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(shí)的一個(gè)關(guān)鍵工藝就是空白晶圓" title="晶圓">晶圓的生產(chǎn)，實(shí)際上，它是一種制造成品設(shè)備的原材料。開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)并供應(yīng) MOCVD 反應(yīng)器來(lái)生產(chǎn)這些晶圓是Thomas Swan Scientific 公司的主營(yíng)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?yuàn)W難懂。對(duì)于每個(gè)待制造的晶圓（一種基片" title="基片">基片）通常是由藍(lán)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(shí)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(jiǎn)單易懂，但在生產(chǎn)設(shè)備的可靠部件中實(shí)施這些方案卻是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)是不可或缺的一部分，Thomas Swan 獨(dú)特的噴淋領(lǐng)頭式氣體噴嘴設(shè)計(jì)方案就是最好的例證。顧名思義，它看起來(lái)就像是一個(gè)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(dú)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(shí)，僅在進(jìn)入反應(yīng)器的最后時(shí)刻才混合。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)橛行怏w混合物反應(yīng)形成的固體化合物可能會(huì)堵塞其它類型的輸送系統(tǒng)。
可靈活應(yīng)對(duì)各種需求變化的控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)創(chuàng)新的工藝設(shè)計(jì)只能應(yīng)對(duì)生產(chǎn)可靠、有效的 MOCVD 反應(yīng)器過(guò)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(chǎng)需求也會(huì)不斷變化，理想的情況就是，所選用的控制系統(tǒng)必須能夠?yàn)槲磥?lái)的發(fā)展提供保證。 降低系統(tǒng)成本顯然，需要一個(gè)更好的解決方案，且在評(píng)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(tái)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(huì)使得控制系統(tǒng)費(fèi)用加倍，反而減少了近一半的費(fèi)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(qiáng)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(tái)式電腦為平臺(tái)開(kāi)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(wú)需花費(fèi)額外的費(fèi)用，這為我們系統(tǒng)的未來(lái)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(tái)裝有 TwinCAT 的工業(yè) PC 代替兩個(gè)硬 PLC。其中一個(gè)用于控制氣柜，另一個(gè)則用于控制反應(yīng)器本身。Profibus 網(wǎng)絡(luò)用來(lái)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(jī)器尺寸并不大－整機(jī)長(zhǎng)度約為 5 米，有約 160 點(diǎn)模擬量輸入和 60 點(diǎn)數(shù)字量輸入，每種輸出類型的數(shù)目大致相同。”Moorhouse 補(bǔ)充道。“因此，僅使用 Beckhoff 總線端子模塊提供遠(yuǎn)程 I/O 功能塊" title="功能塊">功能塊能夠大幅度減少布線工作量。此外，系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，我們能夠精確地組合每個(gè)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(wú)需使用昂貴的轉(zhuǎn)換器，而且我們還能夠直接使用由多個(gè)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(chǎng)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(lái)了實(shí)質(zhì)性的收益，但Thomas Swan Scientific 并不滿足于此，他們計(jì)劃要走的更遠(yuǎn)。下一步，他們將為氣柜選用一臺(tái) Beckhoff 嵌入式 PC CX1000 ，另一臺(tái)用于反應(yīng)器。它們將與一臺(tái)監(jiān)管用 PC 相連，該 PC 用于處理操作員界面、過(guò)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(lái)的項(xiàng)目另一個(gè)計(jì)劃是用 Beckhoff 的控制面板" title="控制面板">控制面板替換現(xiàn)有的模擬屏" title="模擬屏">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(dòng)也需要重現(xiàn)設(shè)計(jì)一次，而我們大部分的客戶都有不同的需求，這意味著，對(duì)于每項(xiàng)任務(wù)，我們都需要為重新設(shè)計(jì)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(jiǎn)單地修改一下軟件即可實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)很大的好處就是，與模擬屏相比，觸摸屏界面的外觀更加時(shí)尚，使用舒適，并能夠提供更多更詳細(xì)的信息。
控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的最后階段是將安全系統(tǒng)移到 Profisafe 中，這一步通過(guò)全新的 TwinSAFE 系統(tǒng)也可輕松實(shí)現(xiàn)。這樣可進(jìn)一步減少布線工作，無(wú)需使用大量昂貴的專用印制電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖。