Thomas Swan Scientific 公司總部位于英國劍橋，全球市場上 40% 的金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）反應(yīng)器都是由他們供應(yīng)的。這種設(shè)備可用于制造多種半導(dǎo)體，其市場競爭非常激烈，但Thomas Swan 堅信基于 PC 的控制系統(tǒng)才是確保公司能夠保持市場優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。
大部分的半導(dǎo)體產(chǎn)品– 例如，處理器和內(nèi)存 – 都是硅設(shè)備，而現(xiàn)在，其它很多產(chǎn)品，包括發(fā)光二極管（LED）和微波元器件，則是由其它半導(dǎo)體材料制成，比如氮化鎵和磷化銦。在使用這些特殊半導(dǎo)體材料制造產(chǎn)品時的一個關(guān)鍵工藝就是空白晶圓的生產(chǎn)，實際上，它是一種制造成品設(shè)備的原材料。開發(fā)、生產(chǎn)并供應(yīng) MOCVD 反應(yīng)器來生產(chǎn)這些晶圓是Thomas Swan Scientific 公司的主營業(yè)務(wù)，而其母公司Aixtron AG 則是全球最大的化學(xué)氣相淀積設(shè)備供應(yīng)商。
MOCVD 的工藝原理并非深奧難懂。對于每個待制造的晶圓（一種基片）通常是由藍寶石或硅制成，放置在反應(yīng)器中。然后，各種氣體 － 有些含有所需半導(dǎo)體材料 － 被吸入到反應(yīng)器室內(nèi)。如果氣體的溫度和壓力以及基片的時間 / 溫度分布能夠受到精確控制，超純半導(dǎo)體材料就能夠沉積在基片表面形成一層薄的金屬膜，然后制成成品空白晶圓。
雖然工藝原理可能簡單易懂，但在生產(chǎn)設(shè)備的可靠部件中實施這些方案卻是一個非常有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。創(chuàng)新設(shè)計是不可或缺的一部分，Thomas Swan 獨特的噴淋領(lǐng)頭式氣體噴嘴設(shè)計方案就是最好的例證。顧名思義，它看起來就像是一個老式的扁平噴嘴，表面布有很多小孔。這種噴嘴用于將氣體導(dǎo)入至反應(yīng)器，它的這種布置可確保氣體均勻分布在貼近噴嘴處的基片表面。由于該噴嘴有獨立的通道，可用于兩種氣體，因此，它也可確保在用一種以上的氣體時，僅在進入反應(yīng)器的最后時刻才混合。這一點非常重要，因為有些氣體混合物反應(yīng)形成的固體化合物可能會堵塞其它類型的輸送系統(tǒng)。
可靈活應(yīng)對各種需求變化的控制系統(tǒng)創(chuàng)新的工藝設(shè)計只能應(yīng)對生產(chǎn)可靠、有效的 MOCVD 反應(yīng)器過程中的部分挑戰(zhàn)。精確、可靠的控制也至關(guān)重要，考慮到半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展如此迅猛，其市場需求也會不斷變化，理想的情況就是，所選用的控制系統(tǒng)必須能夠為未來的發(fā)展提供保證。 降低系統(tǒng)成本顯然，需要一個更好的解決方案，且在評估完各種可能的解決方案之后，工程師們決定采用的最佳方案是：使用以TwinCAT 為平臺的 Beckhoff 基于 PC 的控制系統(tǒng)，結(jié)合使用 Beckhoff 輸入/輸出總線模塊產(chǎn)品。這樣做不僅不會使得控制系統(tǒng)費用加倍，反而減少了近一半的費用。
但成本并不是唯一的決定因素。“吸引我們選擇Beckhoff 解決方案的真正原因是其極強的靈活性。”Thomas Swan Scientific 公司的首席軟件&控制工程師 Chris Moorhouse 解釋道。“比如，我們能夠以臺式電腦為平臺開發(fā)軟件，然后將它直接移到 Beckhoff 工業(yè) PC 中，甚至還可以將它移到新一代超薄嵌入式 PC CX1000 中。Beckhoff 方案如此靈活，使得讓我們能夠輕松配置我們的控制系統(tǒng)，無需花費額外的費用，這為我們系統(tǒng)的未來發(fā)展提供了各種可能。”
Thomas Swan Scientific 的第一代 MOCVD 反應(yīng)器就是借助基于 Beckhoff 產(chǎn)品的控制系統(tǒng)制作而成，該系統(tǒng)用一臺裝有 TwinCAT 的工業(yè) PC 代替兩個硬 PLC。其中一個用于控制氣柜，另一個則用于控制反應(yīng)器本身。Profibus 網(wǎng)絡(luò)用來與分布于設(shè)備周圍的 Beckhoff 總線端子模塊通訊，這些模塊用于控制所有的輸入和輸出。
減少布線工作“雖然，我們的機器尺寸并不大－整機長度約為 5 米，有約 160 點模擬量輸入和 60 點數(shù)字量輸入，每種輸出類型的數(shù)目大致相同。”Moorhouse 補充道。“因此，僅使用 Beckhoff 總線端子模塊提供遠程 I/O 功能塊能夠大幅度減少布線工作量。此外，系統(tǒng)的另一個優(yōu)點就是，我們能夠精確地組合每個功能塊中的輸入/輸出類型。例如，現(xiàn)在我們能夠?qū)?PT100 溫度傳感器直接與系統(tǒng)相連，無需使用昂貴的轉(zhuǎn)換器，而且我們還能夠直接使用由多個儀器提供的 RS232 串行接口。最后，新的聯(lián)網(wǎng)方案也讓我們能夠更輕松地轉(zhuǎn)向使用智能現(xiàn)場設(shè)備，這樣我們就能夠使用滿足我們需求的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
全新的控制系統(tǒng)方案已為公司帶來了實質(zhì)性的收益，但Thomas Swan Scientific 并不滿足于此，他們計劃要走的更遠。下一步，他們將為氣柜選用一臺 Beckhoff 嵌入式 PC CX1000 ，另一臺用于反應(yīng)器。它們將與一臺監(jiān)管用 PC 相連，該 PC 用于處理操作員界面、過程數(shù)據(jù)記錄及診斷。這種布置能夠?qū)崿F(xiàn)氣柜和反應(yīng)器系統(tǒng)的物理分離。
未來的項目另一個計劃是用 Beckhoff 的控制面板替換現(xiàn)有的模擬屏式操作界面。“模擬屏的靈活性太差，即便只是最小的變動也需要重現(xiàn)設(shè)計一次，而我們大部分的客戶都有不同的需求，這意味著，對于每項任務(wù)，我們都需要為重新設(shè)計一次模擬屏。”Moorhouse 繼續(xù)道。“使用 Beckhoff 控制面板后，所有這一切只需簡單地修改一下軟件即可實現(xiàn)。另外一個很大的好處就是，與模擬屏相比，觸摸屏界面的外觀更加時尚，使用舒適，并能夠提供更多更詳細的信息。
控制系統(tǒng)開發(fā)的最后階段是將安全系統(tǒng)移到 Profisafe 中，這一步通過全新的 TwinSAFE 系統(tǒng)也可輕松實現(xiàn)。這樣可進一步減少布線工作，無需使用大量昂貴的專用印制電路板來實現(xiàn)安全聯(lián)鎖。
與以前使用的系統(tǒng)相比，Thomas Swan Scientific 現(xiàn)在使用的新型控制系統(tǒng)在執(zhí)行能力和性能方面大不相同了，公司的研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)從舊系統(tǒng)升級到新系統(tǒng)非常簡單。實際上，設(shè)計工作僅僅花了不到兩周的時間，包括修改控制程序和在新平臺上試運行的時間。
Beckhoff 的硬件和軟件由 Beckhoff 在英國的獨家代理商Hayes Control Systems 供應(yīng)，為Thomas Swan Scientific 提供了一個通用的控制平臺，為其市場領(lǐng)先的 MOCVD 反應(yīng)器系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供有力保障，同時，確保公司最新一代機器繼續(xù)保持優(yōu)勢，并鞏固公司的市場競爭地位。Chris Moorhouse 得出這樣一個結(jié)論：“我們借助 Beckhoff 產(chǎn)品研發(fā)的控制系統(tǒng)在性能、多功能性及實用性方面滿足并超越了我們的所有需求和期望。
“實際上，由于 Beckhoff 的解決方案取得如此大的成功，現(xiàn)在，我們的母公司也正積極考慮將他們的解決方案用到自己的設(shè)備上。如果能如所期望的那樣發(fā)展下去，Beckhoff 控制設(shè)備將很可能成為 MOCVD 反應(yīng)器系統(tǒng)真正意義上的全球標(biāo)準(zhǔn)。
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