步工艺配方自动执行，时序控制精度±50ms

半自动模式：提供12个标准子流程（装载/卸载/吹扫等）

手动模式：提供专业维护接口，操作需严格遵循安全规程，并由授权人员执行 模拟模式：虚拟工艺验证功能，支持工艺预演

2.1.2 精密温度控制

双闭环控温系统：

主控回路：0.1℃分辨率，稳态精度可达±0.5℃（850-1550℃区间），满足大部 分外延工艺需求

辅助补偿：实时补偿石英管热辐射损耗（补偿率0.5-3%/min）

分段PID控制：

3段PID参数自整定（温度偏差>50℃时自动激活）

功率-温度双模式切换（最大功率30kW，斜坡速率0.1-5kW/min）

2.1.3 气体输送系统

质量流量控制器（MFC）集群：

24路气体通道（H2/Ar/N2/SiH4/TMAl等）

量程覆盖0.1sccm-500slm（MKS 1179A系列兼容）

响应时间<200ms，精度±0.8% of F.S.

智能压力平衡：

动态压力补偿算法（DynPress 3.0）

气路切换时间<0.5s（配备22个气动隔膜阀）

2.2 真空管理系统

2.2.1 多级真空配置

三级真空机组：

粗抽系统：干泵（Leybold D16A）极限真空1×10⁻² mbar

高真空系统：分子泵（Pfeiffer HiPace 700）极限真空5×10⁻⁷ mbar

维持系统：离子泵（可选配）

智能真空控制：

蝶阀分段开度控制（0-100%分10段调节）

真空度-温度耦合控制（压力波动<±3%设定值） 2.2.2 真空联锁保护

8项真空安全联锁：

腔室压力>5mbar禁止加热

分子泵转速<80%禁止开启闸阀

冷却水温>35℃触发真空保护

异常压力波动（ΔP>10mbar/s）自动停机

2.3 晶圆传输系统

6轴机械手（Brooks RT系列兼容）：

传输精度±0.1mm

最大承载量8片（6英寸晶圆）

传输腔室设计：

双缓冲腔（Buffer Chamber）

负载锁（Load Lock）快速换片

气浮传输防震设计（振动<0.5μm）

三、智能监控与诊断系统

3.1 实时监控看板

3.1.1 综合状态显示

5大类128项实时参数：

温度监控（12个测温点）

压力监控（8个真空计+6个压差传感器）

气体流量（24路MFC状态）

机械位置（34个阀门开度反馈）

能耗监控（功率/水冷/气耗）

3.1.2 可视化界面

3D动态工艺视图：

反应室热场分布模拟

气路状态彩色编码显示

晶圆传输路径动画演示

多窗口显示：

主工艺窗口（80%屏占比）

辅助参数侧边栏

报警信息浮动窗口

3.2 预测性维护系统

设备健康度评估：

关键部件寿命预测（分子泵/加热器等） 耗材使用统计（石墨件/密封圈等）

维护周期智能提醒（基于实际工况）

故障自诊断：

136种预设故障代码

故障树分析（FTA）模块

维修指导视频库（包含丰富维修案例） 四、先进工艺功能模块

 

4.1 外延工艺配方系统

工艺库管理：

支持500个工艺配方存储

版本控制（可追溯10次修改记录）

工艺模板导入/导出（CSV/XML格式）

智能工艺编辑：

阶梯式温度编程（最大99个温度台阶）

气体比例混合模式（精度±0.5%）

生长速率预测算法（基于Arrhenius方程，辅助工艺优化）

4.2 原位监测功能

集成式监测模块：

激光干涉膜厚测量（精度±0.5nm）

红外热像仪（3-5μm波段，测温范围200-1800℃）

残余气体分析（RGA，质量数1-300 amu）

闭环反馈控制：

生长速率实时调整（调整周期<10s）

界面陡度控制（实现超薄过渡层控制，优化界面陡峭性） 五、安全与可靠性设计

5.1 多重安全防护

气体安全系统：

8路气体泄漏监测（灵敏度1ppm）

应急吹扫系统（N2 purge rate >500 slm）

双重截断阀设计（电磁阀+机械阀）

热安全防护：

超温三级报警（预警/降功率/急停）

冷却水冗余系统（主备泵自动切换）

5.2 智能报警管理

报警分级处理：

Class A（立即停机）：32种重大故障

Class B（工艺暂停）：58种可恢复故障

Class C（预警提示）：46种参数偏离

报警记录系统：

2000条报警事件存储

关联参数快照（故障前30秒数据）

微信/邮件报警推送（可选配）

六、工艺技术规格与兼容性

6.1 主要技术参数

项目规格

最大生长温度 1650℃ 温度均匀性 ±1.5℃ @1550℃ 真空度范围 大气压~5×10⁻⁷ Torr 气体 通道数 24路 晶圆尺寸 6″/8″（可选） 外延层均匀性 <±2% (3σ) 系统漏率 <1×10⁻⁹ mbar·L/s

6.2 兼容性支持

材料体系：GaN、SiC、Ga2O3等

工艺类型：MOCVD、HVPE、MBE（需选配）

通讯协议：SECS/GEM、Modbus TCP/IP

数据接口：OPC UA、SQL数据库

七、软件技术功能特点概述

本软件系统是针对芯片外延设备量身打造的控制与管理平台，致力于为半导体外延工艺提供 数字化解决方案。系统采用模块化设计，集成实时监测、工艺流程管理、参数优化、报警与 安全、数据分析、日志管理、机械臂半自动操作等功能，满足研发与生产的高可靠性、高精 度需求。软件界面简洁直观，支持中英文切换与分级权限管控，助力技术人员快速上手、精 确操控，提升设备稼动率与产品良率。

• 系统架构与技术基础

分层设计：软件架构分为用户界面层（UI）、业务逻辑层（BLL）、通信层（PLC/HMI 协 议 ） 与 数 据 持 久 层 （ SQL/ 文 件 存 储 ）， 各 层 解 耦 ， 支 持 独 立 升 级 与 测 试 digiwin.com。

模块化插件：核心功能（工艺管理、实时监控、报警、安全、数据分析等）以插件形 式实现，按需加载或裁剪，便于二次开发及第三方系统（MES、LIMS、ERP）集成。

高可用设计：支持双机热备与异地备份，采用主备切换与心跳检测机制，旨在最大程 度保障系统连续运行；数据层可选分布式数据库集群，提升并发与容灾能力。

实时通信：基于Modbus TCP/RTU、Profinet、EtherCAT等协议，与PLC实现毫秒级 指令下发与反馈，结合本地缓存与断线重连，确保数据不丢失、不重复执行。

• 工艺配方管理

可视化配方编辑器：所见即所得的工艺流程图界面，支持拖拽式添加步骤与指令，所 见流程自动生成XML/JSON格式配方文件，方便版本管理与回滚。

多级审批与版本控制：配方提交后需经工艺员、质量负责人、管理员三级审批，系统 自动生成版本号、签名与变更日志；支持配方对比、差异高亮、历史回滚，满足批量

生产与研发并行需求。

参数模板与批量下发：预设多种参数模板（如氢气回填、低真空、高真空、烘烤、冷 却等），一键应用至配方；支持批量下发至多台设备，实现多机一致化生产。

• 实时监测与过程控制

多通道参数监测：实时显示温度、压力、流量、电源功率、阀门开度、机械臂状态等 多达上千路信号，支持自定义趋势曲线与仪表盘。

动态图形化界面：气路、真空、反应室示意图采用SVG/Canvas绘制，按状态自动变色 （绿色/灰色/橙色/红色），鼠标悬停显示实时数值，右键弹出控制或详情窗口，交互流 畅直观。

高精度时序控制：可编排毫秒级时序任务（如多段爬坡、保温、吹扫），结合PLC定时 器与本地软件定时器，保证工艺步骤精准执行，适应III-V、SiC等外延需求。

原位表征集成：支持RHEED、QCM、RGA、BFM等原位监测数据实时采集与展示，助 力工艺调优与在线质量控制。

• 数据记录与智能分析

连续数据记录：不间断记录所有过程数据与报警事件，按批次、配方、时间区间分表 存储，支持PB级历史数据管理。

一键报表与导出：内置多种报表模板（工艺趋势、报警统计、运行统计、产能报表 等），支持PDF/Excel/CSV导出，并可定时自动发送邮件或上传FTP。

质量控制（SPC）：基于实时数据进行统计过程控制（SPC），自动计算Cp、Cpk、Ppk 指标，超差报警并生成控制图，帮助工艺工程师及时发现漂移与异常。

大数据与AI应用：对历史数据进行机器学习建模，旨在预测设备故障、工艺漂移与良 率趋势，为工艺优化提供数据支持，助力迈向智能制造。

• 报警与安全管理

多级报警体系：区分Warning、Alarm、Critical三级报警，支持声音、弹窗、邮件、 SMS多种提醒方式，并按报警等级自动触发安全联锁。

联锁与保护：结合硬件互锁（如高真空未达标禁止升温）、软件互锁（如异常时停止机 械臂运动）、紧急停止按钮，实现全方位安全防护。

报警码库与知识库：内置数百条报警码及解决方案，支持在线搜索与一键跳转维护手 册，缩短故障定位与处理时间。

可追溯日志：所有报警与操作均记录审计日志，包含操作者、时间戳、操作内容，满 足相关质量管理体系要求。

• 机械自动化与集群工具

机械臂与传样集成：支持手动、半自动、全自动Cluster Tool模式，通过机械臂360°旋 转与线性驱动，实现多腔室间衬底转移，保证真空完整性与高产能。

多反应腔管理：可管理2~N个外延反应腔（MOCVD或MBE），共享传输腔与机械臂， 支持并行生长与预处理腔功能，提升产能与设备利用率。

模块化腔体扩展：现场可按需增配预处理腔、手动传样室、CCD成像、红外测温、手 套箱等模块，系统自动识别并加载对应控制插件。

运动监控与纠偏：机械臂运行状态（原点、运动中、报警）实时反馈；内置碰撞检测 与轨迹纠偏算法，保证转移精度与设备安全。

• 系统维护与诊断

I/O与模块健康检查：提供模拟量、数字量、串口通信器件、温控仪、电源、泵浦、阀 门等全站I/O状态自检，一键诊断硬件故障点。

PLC 程 序 在 线 监 控 ： 实 时 显 示 PLC 各 功 能 块 （ LoadLockWHCVacCtrl 、 ReactionChamberCtrl、气路控制、传送控制、温度控制等）状态，并支持在线 Force/Monitor操作。

远程运维：集成VPN/HTTPS安全通道，支持远程桌面与移动端APP监控，设备工程师 可实时查看现场状态、远程调参与升级。

维护计划与备件管理：系统可根据运行时长与报警历史自动生成维护计划提醒，并管 理备件库存、采购与更换记录，降低维护成本。

• 集成与扩展能力

标准通讯接口：支持SEMI SECS/GEM、OPC UA、MQTT等协议，方便与MES、 LIMS、ERP、SCADA等上层系统对接，实现工厂级数据互联与自动化生产。

API与脚本扩展：提供RESTful API与Python/JavaScript脚本接口，用户可按需二次开 发监控、报表、报警或工艺优化插件，满足个性化需求。

多语言与本地化：界面支持中/英切换，可定制多国语言包；时间、单位、格式可按区 域设置，适配国际化推广。

• 行业最佳实践与未来趋势

智能化升级：基于工业大数据与AI算法，旨在实现工艺自适应优化、故障预测与能耗 优化调度，助力“智能工厂”建设。

绿色节能：优化加热、真空与气路流程，减少无效吹扫与空转；结合PID自适应控制与 余热回收等技术，旨在降低能耗与碳足迹。

模块化演进：未来可支持更多在线原位表征（如光谱、成像）、柔性生产单元、数字孪 生与虚拟调试，助力外延设备向“可编程工厂”方向发展。