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摘要：湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的一种技术，本文结合升降平台，步进电机，组成了整个全自动湿法刻蚀系统。全自动“傻瓜式”刻蚀机，只需按下启动键，就可完成刻蚀并清洗芯片上残留的刻蚀液，方便操作。根据实验的目的不同，实验参数也随之改变，其中根据刻蚀沟道的深度，可以灵活调节电机的速度，平台下降的精度可以精确到1μm/min。
关键词：湿法刻蚀； 升降平台； 自动化； 微米级； 程控
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0199-03
Automatic Chip Production System Based on Cortex-M3 control
LIU Song-lin，XIANG Jian-zhen
（School of Electronic and Electrical Engineering ，Wuhan Textile University， Wuhan 430200，China）
Abstract： Wet etching is the etching material soaked in corrosive etchant conduct a technology， this paper combines lifting platform and stepper motor， that makes up the automated wet etch systems. Automatic "fool" etcher， just press the start button， you can complete on-chip etching and cleaning residual etchant， quite easy to operate. Depending on the purpose of the experiment， the experimental parameters can also be changed， which according to the depth the etching channel can be flexibly adjust .And the platform can be accurate controlled to decrease at the accuracy speed of 1μm / min.
Key words： wet etching； lifting platform； automation； micron； programmable
随着人类市场对于精细化微小化产品的需求，在芯片制作方面，湿法刻蚀在现代工艺中运用广泛，工业上运用湿法刻蚀来加工玻璃，还有通过腐蚀硅片背面以及四周的PN结，达到正面与背面绝缘的目的，同时去除背的磷硅玻璃层。湿法刻蚀可以用来加工硅片、石英材质等材质的片子，其原理是将需要刻蚀的部分裸露出来，将需要保存的地方进行掩膜处理，从而得到需要刻蚀的形状的片子。本文中湿法刻蚀对设备的要求不高，设计的生产制作方法易于掌握且容易批量生产，刻蚀的选择性好。目前现有主流的刻蚀设备上，存在较大的改进空间。因为现有设备大多数体积庞大，刻蚀工序复杂，会带来化学污染物，而且对刻蚀环境要求极高。在此大环境的基础上，本文针对目前存在的刻蚀设备的不足之处，进行了设计和制造，研发出一种比较好用的刻蚀系统。
1 系统设计方案
根据现有的湿法刻蚀设备的特点以及发展趋势，结合当今社会大环境和国际市场环境的发展趋势，本课题提出一个基于STM32F107系列，以THB7128为核心的电机驱动模块和以步进电机为核心的线性模组的“主控芯片-驱动芯片-硬件模块”三层体系结构的全自动三维结构芯片制作设备的实现方案。全自动三维结构芯片制作设备中，硬件作为基础，也是在实际操作和实验中的底层支柱部分，其中需要单独整合并开发的硬件方案中包含主要线性化组模块，步进电机，染色缸夹具模块，二位五通电磁阀和调压阀气动模块，以及整个系统的供电模块。在整个与机械部分配合的电子控制和型号发生以及驱动控制部分，包含有以STM32 107为核心的核心控制模块和扩展模块，以THB7128为核心的电机驱动模块和以2803为核心的驱动控制模块。
2 系统机械部分设计
2.1立体升降平台的分类及选择
按移动的方法不同分：固定式升降平台、移动式升降平台、液压式升降平台、曲臂式升降平台、套缸式升降平台。其中：1）固定式升降平台具有稳定性好，适用范围广等特点，在生产流水线上运用较广，方便货物不同高度差流水线上的货物传送；2）车载式升降平台是为提高升降平台的机动性，适用于厂区外的高空作业；3）液压式能够满足对作业高度有要求的应用领域，其特点是具有升降平稳，载重量大等特点，能够频繁的进行启停操作，适用性广阔；4）曲臂式平台的特点是载重量大，能够容纳多人同时作业，其平台的移动性好，作业半径广，适用领域多等特点且外型美观；5）套缸式具有高强度的材质和良好的机械性能。结合本设计，选择的是立体式升降平台为机械位移载体。
2.2 机械部分气缸选择
2.2.1 手指气缸
气动手指又名气动夹爪，夹抓的工作原理是压缩空气来工作。是一种抓取工作的执行装置。最初起源于日本，后被国内自动化企业广泛使用。根据样式通常可分为Y型夹指和平型夹指，缸径分为16mm，20mm，25mm，32mm和40MM几种，该气缸的主要作用是代替人工的部分工作，其可以有效地提高工作的安全性和提高工作的生产效率。其中SMC气动手指系列是工业领域中最常用的气动夹爪装置之一。
2.2.2 迷你直筒气缸
气缸的工作特点是将压缩气体转换成机械能进行工作的气动执行元件，具有往复摆动和往复直线两种类型。根据这一特点可以将气缸分为直线型的单作用气缸、直线型的双作用气缸、直线型的膜片式气缸和直线型的冲击型气缸。双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。其是根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。因此选择气缸时，应该对气缸的输出做一定的余量考虑，避免气缸力度不足，对后续实验造成影响。 若气缸直径选的过小，其输出力度不够，气缸不能正常工作；若气缸直径过大，不仅会使设备笨重、同时会使整体成本高，同时会导致耗气量增大，造成能源浪费。在设计夹具时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。
3 系统控制部分设计
3.1 电机选型
基于本设备负载量小，消耗低，静音，稳定的要求前提下，我们对整个系统平台的电机需要进行选型，目前市场上存在各种类型的电机，电机的驱动能力和质量也鱼龙混杂，为此，经过参考学习后，本设备的电机选择伺服电机和步进电机中的一种来实现需要达到的目标。
3.1.1伺服电机
伺服电机对速度的控制和对起始位置的控制可以达到一般电机不能达到的准确度，它可以通过对电压信号的转化达到对电机转矩和转速的控制，进而达到对所控制对象的控制。伺服电机的转子的转速受输入信号的控制，在自动控制系统中，通常被选作为动作执行元器件，其具有线性度高和时间常数小等特点，能够将其接收到的电信号转换成电机的角速度或角位移的方式进行输出。伺服电机本身不具备脉冲的发射功能，但是能够依靠脉冲来进行定位，所以每旋转一个角度，伺服电机都会发出对应数量的脉冲数。这样一来，系统能够知道发送了多少脉冲信号给伺服电机，同时又回收了多少脉冲数目回来，从而能够精确地控制伺服电机的转动，进而实现精确的定位，达到控制的目的。
3.1.2 步进电机
步进电机的运行时通过其接收到的脉冲信号来工作的，其将接收到的脉冲信号转换为角位移或线位移来工作，是一种开环控制电机件。电机的转速、启停位置只取决于脉冲信号的脉冲数和频率，且在非超载情况下，其运行不是负载的影响。步进电机接收到脉冲信号时，便开始驱动步进电机按照设定的方向转动，其转动时以电机具有的“步距脚”来计算且其运行时以固定的角度一步一步来进行的。通过控制脉冲的个数来控制电机的运行进而达到准确定位和控制的目的，同时可以通过调整脉冲频率来控制电机的加减速，进而达到调整电机运行速度的目的。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，被广泛地应用在各种自动化控制系统中。另外可以通过调整细分来驱动步进电机运行，达到精确控制的效果。本系统为了准确定位，选择双出轴的步进电机来达到控制运行目的。
3.2控制系统的设计
3.2.1 核心控制板的设计
在ST公司向市场上推广的STM32系列中，STM32F107是于互联型，其由于支持多种高性能工业标准接口使得可以轻松在工业控制，智能家居平台，医疗设备开发等领域进行应用。相较于通常用到的ARM7其时钟速度高达72MHz，内部分别集成两路ADC，DAC，含有IIS，SPI，串口等众多外设接口。此外，由于芯片在设计上的合理且含有众多便于使用的固件和方便开发者进行调试的开发工具，从而使得基于此芯片进行的开发可以方便进行调试甚至在线调试，这样在方便调试的同时也为项目的开发节省了时间。所以在本课题中选择的控制芯片为ST系列的107芯片，其设计原理图如图1所示。
图1 核心控制电路图
3.2.2 电机驱动模块的设计
本设计的电机驱动板采用了以THB7128为核心的驱动电路，如图1-2所示。THB7128芯片通常可用于对步进电机进行驱动。其内部包含驱动电机所需要的一些基本控制部分，如电流调节功能、CMOS功率放大元件和细分调节功能部分，只需要再配以简单的外围电路便可以实现对电机的驱动。该芯片适合对42、57等型号的二相或四相混合式步进电机进行驱动。在低成本、小噪声、高速度等应用设计中使用效果较好。THB7128芯片的输入信号可以采取共阳极或共阴极的接法，方便用户根据需要进行选择使用。
图2 电机控制电路及其PCB版图
3.2.3 光电限位开关模块
本系统中我选用的是欧姆龙EE-SX671光电传感器，作为限位开关，一旦线性模组的夹具正常或者非正常的失步丢步到达顶端或者底端的时候，此时触发限位开关，反馈给核心控制板一个信号，再由核心控制板给电机驱动板一个控制信号让电机停转或者反转到一个安全位置。
3.2.4精密磁旋转编码器模块
本系统中由于需要准确控制电机的旋转，尽量减少步进电机丢步和失步，所以采用了AS504可编程磁旋转编码器，作为步进电机的精确监控。在选择步进电机的时候选择双出轴的步进电机，在出轴的另一端安装了AS5045来准确测量步进电机的旋转角度。芯片引脚图和控制图如图3所示。
图3 AS5045芯片引脚和控制图
4系统功能测试
根据需要，通过调整系统的各项参数，可按不同沟道的设计要求，使基底的刻蚀面与刻蚀液的液面成一定的夹角，基底的侧表面与刻蚀液的液面成一定的夹角浸入到刻蚀液中，再通过调整输送夹具的速率，得到不同坡度的微小三维结构；同时，利用升降平台在步进电机的驱动下进行湿法刻蚀，使它变得操作简单，效率高，不需要工作人员具有丰富的刻蚀工作经验，只需掌握芯片参数，从而解放了需要花费大量时间刻蚀的人力，大大地提高了人力资源的利用率和生产效率。
5 总结
本文通过总结近年来玻璃的湿法刻蚀工艺的研究内容，可知在玻璃的深槽刻蚀工艺，玻璃刻蚀均匀性技术，超声波技术在刻蚀中的应用这方面已经较为成熟，但是在缓慢下降腐蚀的应用方面还存在一定缺陷，刻蚀深度和结构会出现不均匀或者不符合预想情况，所以本系统着重介绍了如何通过简单的技术手段来实现这一工艺。 参考文献：
[1] Suliz B N.Operation of a step motor.[J].Russian Engineering Research，2013，33：649-650.
[2] Lebedev V P， Smirnov K A， Chirkov V V.A decatron indicator for a micromanipulator powered by a step motor.[J].Bulletin of Experimental Biology and Medicine，1973（75）：342-344.
[3] Siddique A，Cho S， Ahn B， Kim C.Ultrasonic manipulation of magnetic particles in a microfluidic channel.[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2014（15）：1411-1416.
[4] Klyukanov A A， Senokosov E A， Sorochan V V，et al.X-Y photoelectric sensors based on homogeneous conducting semiconductor films.[J].Technical Physics，2003（48）：644-646.
[5] Kudryavtsev I A， Logvinov L M，Pominov V，et al.Method for raising the particle concentration detection limit for photoelectric sensors[J].Measurement Techniques，1997（40）：1017-1020.
[6] Du L， Ding Y， Prokop A， Tanner R.Measurement of bubble size distribution in protein foam fractionation column using capillary probe with photoelectric sensors.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2001，91-93：387-404.
[7] Vladisavljevic G T， Kobayashi T， Nakajima M.Production of uniform droplets using membrane， microchannel and microfluidic emulsification devices[J].Microfluidics and Nanofluidics，2012（13）：151-178.
[8] Kim R， Joo S， Jung H， et al.Recent trends in microelectrode array technology for in vitro neural interface platform.[J].Biomedical Engineering Letters，2014（4）：129-141.
关键词：湿法刻蚀； 升降平台； 自动化； 微米级； 程控
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0199-03
Automatic Chip Production System Based on Cortex-M3 control
LIU Song-lin，XIANG Jian-zhen
（School of Electronic and Electrical Engineering ，Wuhan Textile University， Wuhan 430200，China）
Abstract： Wet etching is the etching material soaked in corrosive etchant conduct a technology， this paper combines lifting platform and stepper motor， that makes up the automated wet etch systems. Automatic "fool" etcher， just press the start button， you can complete on-chip etching and cleaning residual etchant， quite easy to operate. Depending on the purpose of the experiment， the experimental parameters can also be changed， which according to the depth the etching channel can be flexibly adjust .And the platform can be accurate controlled to decrease at the accuracy speed of 1μm / min.
Key words： wet etching； lifting platform； automation； micron； programmable
随着人类市场对于精细化微小化产品的需求，在芯片制作方面，湿法刻蚀在现代工艺中运用广泛，工业上运用湿法刻蚀来加工玻璃，还有通过腐蚀硅片背面以及四周的PN结，达到正面与背面绝缘的目的，同时去除背的磷硅玻璃层。湿法刻蚀可以用来加工硅片、石英材质等材质的片子，其原理是将需要刻蚀的部分裸露出来，将需要保存的地方进行掩膜处理，从而得到需要刻蚀的形状的片子。本文中湿法刻蚀对设备的要求不高，设计的生产制作方法易于掌握且容易批量生产，刻蚀的选择性好。目前现有主流的刻蚀设备上，存在较大的改进空间。因为现有设备大多数体积庞大，刻蚀工序复杂，会带来化学污染物，而且对刻蚀环境要求极高。在此大环境的基础上，本文针对目前存在的刻蚀设备的不足之处，进行了设计和制造，研发出一种比较好用的刻蚀系统。
1 系统设计方案
根据现有的湿法刻蚀设备的特点以及发展趋势，结合当今社会大环境和国际市场环境的发展趋势，本课题提出一个基于STM32F107系列，以THB7128为核心的电机驱动模块和以步进电机为核心的线性模组的“主控芯片-驱动芯片-硬件模块”三层体系结构的全自动三维结构芯片制作设备的实现方案。全自动三维结构芯片制作设备中，硬件作为基础，也是在实际操作和实验中的底层支柱部分，其中需要单独整合并开发的硬件方案中包含主要线性化组模块，步进电机，染色缸夹具模块，二位五通电磁阀和调压阀气动模块，以及整个系统的供电模块。在整个与机械部分配合的电子控制和型号发生以及驱动控制部分，包含有以STM32 107为核心的核心控制模块和扩展模块，以THB7128为核心的电机驱动模块和以2803为核心的驱动控制模块。
2 系统机械部分设计
2.1立体升降平台的分类及选择
按移动的方法不同分：固定式升降平台、移动式升降平台、液压式升降平台、曲臂式升降平台、套缸式升降平台。其中：1）固定式升降平台具有稳定性好，适用范围广等特点，在生产流水线上运用较广，方便货物不同高度差流水线上的货物传送；2）车载式升降平台是为提高升降平台的机动性，适用于厂区外的高空作业；3）液压式能够满足对作业高度有要求的应用领域，其特点是具有升降平稳，载重量大等特点，能够频繁的进行启停操作，适用性广阔；4）曲臂式平台的特点是载重量大，能够容纳多人同时作业，其平台的移动性好，作业半径广，适用领域多等特点且外型美观；5）套缸式具有高强度的材质和良好的机械性能。结合本设计，选择的是立体式升降平台为机械位移载体。
2.2 机械部分气缸选择
2.2.1 手指气缸
气动手指又名气动夹爪，夹抓的工作原理是压缩空气来工作。是一种抓取工作的执行装置。最初起源于日本，后被国内自动化企业广泛使用。根据样式通常可分为Y型夹指和平型夹指，缸径分为16mm，20mm，25mm，32mm和40MM几种，该气缸的主要作用是代替人工的部分工作，其可以有效地提高工作的安全性和提高工作的生产效率。其中SMC气动手指系列是工业领域中最常用的气动夹爪装置之一。
2.2.2 迷你直筒气缸
气缸的工作特点是将压缩气体转换成机械能进行工作的气动执行元件，具有往复摆动和往复直线两种类型。根据这一特点可以将气缸分为直线型的单作用气缸、直线型的双作用气缸、直线型的膜片式气缸和直线型的冲击型气缸。双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。其是根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。因此选择气缸时，应该对气缸的输出做一定的余量考虑，避免气缸力度不足，对后续实验造成影响。 若气缸直径选的过小，其输出力度不够，气缸不能正常工作；若气缸直径过大，不仅会使设备笨重、同时会使整体成本高，同时会导致耗气量增大，造成能源浪费。在设计夹具时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。
3 系统控制部分设计
3.1 电机选型
基于本设备负载量小，消耗低，静音，稳定的要求前提下，我们对整个系统平台的电机需要进行选型，目前市场上存在各种类型的电机，电机的驱动能力和质量也鱼龙混杂，为此，经过参考学习后，本设备的电机选择伺服电机和步进电机中的一种来实现需要达到的目标。
3.1.1伺服电机
伺服电机对速度的控制和对起始位置的控制可以达到一般电机不能达到的准确度，它可以通过对电压信号的转化达到对电机转矩和转速的控制，进而达到对所控制对象的控制。伺服电机的转子的转速受输入信号的控制，在自动控制系统中，通常被选作为动作执行元器件，其具有线性度高和时间常数小等特点，能够将其接收到的电信号转换成电机的角速度或角位移的方式进行输出。伺服电机本身不具备脉冲的发射功能，但是能够依靠脉冲来进行定位，所以每旋转一个角度，伺服电机都会发出对应数量的脉冲数。这样一来，系统能够知道发送了多少脉冲信号给伺服电机，同时又回收了多少脉冲数目回来，从而能够精确地控制伺服电机的转动，进而实现精确的定位，达到控制的目的。
3.1.2 步进电机
步进电机的运行时通过其接收到的脉冲信号来工作的，其将接收到的脉冲信号转换为角位移或线位移来工作，是一种开环控制电机件。电机的转速、启停位置只取决于脉冲信号的脉冲数和频率，且在非超载情况下，其运行不是负载的影响。步进电机接收到脉冲信号时，便开始驱动步进电机按照设定的方向转动，其转动时以电机具有的“步距脚”来计算且其运行时以固定的角度一步一步来进行的。通过控制脉冲的个数来控制电机的运行进而达到准确定位和控制的目的，同时可以通过调整脉冲频率来控制电机的加减速，进而达到调整电机运行速度的目的。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，被广泛地应用在各种自动化控制系统中。另外可以通过调整细分来驱动步进电机运行，达到精确控制的效果。本系统为了准确定位，选择双出轴的步进电机来达到控制运行目的。
3.2控制系统的设计
3.2.1 核心控制板的设计
在ST公司向市场上推广的STM32系列中，STM32F107是于互联型，其由于支持多种高性能工业标准接口使得可以轻松在工业控制，智能家居平台，医疗设备开发等领域进行应用。相较于通常用到的ARM7其时钟速度高达72MHz，内部分别集成两路ADC，DAC，含有IIS，SPI，串口等众多外设接口。此外，由于芯片在设计上的合理且含有众多便于使用的固件和方便开发者进行调试的开发工具，从而使得基于此芯片进行的开发可以方便进行调试甚至在线调试，这样在方便调试的同时也为项目的开发节省了时间。所以在本课题中选择的控制芯片为ST系列的107芯片，其设计原理图如图1所示。
图1 核心控制电路图
3.2.2 电机驱动模块的设计
本设计的电机驱动板采用了以THB7128为核心的驱动电路，如图1-2所示。THB7128芯片通常可用于对步进电机进行驱动。其内部包含驱动电机所需要的一些基本控制部分，如电流调节功能、CMOS功率放大元件和细分调节功能部分，只需要再配以简单的外围电路便可以实现对电机的驱动。该芯片适合对42、57等型号的二相或四相混合式步进电机进行驱动。在低成本、小噪声、高速度等应用设计中使用效果较好。THB7128芯片的输入信号可以采取共阳极或共阴极的接法，方便用户根据需要进行选择使用。
图2 电机控制电路及其PCB版图
3.2.3 光电限位开关模块
本系统中我选用的是欧姆龙EE-SX671光电传感器，作为限位开关，一旦线性模组的夹具正常或者非正常的失步丢步到达顶端或者底端的时候，此时触发限位开关，反馈给核心控制板一个信号，再由核心控制板给电机驱动板一个控制信号让电机停转或者反转到一个安全位置。
3.2.4精密磁旋转编码器模块
本系统中由于需要准确控制电机的旋转，尽量减少步进电机丢步和失步，所以采用了AS504可编程磁旋转编码器，作为步进电机的精确监控。在选择步进电机的时候选择双出轴的步进电机，在出轴的另一端安装了AS5045来准确测量步进电机的旋转角度。芯片引脚图和控制图如图3所示。
图3 AS5045芯片引脚和控制图
4系统功能测试
根据需要，通过调整系统的各项参数，可按不同沟道的设计要求，使基底的刻蚀面与刻蚀液的液面成一定的夹角，基底的侧表面与刻蚀液的液面成一定的夹角浸入到刻蚀液中，再通过调整输送夹具的速率，得到不同坡度的微小三维结构；同时，利用升降平台在步进电机的驱动下进行湿法刻蚀，使它变得操作简单，效率高，不需要工作人员具有丰富的刻蚀工作经验，只需掌握芯片参数，从而解放了需要花费大量时间刻蚀的人力，大大地提高了人力资源的利用率和生产效率。
5 总结
本文通过总结近年来玻璃的湿法刻蚀工艺的研究内容，可知在玻璃的深槽刻蚀工艺，玻璃刻蚀均匀性技术，超声波技术在刻蚀中的应用这方面已经较为成熟，但是在缓慢下降腐蚀的应用方面还存在一定缺陷，刻蚀深度和结构会出现不均匀或者不符合预想情况，所以本系统着重介绍了如何通过简单的技术手段来实现这一工艺。 参考文献：
[1] Suliz B N.Operation of a step motor.[J].Russian Engineering Research，2013，33：649-650.
[2] Lebedev V P， Smirnov K A， Chirkov V V.A decatron indicator for a micromanipulator powered by a step motor.[J].Bulletin of Experimental Biology and Medicine，1973（75）：342-344.
[3] Siddique A，Cho S， Ahn B， Kim C.Ultrasonic manipulation of magnetic particles in a microfluidic channel.[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2014（15）：1411-1416.
[4] Klyukanov A A， Senokosov E A， Sorochan V V，et al.X-Y photoelectric sensors based on homogeneous conducting semiconductor films.[J].Technical Physics，2003（48）：644-646.
[5] Kudryavtsev I A， Logvinov L M，Pominov V，et al.Method for raising the particle concentration detection limit for photoelectric sensors[J].Measurement Techniques，1997（40）：1017-1020.
[6] Du L， Ding Y， Prokop A， Tanner R.Measurement of bubble size distribution in protein foam fractionation column using capillary probe with photoelectric sensors.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2001，91-93：387-404.
[7] Vladisavljevic G T， Kobayashi T， Nakajima M.Production of uniform droplets using membrane， microchannel and microfluidic emulsification devices[J].Microfluidics and Nanofluidics，2012（13）：151-178.
[8] Kim R， Joo S， Jung H， et al.Recent trends in microelectrode array technology for in vitro neural interface platform.[J].Biomedical Engineering Letters，2014（4）：129-141.