автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы управления режимами диффузионных установок и контроля качества топологий в микро и наноэлектронике

На правах рукописи

Йе Тун Тэйн

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ДИФФУЗИОННЫХ УСТАНОВОК И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТОПОЛОГИЙ В МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

Специальность: 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 АВГ 2014

Москва-2014 г.

005551936

005551936

Работа выполнена на кафедре «Систем автоматического управления и контроля» в Национальном исследовательском университете «МИЭТ».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Щагин Анатолий Васильевич

Северцев Владимир Николаевич, доктор технических наук, генеральный директор Научно-производственного центра «НИИ Микроприборов»

Андрей Михайлович Литманович, кандидат технических наук, руководитель группы программного обеспечения ОАО «МПО Ангстрем»

Ведущая организация:

ОАО «НИИ точного машиностроения» г. Москва

Защита диссертации состоится « »СбнТЛу^Я 2014 года в^У часов на заседании диссертационного совета Д.212.134.04 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498 Москва, Зеленоград, проезд 4806,д.5, НИУ МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ МИЭТ.

Автореферат разослан « сЯ » 08_2014 г.

Ученый секретарь диссерт; д.т.н., профессор

донного^овета Д.212.134.04: А.И.Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Способы изготовления различных полупроводниковых приборов весьма многообразны. Большинство технологических процессов микроэлектроники требует стабилизации температурных режимов обработки. Наиболее жесткие требования к ней предъявляются в диффузионных электропечах. Они должны обеспечивать: точность установки температурного режима и его воспроизводимость, высокую производительность, надежность и удобство эксплуатации и стабильность работы.

Точность изготовления микросхем определяется стабильностью параметров технологического процесса и точностью топологии фотошаблонов. Поэтому данная работа посвящена решению трёх проблем:

обеспечению точности температурного режима диффузионной установки,

повышению производительности диффузионной установки,

обеспечению автоматического контроля топологии фотошаблонов.

Коэффициенты диффузии различных примесных элементов, используемых в кремнии, экспоненциально зависят от температуры: при ее изменении на несколько градусов коэффициент диффузии может изменяться вдвое. Поэтому при производстве микросхем в зонах, где проводится диффузия, необходимо поддерживать температуру в интервале 1000-1300 °С с точностью до ±0,5 °С. В вырожденных полупроводниках коэффициент диффузии примеси зависит и от концентрации примеси.

Время диффузии входит в формулы только вместе с коэффициентом диффузии (00. Поэтому изменение времени диффузии оказывает такое же влияние на глубину залегания р-п-переходов, как и изменение коэффициента диффузии.

Скорость диффузии очень чувствительна к температуре, поэтому исключительное значение имеет стабильность технологических параметров процесса диффузии в частности температуры процесса и времени. Но выдержать требуемую точность поддержания температуры с повторяемостью в десятые доли градуса невозможно во время переходного процесса, т.е. во время выхода температуры на заданное значение.

Поэтому в данной работе для обеспечения стабильности технологических параметров процесса диффузии процесс нагрева разбивают на два этапа. На первом этапе выводят температуру реактора и нагревателя на значение, соответствующее началу диффузии. А затем за минимальное время переводят температуру на рабочее значение согласно технологическим требованиям с использованием предельно возможных тепловых потоков от нагревателя для технологического процесса и поддерживают её с высокой точностью. По окончании процесса производится сброс температуры за минимальное время до температуры прекращения диффузии и последующее охлаждение.

На втором этапе процесс вывода температуры на рабочее значение должен быть совершён за минимальное время, так как интервал переходного процесса является временем нестабильности процесса диффузии.

В связи с общей тенденцией увеличения мощности нагревателя скорость изменения температуры может стать недопустимой для изделия в виду большого термического напряжения. Поэтому в работе рассматривается оптимальное управление при ограничении допустимой скорости изменения температуры рабочей зоны реактора на втором этапе.

На первом этапе процесс вывода температуры на стартовое значение также необходимо максимально сокращать для повышения производительности установки.

Управляющим воздействием является тепловой поток, который в свою очередь представляет собой разность тепловых потоков, приходящего от нагревателя и уходящего в окружающую среду.

При рассмотрении динамики системы на втором этапе разность между начальной и конечной температурой относительно невелика. Поэтому при анализе динамики системы на втором этапе можно принять, что уходящий тепловой поток является постоянным. Однако это допущение не проходит при анализе системы на первом этапе, где температура изменяется в широких пределах. В этом случае задача оптимального управления относится к случаю, когда ограничение на управление зависит от состояния системы.

Полученные законы оптимального управления определяются параметрами объекта. При этом эти параметры зависят от выбора

рабочей точки. Такие параметры объекта, как постоянные времени можно оценить в рабочей точке при малых испытательных

воздействиях известными методами - снятием частотных характеристик или переходных функций. Определение же предельных тепловых потоков не может основываться на установившихся режимах, так как эти потоки зависят от температуры. Поэтому в работе предлагается метод их измерения, основанный на кратковременном включении предельных значений управляющих тепловых потоков.

Другой проблемой является обеспечение точности топологии фотошаблонов. Дефекты топологии наиболее часто возникают вследствие нестабильности параметров технологического процесса изготовления, загрязнения сред и материалов, механических повреждений.

Основные требования к топологии - точность расположения фигур и точность их размеров, отсутствие разрывов и закороток. Однако методы контроля размеров (ширины) элементов и пробелов не всегда обеспечивают правильное опознавание допустимость дефектов. Поэтому в диссертации разработаны методы повышения достоверности автоматического контроля топологии.

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является повышение стабильности процесса диффузии путем сокращения интервала нестабильности переходного процесса, повышение производительности установки благодаря сокращению интервала выхода на режим и совершенствование качества контроля топологии фотошаблонов, а следовательно уменьшение разброса параметров микросхем и тем самым повышение процента выхода годных микросхем.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

> разработка методов оптимального управления температурой реактора диффузионной установки, обеспечивающих наименьшее время переходного процесса на начальном и на втором участках нагрева;

> разработка метода оптимального управления температурой нагревателя при ограничении допустимой скорости изменения температуры рабочей зоны реактора;

> разработка способа экспериментальной оценки параметров объекта;

> разработка алгоритмов распознавания дефектов топологий фотошаблонов типа "сужение размеров фигур" и "сужение промежутков между фигурами";

> разработка структурных и функциональных схем цифровой системы управления диффузионной установки;

> разработка математической модели системы управления ШИМ инвертора для управления нагревателем;

> разработка математической модели компенсации аддитивной погрешности измерения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, физического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования, теория оптимального управления.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

> найден метод оптимального управления температурой диффузионной установки на первом и втором участках нагрева. Доказана его оптимальность;

> найден метод оптимального управления температурой нагревателя при ограничении допустимой скорости изменения температуры рабочей зоны реактора. Доказана его оптимальность;

> проведено компьютерное моделирование предложенного метода управления, результаты которого подтвердили теоретические положения;

> разработан экспериментальной способ оценки параметров объекта;

> разработаны алгоритмы распознавания дефектов типа "сужение размеров фигур" и "сужение промежутков между фигурами" при определении качества топологий. Доказана правильность распознавания;

> предложены алгоритмы управления температурой диффузионной установки;

> разработаны структурные схемы и программное обеспечение цифровой системы управления диффузионной установки.

Практическую значимость работы имеют:

> разработанные алгоритмы оптимального управления, которые могут быть использованы в системе управления нагревом диффузионной установки;

> разработанные алгоритмы контроля топологии, которые могут быть использованы для контроля не только фотошаблонов, но и других изделий микроэлектроники: печатных плат, микросборок и т.д;

> разработанный способ (электрическая схема) для компенсации аддитивной погрешности измерения, который позволяет повысить точность измерения температуры;

> предложенный экспериментальной способ оценки параметров объекта;

> предложенный способ и разработанная программа распознавания дефектов типа "сужение размеров фигур" и "сужение промежутков между фигурами";

> разработанные структурные и функциональные схемы цифровой системы управления режимами диффузионной установки;

> разработанное программное обеспечение управления температурой диффузионной установки;

> результаты исследований диссертационной работы, используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» НИУ МИЭТ.

На защиту выносятся:

> алгоритмы оптимального управления температурой диффузионной установки;

> способ экспериментальной оценки параметров объекта;

> разработанные структурные и функциональные схемы цифровой системы управления режимами диффузионной установки;

> математическая модель канала для компенсации аддитивной погрешности измерения;

> математическая модель системы управления;

> способ распознавания дефектов фотошаблонов типа "сужение размеров фигур" и «сужение промежутков между фигурами";

> разработанное программное обеспечение для управления температурой диффузионной установки.

Апробация-работы. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:

1. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика», Зеленоград, Москва, 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г.

2. Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 29 марта 2013 г: в 10 частях. Часть 1; М-во обр и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО (Бизнес-Наука-Общество), 2013.

Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 4 работы в журнале, входящем в список, утвержденный ВАК. Без соавторов опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Работа содержит 138 страниц основного текста, 47 рисунков и 3 таблицы.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и приводится ее краткая характеристика. Формулируются цель работы, задачи исследования и представляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор ранее опубликованных работ. На основании представленного литературного обзора намечена цель и обозначены задачи исследования.

Вторая глава посвящена решению задачи оптимального по быстродействию управления процессом нагрева рабочей зоны реактора.

Движение системы описывается уравнениями в форме Коши

и. < и < и"

и- управляющий тепловой поток, и'- максимальный тепловой поток при полностью включенном нагревателе, и.- минимальный тепловой

поток при полностью отключенном нагревателе, д] - температура нагревателя, дг- температура реактора, Т-постоянная времени,к-коэффициент передачи.

Под температурой будем понимать отклонение температуры от заданного значения. Другими словами, заданное значение принимается за начало отсчета температуры, то есть за нуль.

Эта проблема состоит из трех подзадач:

1. Найти оптимальное по быстродействию управление на этапе нагрева от начала диффузии до выхода на рабочий режим, (система(1)).

2. Найти оптимальное по быстродействию управление на этапе, предшествующем началу диффузии. На этом этапе уходящий тепловой поток зависит от состояния системы (от температуры). Тепловой поток и равен разности

Ц]0- предельный тепловой поток от нагревателя, и2-уходящий тепловой поток.

Уходящий тепловой поток зависит от температуры. Изменение уходящего теплового потока описывается формулой

где и - уходящий тепловой поток при значении

температуры, соответствующей окончанию первого этапа; f - монотонно возрастающая функция

и = ы, -иг, где к, - тепловой поток от нагревателя, 0<ы, <и10,

(2)

(3)

(4)

-2->0,Д0) = 0.

Таким образом

- «30 - Ж) -«20-/(0. )■

(5)

3. В связи с увеличением мощности установок возникает задача нахождения оптимального по быстродействию управления при ограничении допустимой скорости изменения температуры в рабочей зоне реактора. Эта задача решается применительно к управлению на этапе вывода на рабочий режим. Заданным значением температуры является рабочая температура диффузии.

На систему управления наложено требование: скорость изменения температуры в рабочей зоне должна быть ограничена

где

£>- допустимая скорость изменения температуры реактора или с учетом (1)

-о^и-^в. С7)

2 2

4. Для расчетов оптимального управления необходимо знать параметры объекта (постоянные времени) в рамках линеаризованной модели, а также предельные значения тепловых потоков. Если для определения постоянных времени можно использовать известные методы малых возмущений, то для определения предельных значений тепловых потоков разработан в диссертации специальный способ - метод незавершенного переходного процесса.

Решение задачи 1.

Доказано, что оптимальное по быстродействию

управление в системе (1) принимает только крайние значения из допустимой области и имеет не более одного переключения.

Доказано, что оптимальное по быстродействию управление системой имеет вид

(б)

где

5 = 02-

71-72

Проведено моделирование режимов управления нагревом для частного случая в системе WiпMAS. Где

?

Ки'

Ки

т = и0 = 0' А" = и'. 7; = 2Т2,

о ' и = -и. '

......... V \ /

1 А : ; : 1

1 / !

//

Рис. 1. Переходный процесс. Предложенный метод управления обеспечивает время переходного процесса (т.е. время разогрева) на 10 % меньше, чем ПИД при выходе на режим.

Решение задачи 2.

Доказано, что оптимальное по быстродействию управление в системе (1) принимает только крайние значения из допустимой области и имеет не более одного переключения.

Доказано, что оптимальное по быстродействию управление системой в частном случае, когда /{в^) = ьв имеет вид

~и2о - Ьв^приЗ < О О ~ и20 — Ьв^приЗ > 0 '

где

5 = 6(2-

7Г-Г2

" + и. , и' -и. - А и =-

'Л

1 + АГА

■ = Л

1 + о

Решение задачи 3.

Оптимальный закон управления температурой диффузионной установки определяется следующими соотношениями

1. При движении изображающей точки до момента выхода на ограничение и после схода с ограничения, т.е внутри открытого ядра, оптимальное управление системой имеет вид

] и при £ < О [и* при £ > О

где

3=&2 — Т2

4-22

-Що-Дизвпф-Дз -Дко-Лг^ф ) Т2

2.

При движении по ограничению управления имеет место следующий вид оптимального управления в] + РТ,

к

в,-от,

к

при б| при 6\ -

92 = £> Г2 1/ 5 > О

=: -ОТ2 и В < О

3.

4.

Доказано, что если система выходит на ограничение (6), то до выхода на ограничение и после схода с ограничения переключение управления отсутствует. Показано, что при использовании скользящего режима управление может принимать только крайние значения. При этом управление имеет вид

' при (5 < о л < 0) V (5 > о л < 0)

и* при (5 > 0л > (5 < Ол > 0)

где

5 = 02-

£\ = вх-в2-ПТ2,

ё2 = вл-в2 + от2,

«И-

{ -Цщ-ДивеЦ) ) т2

Проведено моделирование режимов управления нагревом в системе W¡nMAS. Где

Рис. 2. График изменения температуры нагревателя в\ и

/

реактора вг ■

Решение задачи 4. Экспериментальное определение параметров объекта

Предельные значения тепловых потоков нельзя оценить по установившимся процессам, поскольку они зависят от температуры в рабочей точке.

Поэтому измерения следует проводить на малых интервалах времени. При этих измерениях будем пользоваться полученными ранее оценками постоянных времени Г, и Т2, которые можно оценить в рабочей точке при малых испытательных воздействиях известными методами - снятием частотах характеристик или переходных функций.

Метод эксперимента заключается в следующем.

Температура выводится на заданное значение в рабочую точку посредством системы автоматической стабилизации.

В момент времени, принятый за начало отсчета, отключается обратная связь и нагреватель включается на полную мощность. В момент времени t¡, когда температура достигает допустимого предела отклонения (5-10%) от рабочей температуры, фиксируются значения времени и изменения температуры и включается система стабилизации, возвращающая температуру в рабочую точку.

Предельное значение Ки можно вычислить по формуле

( г. Л-1

К и* = Л(^)

Рис. 3. Переходный процесс.

Аналогично вычисляется оценка Ки,, но при этом в момент времени принятый за начало отсчета нагреватель полностью отключается.

Здесь во всех формулах к - отклонение температуры от рабочей точки.

Третья глава посвящена решению задачи автоматического контроля топологии фотошаблонов. Показано, что основное влияние на работоспособность и надежность изделий микроэлектроники оказывают дефекты топологии типа "разрыв", "закоротка", "сужение размеров фигур" и " сужение промежутков между фигурами". Распознавание дефектов такого типа необходимо проводить в топологии с проводниками произвольной формы и размеров. Известные способы контроля ширины элементов и изоляционных промежутков не позволяют правильно определить допустимую ширину при наличии проколов-раковин на элементах топологии или при наличии вкраплений на изоляционных промежутках. Поэтому в данной

главе разработаны методы повышения достоверности автоматического контроля топологии.

Алгоритмы распознавания дефектов типа " сужение размеров фигур " приведены на рис.4.

V/. {К.} .п. в—О

| Сканировану ндексаиия |

у

1 Сканирование сжатие V-/

1

| Сканирование ндексацня |

Рис. 4. Алгоритм распознавания дефектов типа " сужение размеров

фигур ".

На рис.5 представлены результаты работы алгоритма распознавания дефектов типа "сужение размеров фигур" по предложенному методу.

Фигура с дефектами тина По нашему алгоритму фигура пиоколСраковпн.У) и вырыв после сжатия

Рис. 5.

На рис.5 слева показана фигура с дефектами типа прокол и вырыв. На рисунке справа - фигура после выполнения операции сжатия. Эти дефекты допустимы, результаты показывают, что они тоже допустимы, так как контрольные точки связаны. Поэтому предложенный метод позволяет исключить ошибки известных методов при наличии проколов и вкраплений. Доказано следующее утверждение.

Теорема. Если в изображении топологии присутствует недопустимый дефект типа " сужение размеров фигур" между парой контрольных точек ^ и ¡(¡, то в исходном изображении топологии эти контрольные точки связаны, а по алгоритму в изображении топологии после выполнения операции однослойного сжатия | раз не связаны (где п - минимально допустимая ширина фигуры между К1 и К]) в дискретах. Аналогично для проверки расстояний между фигурами.

В четвертой главе проведено математическое и физическое моделирование системы управления температурой диффузионной установки. Предложены структурная и функциональная схемы цифровой системы управления температурой диффузионной установки.

Для обеспечения высокой точности поддержания температуры используется трехканальная система регулирования (рис.б) с подчиненным управлением крайними секциями нагревателя от центральной опорной, которой задается общий уровень температуры в нагревательной камере 1. Каждая нагревательная камера имеет автономную систему регулирования.

Трехсекционный нагревательный элемент 2 создает равномерное температурное поле вдоль реактора. Его регулирование осуществляют по трем точкам в местах расположения датчиков температуры нагревателя и реактора (термоэлементов) 3. Для обеспечения устойчивасти и высокой точности регулирования внутри реактора 4 распологаются три датчика темапературы.

Центральный канал регулирования работает от двух термоэлементов градуировки, размещенных в середине центральной секции нагревателя. С целью увеличения чувствительности сигнала термо-ЭДС эти термоэлементы соединены последовательно. Рядом с ними в центральной части нагревателя расположены в одинаковых условиях два дополнительных опорных термоэлемента градуировки, которые включены дифференциально (встречно) соответствующим термоэлементам градуировки крайних секций. В результате такого

соединения каждая пара термоэлементов показывает отклонение температуры той или иной крайней секции по отношению к текущему значению температуры центральной секции нагревателя. Термоэлементы подключаются через блок сопряжения 5 к измерительному блоку 22.

Рис. 6. Система регулирования : 1 - нагревательная камера; 2 -нагревательный элемент; 3 - датчики температуры; 4 - реактор; 5 -устройство сопряжения; б - коммутирующее устройство, 7 -измерительные усилители; 8 - АЦП; 9 - порт 118485; 10,17 -микроконтроллеры; 11 ,15,16-модуль ЯБ485 ; 12-модуль АЦП холодного спая; 13 - контроллер СХ9010; 14 - модуль КЬ 9010; 18-инвертор; 19 - выпрямитель, 20 - компьютер, 21 -блоки питания. 22 -измерительный блок, 23 - блок управления, 24,25,26 - силовые блоки.

Измерительный блок содержит следующие блоки: коммутирующее устройство 6, измерительные усилители, обеспечивающие высокий коэффициент подавления синфазной помехи и широкий диапазон коэффициентов усиления 7; АЦП двойного интегрирования с компенсацией аддитивной составляющей погрешности, обеспечивающий высокую помехоустойчивость и точность 8; порт 118485 9, микроконтроллер 10. После измерительного блока преобразуемые цифровые коды передаются через специальный модуль передачи 118485 на блок управления 23.

Блок управления содержит следующие блоки: модуль К.8485 -11,15 ; модуль аналогового входа КХ3202 (холодный спай) 12;

контроллер СХ9010-1001(К-Вш) 13 ; модуль заглушки шины КЬ 9010 14.

Цифровые сигналы с измерительного блока поступают на модуль ввода 118485 и передаются по цепи с гальванической развязкой контроллеру верхнего уровня. Алгоритм микроконтроллера через равные промежутки времени осуществляет опрос АЦП и с учетом значения дополнительного датчика температуры пересчитывает полученное значение в реальное значение температуры. Дополнительный датчик температуры располагается очень близко к свободным концам термопары и используется для компенсации холодного спая термопары, для того чтобы компенсировать погрешность измерения.

На основании полученных и накопленных данных с использованием заложенного в микроконтроллер СХ9010-1001(К-Вш) алгоритма, последний вырабатывает цифровой управляющий сигнал, который через модуль 118485 поступает на силовые блоки.

Управляющий сигнал поступает на силовые блоки 24,25,26 формирующие необходимую для поддержания заданного уровня температуры мощность на секции нагревателя. Силовые блоки содержат: порт 118485 16, микроконтролер 17, выпрямители 19, которые формируют пульсирующее напряжение постоянного тока, инверторы 18, которые формируют частоту напряжения электронагревателя, формирователи импульсов и электронные элементы. Питание подается на однофазный ШИМ инвертор. Выходы однофазного ШИМ инвертора подсоединены к нагрузке через фильтры, предназначенные для обеспечения синусоидальной формы тока, потребляемого от первичного источника при нелинейной нагрузке.

На основании полученных и накопленных данных с использованием заложенного в микроконтроллер алгоритма, последний вырабатывает импульсный сигнал управления нагревателем. Управление нагревателем осуществляется через инвертор, который формирует напряжение определенной частоты. Питание микроконтроллера, в целях снижения стоимости системы и ее размеров, осуществляется при помощи импульсного блока питания 21. Таким образом, путем импульсного регулирования можно получить плавное регулирование мощности в широких пределах без дополнительных потерь, обеспечивая высокий КПД.

Системы управления крайними секциями нагревателя работают аналогично центральной секции с тем отличием, что управление

ведется по сигналу с дифференциальных термопар, фиксирующих отклонение температуры крайних секций от центральной. Крайние секции нагревателя компенсируют потери тепла с торцов реактора.

Для реализации высокоточного АЦП используется метод двойного интегрирования с компенсацией аддитивной составляющей погрешности, обеспечивающий высокую помехоустойчивость и точность. Функциональная схема измерительного устройства приведена на рис. 7.

Схема содержит следующие элементы: измерительный усилитель на трех ОУ, инвертирующий ОУ, коммутаторы аналоговых напряжений К1,К2,КЗ,К4,К5,К6, интегратор (И), схему сравнения (К), формирователь импульсов (ФИ), устройство управления, генератор импульсов (в), ключ и двоичный счетчик (СТ) с входом установки в состояние «0« (Я).

1 « -

1 > нкн-

Рис.7. Схема измерительного устройства.

С целью подтверждения положений проведено математическое моделирование системы преобразования напряжения в код (ПНК) в пакете МАТЪАВ. На рис. 8 приведены выходные сигналы интегратора в течение трех различных этапов процесса измерения.

Рис. 8. Выходные сигналы интегратора в течение трех различных этапов процесса измерения (А) и выходные сигналы коммутатора аналоговых сигналов (Б).

На рис. 8 видно, что при интегрировании в конце первого такта аддитивная погрешность компенсируется. Результаты моделирования проведенного в пакете МАТЬАВ, подтверждают возможность полной компенсации аддитивной составляющей погрешности измерительного усилителя при отсутствии временной нестабильности в процессе измерений.

Предложенный метод обеспечивает высокую помехозащищенность, высокую точность преобразования и соответствует требованиям по быстродействию и стабильности параметров измерительной системы.

Для реализации предложенного метода оптимального управления нагревом диффузионной установки с использованием ПЛК ВескЪоА; используем совместно с контроллером СХ9010-1001(К-Вш), 2-канальный аналоговый модуль входа КЬ3202 (с резистивным датчиком температуры), на который будет поступать сигнал с точки замера от датчика холодного спая, 2-канальный модуль цифрового выхода КБ2114, который будет управлять светодиодной лентой для индикации уровня нагрева и управляющих сигналов, модуль заглушка (терминирующий модуль) КЬ9010, для того чтобы осуществлялся обмен данными между контроллером и модулями ввода-вывода, КБ485 модуль на который поступают цифровые сигналы от АЦП и передаются управляющие сигналы на силовой блок для регулирования температуры. На рис.9 представлена структурная схема подключения расширений к контроллеру СХ9010-1001.

контроллеру СХ9010-1001.

С целью отработки решений проведено моделирование системы управления на физическом уровне. При моделировании такие данные как постоянная времени нагревателя и реактора, управляющий тепловой поток, заданные значения температуры, коэффициент передачи и другие данные вводятся в контроллер СХ9010-1001. Для вывода результатов и индикации уровня нагрева и управляющих сигналов используются установленные светодиодные индикаторы и персональный компьютер.

На физической модели учитываются значения температуры нагревателя и реактора и выдаются команды управления инвертору. Контроллер СХ9010-1001 получает информацию (значение температуры) от измерительного блока и рассчитывает функцию оптимального управления через модуль 118485.

Результаты физического моделирования соответствуют теоретическим положениям и данным, полученным в процессе математического моделирования.

Заключение

В соответствии с целями и задачами представленной диссертационной работы были получены следующие результаты:

> получен метод оптимального управления температурой реактора диффузионной установки, обеспечивающий наименьшее время переходного процесса при ограничениях мощности нагревателя;

> предложен метод управления, обеспечивающий время переходного процесса (т.е. время разогрева) на 10 %

меньше, чем ПИД при выходе на режим, и перерегулирование не превышает ±0,2 °С.

> получен метод оптимального управления температурой нагревателя при ограничении допустимой скорости изменения температуры рабочей зоны реактора;

> разработан способ оценки параметров объекта по результатам эксперимента;

> разработаны алгоритмы распознавания дефектов типа "сужение размеров фигур" и "сужение промежутков между фигурами" и доказана правильность распознавания.

> разработаны структурные и функциональные схемы цифровой системы управления диффузионной установки;

> разработано программное обеспечение для управления температурой диффузионной установки в оптимальном режиме;

> проведено физическое моделирование оптимальной системы управления на аппаратно-программной модели диффузионной установки. Полученные данные подтверждают высокую степень совпадения практических и теоретических результатов.

Список публикаций по теме диссертации.

Тезисы и статьи.

1. Йе Тун Тэйн. Оптимальное управление температурой диффузионной установки. Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы. Международная научная школа для молодежи. М.:МИЭТ, 2010 г.,- С.101.

2. Йе Тун Тэйн. Разработка алгоритма расчета количества фигур на плоскости с помощью метода индексации. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. -М.-.МИЭТ, 2011^г.,- С .184.

3. Щагин А.В, Йе Тун Тэйн. Способ контроля ширины элементов топологии. Заявка РФ на изобретение. Регистрационный № 2013112531 от 21.03.2013.

4. Йе Тун Тэйн. Разработка алгоритма распознавания дефектов типа "сужение металлизации". 4-я Всероссийская

межвузовская научно-практическая конференция: М.: МИЭТ 2011 г.,-С.89.

5. Ие Туй Тэйн. Симисторный регулятор мощности для автоматического управления температурным режимом диффузионной установки. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов -М.: МИЭТ, 2012 г.,-С. 172.

6. Йе Тун Тэйн. Разработка системы управления температурой диффузионной печи. 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. "Микроэлектроника и информатика- 2013, М.:МИЭТ, 2013 г

- С.187.

7. Щагин А.В, Йе Тун Тэйн. Разработка модели автоматической стабилизации температурного режима диффузионной установки. Проблемы разработки прикладных информационных технологий и подготовки ИТ - кадров: сборник научных трудов, -М.:МИЭТ, 2012 г., - С.128 -133.

8. Ие Тун Тэйн. Оптимальное управление температурой диффузионной установки. Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 29 марта 2013 г: в 10 частях. Часть 1; М-во обр и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО (Бизнес-Наука-Общество) 2013 г.,-С. 68-72.

9. Мо Зо ТвеЛжо Ту,Йе Тун Тэйн,Со Лин Маунг. Микропроцессорное устройство управления модулем двигателей постоянного тока. « Етественные и технические науки », N0.4, 2012 г., - С.279 -281. (ВАК)

10. А. В. Щагин, Йе Тун Тэйн, Е.Ю.Амосов. Разработка модели и устройства автоматической стабилизации температурного режима генератора морского воздуха. Научно-технический журнал "Информационные системы и технологии" «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (Госуниверситет - УНПК) № 4 (78) июль-август 2013 г, - С. 57-63. (ВАК)

11. А. В. Щагин, Чжо Ту, Йе Тун Тэйн. Коррекция коэффициента мощности на ЮВТ транзисторах в системе управления трехфазным выпрямителем. Научно-технический

журнал "Известия высших учебных заведений ЭЛЕКТРОНИКА 3(101) 2013"., - С. 82-87. (ВАК)

12. А. В. Щагин, Йе Тун Тэйн. Оптимальное управление нагревом диффузионной установки. Научно-технический журнал "Известия высших учебных заведений ЭЛЕКТРОНИКА 6(104) 2013". - С., 87-89. (ВАК)

13. Ие Тун Тэйн. Разработка системы управления трехфазным инвертором диффузионной установки. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2013. 6-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конфуренция. -М.: МИЭТ, 2013 г., - С.85.

14. Ие Тун Тэйн. АЦП интегрирующего типа с компенсацией аддитивной составляющей погрешности. Микроэлектроника и информатика - 2014, 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. -М.:МИЭТ, 2014 г.,- С .150.

Подписано в печать:

Заказ №ЗЗТираж 80 экз. Уч.-изд. л. УД Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии НИУ МИЭТ 124498, Москва, НИУ МИЭТ

НАЦИОНАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИМ УНИВЕРСИТЕТ

«МИЭТ»

На правах рукописи 04201460695 ^

___

Ие Тун Тэйн

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ДИФФУЗИОННЫХ УСТАНОВОК И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТОПОЛОГИЙ В МИКРО И

НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

Специальность: 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А. В. Щагин.

Москва, 2014г.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ДИФФУЗИОННЫХ УСТАНОВОК..........................13

1.1 Анализ влияния параметров управления на процессы диффузии......13

1.2 Анализ технических решений по научно-технической литературе.... 16

1.3 Анализ изветстных методов и средств распознавания дефектов топологии......................................................................................................................19

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ УСТАНОВКОЙ.............................................................................24

2.1 Оптимальное управление диффузионной установкой на последнем

участке нагрева.............................................................................................................24

2.1.1 Определение оптимального управления............................................24

2.2 Оптимальное управление диффузионной установкой на начальном участке нагрева.............................................................................................................33

2.2.1 Постановка задачи...............................................................................34

2.2.2 Определение оптимального управления............................................35

2.3 Оптимальное управление диффузионной установкой при ограничении допустимой скорости нагрева.....................................................................................43

2.3.1 Постановка задачи...............................................................................43

2.3.2 Определение оптимального управления............................................44

2.4 Экспериментальное определение параметров объекта..........................53

2.4.1. Метод снятия частотных характеристик............................................53

2.4.2 Определение параметров объекта по переходной функции.............54

2.4.3 Оценка предельных значений тепловых потоков..............................56

ГЛАВА.3 КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФОТОЛИТОГРАФИИ...........................59

3.1. Особенности топологии фотошавлонов.................................................59

3.2 Математические модели дефектов топологии........................................66

3.2.1 Математическая модель изображения топологии..............................66

3.3 Алгоритм распознавания дефектов типа "сужение размеров фигур" ...69

3.4 Алгоритм распознавания дефектов типа "сужение промежутков между фигурами"...............................................................................................................78

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ПЕЧИ............................................................83

4.1 Разработка структурной и функциональной схем цифровой системы

управления....................................................................................................................83

4.2 Выбор и обоснование узлов системы управления..............................86

4.2.1 Выбор термоэлектрических преобразователей (термопары)..........86

4.2.2 Выбор измерительного усилителя и компенсация влияния напряжения смещения нуля........................................................................................89

4.2.3 Разработка системы управления инвертором диффузионной установки......................................................................................................................97

4.3 Разработка алгоритмов управления режимами диффузионной установки....................................................................................................................101

4.3.1 Сравнение полученного закона оптимального управления с пропорционально-интегрально-дифференциальным управлением......................104

4.4 Физическое моделирование системы управления температурой диффузионной установки в среде ПЛК...................................................................108

4.4.1 Серия модулей ввода/вывода Bus Terminal....................................109

4.4.2 Разработка физической модели и программного обеспечения системы.......................................................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

Способы изготовления различных полупроводниковых приборов весьма многообразны [1]. Большинство технологических процессов микроэлектроники требует стабилизации температурных режимов обработки. Наиболее жесткие требования к ней предъявляются в диффузионных электропечах. Они дожны обеспечивать: точность установки температурного режима и его воспроизводимость, высокую производительность, надежность, удобство эксплуатации и стабильность работы.

Диффузия - самый распространенный метод введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины или в выращенные на них эпитаксиальные слои с целью получения областей противоположного по сравнению с исходным полупроводником типа проводимости либо с более низким электросопротивлением. В первом случае получают, например, эмиттеры, базы и изолирующие области транзистора, во втором случае -п+, р+ - скрытые области, уменьшающие сопротивление тела коллектора, или приконтактные области, уменьшающие инжекцию неосновных носителей с омических контактов и улучшающие их качество [2].

При изготовлении быстродействующих структур с хорошими импульсными свойствами диффузию применяют для введения примесей, образующих в запрещенной зоне полупроводника глубокие уровни и уменьшающих время жизни неосновных носителей тока. Такими примесями для кремния являются золото и никель [3].

Коэффициенты диффузии различных примесных элементов, используемых в кремнии, экспоненциально зависят от температуры: при ее изменении на несколько градусов коэффициент диффузии может изменяться вдвое. Поэтому при производстве микросхем в зонах, где проводится диффузия, необходимо поддерживать температуру в интервале 1000-1300°С точностью до ±0,5°С [4]. В вырожденных полупроводниках коэффициент диффузии примеси зависит и от концентрации примеси.

Время диффузии и при диффузии по дополняющей функции ошибок, и в случае распределения Гаусса входит в формулы только вместе с коэффициентом диффузии (01). Поэтому изменение диффузии оказывает такое же влияние на глубину залегания р-п-переходов, как и изменение коэффициента диффузии. Время как параметр процесса легко поддается контролю, но в реальных условиях необходимо учитывать инерционные свойства процессов, время разогрева и остывания образцов. На практике в технологическом процесс дффузии всегда используют одну постоянную термическую массу системы и устанавливают постоянные скорости загрузки и выгрузки образцов.

Качество (стабильность) продуции определяется стабильностью параметров технологического процесса и точностью топологии. Было сказано, что скорость диффузии очень чувствительна к температуре.

Поэтому исключительное значение имеет стабильность технологических параметров процесса диффузии в частности температуры процесса и времени. Но выдержать требуемую точность поддержания температуры с повторяемостью в десятые доли градуса невозможно во время переходного процесса, т.е. во время выхода температуры на заданное значение.

Поэтому в данной работе для обеспечения стабильности технологичкских параметров процесса диффузии процесс нагрева разбивают на два этапа. На первом этапе выводят температуру реактора и нагревателя на значение, соответствующее началу диффузии [5]. А затем за минимальное время переводят температуру на рабочее значение, согласно технологическим требованиям, с использованием предельно возможных тепловых потоков от нагревателя, для технологического процесса [6] и поддерживают её с высокой точностью [7]. По окончании процесса производится сброс температуры за минимальное время до температуры прекращения диффузии и последующее охлаждение.

На втором этапе процесс вывода температуры на рабочее значение должен быть совершён за минимальное время, так как интервал переходного процесса является временем нестабильности процесса диффузии.

параметров технологического процесса изготовления изделий микроэлектроники (ИМЭ), загрязнения сред и материалов, механических повреждений. Причем при любом уровне технологического процесса чем больше в нем операций, тем больше дефектов.

В настоящее время существующие методы автоматического контроля топологии планарных структур можно разбить на две большие группы - методы анализа параметров топологии и методы сравнения с эталоном [9].

Методы анализа параметров топологии предполагают поиск дефектов путем проверки выполнения определенного набора правил или анализа параметров, заданных проектировщиком. Эта группа методов позволяет идентифицировать локальные дефекты топологии, такие как проколы, островки, вырывы выступы, а также дефекты связанные с нарушением предельных норм проектирования (например, допусков на толщину проводника, на расстояния между проводниками и т. п.).

Методы сравнения с эталоном. Вторая группа методов предполагает, что топология реального объекта сравнивается с проектными данными, либо с топологией аналогичного объекта, принимаемого за эталон. Любое отличие от эталона считается дефектом. Эта группа методов позволяет обнаруживать все типы дефектов топологии, включая отсутствие (наличие лишних) конструкционных элементов, а также ошибки размеров и координат элементов.

Основные требования к топологии - точность расположения фигур и точность их размеров, отсуствие разрывов и закороток. Методы контроля расположения фигур - контроль угловых точек [10] и контроль размеров в [11-15] широко известны.

Одноко методы контроля размеров (ширины) элементов и пробелов не всегда обеспечивают правильное опознавания допустимости дефектов. Поэтому в диссертации разработаны методы повышения достоверности автоматического контроля топологии [19-21].

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.

Постановка задачи диссертации

В диссертации решается две задачи, связанные с обеспечением качества продукции и производительности диффузионной установки:

- Задача оптимального по быстродействию управления процессом нагрева рабочей зоны реактора.

- Задача обеспечения автоматического контроля топологии фотошаблонов. Для решения первой задачи используется математическая модель линейного

приближения [16,17].

Движение системы описывается уравнениями в форме Коши [18].

йв. 1 л К

—1 =--в, + — и,

* т' т' (1)

л т2 1 т2 2

ги <и<и . и - управляющий тепловой поток

и - максимальный тепловой поток при полностью включенном нагревателе и, - минимальный тепловой поток при полностью отключенном нагревателе вх - температура нагревателя в2 - температура реактора, Т -постоянная времени К -коэффициент передачи.

Под температурой будем понимать отклонение температуры от заданного значения. Другими словами, заданное значение принимается за начало отсчета температуры, то есть за нуль.

Первая задача состоит из подзадач:

1- Найти оптимальное по быстродействию управления на этапе нагрева от начала диффузии до выхода на рабочий режим. На этом этапе ввиду необходимого диапазона температуры уходящий тепловой поток можно

8

считать постоянным. Требуется найти оптимальное управление и, обеспечивающее минимальное время перехода из заданного начального состояния в заданное конечное - начало координат [6].

2- Найти оптимальное по быстродействию управление на этапе, предшествующем началу диффузии. На этом этапе уходящий тепловой поток зависит от состояния системы (от температуры). Тепловой поток и равен разности

и = их-и2, (2)

где и, - тепловой поток от нагревателя,

О < и, < и10, (3)

ию- предельный тепловой поток от нагревателя, и2 - уходящий тепловой поток,

Уходящий тепловой поток зависит от температуры. Изменение уходящего теплового потока описывается формулой

Щ=и20+/ш (4)

где и20- уходящий тепловой поток при значении температуры, соответствующей окончанию первого этапа; / - монотонно

7Г

возрастающая функция > О, /(0) = 0.Таким образом

- "20 - /(01 )^и<ихо-и7й- /(0, ) . (5)

Требуется определить оптимальное управление, переводящее систему из заданного начального состояния в заданное конечное состояние, в данном случае в 0, за минимальное время [5].

3- В связи с увеличением мощности установок возникает задача нахождения оптимального по быстродействию управления при ограничении допустимой скорости изменения температуры в рабочей зоне реактора. Эта задача решается применительно к управлению на этапе вывода на

рабочий режим. Заданным значением температуры является рабочая температура диффузии.

На систему управления наложено требование: скорость изменения температуры в рабочей зоне должна быть ограничена Ий

< I) , £) > 0 , (6)

, Ж где

Э - допустимая скорость изменения температуры реактора, или с учетом (1)

~ В --~—в2 <В. (7)

2 12

Требуется найти управление, удовлетворяющее (6), переводящее систему в заданное состояние в данном случае (0,0), при соблюдении условия (7). 4- Для расчетов оптимального управления необходимо знать параметры объекта (постоянные времени) в рамках линеаризованной модели, а также предельные значения тепловых потоков. Если для определения постоянных времени можно использовать известные методы малых возмущений, то для определения предельных значений тепловых потоков разработан в диссертации специальный способ - метод незавершенного переходного процесса [8]. Во второй задаче (контроля фотошаблонов)- контроль бинарных изображений есть проблема контроля размеров и положения элементов топологии. Известен метод, разработанный В.И. Дубицким [11-15], для контроля размеров. Этот метод на всегда позволяет правильно контролировать размеры при наличии проколов или вкраплений. В диссертации поставлена задача так изменить метод, чтобы обеспечить правильность результатов контроля в этих условиях [19-21].

В диссертации рассмотрена техническая реализация устройств управления на основе найденных алгоритмов.

В первой главе проводится анализ процесса диффузии и требований к температурному режиму и анализ тактико-технических характеристик диффузионных установок. Рассматриваются системы управления температурой диффузионных установок. Обосновывается целесообразность построения систем управления температурой диффузионной установки. Показывается, что требуемая точность поддержания температуры диффузии составляет ±0,5 °С, время диффузии должно поддерживаться с точностью до 2 сек и в процессе вывода реактора на заданный режим происходит диффузия с различной скоростью. Поэтому процесс выхода на заданный режим от момента начала диффузии должен занимать наименьшее время.

Во второй главе разрабатываются алгоритмы оптимального управления диффузионной установкой, обеспечивающие стабильность технологических параметров процесса диффузии на начальном участке [5] и на последнем участке [6] нагрева. В связи с общей тенденцией увеличения мощности нагревателя скорость изменения температуры может стать недопустимой для изделия в виду большого термического напряжения. Поэтому в данной главе рассматривается оптимальное управление при ограничении допустимой скорости изменения температеры рабочей зоны реактора на втором этапе нагрева.

Полученный закон оптимального управления зависит от параметров объекта: постоянных времени и Т2 и предельных значений теплового потока Ки и Ки,. Поэтому в данной главе предлагается метод их измерения, основанный на кратковременном включении предельных значений управляющих тепловых потоков [8].

Таким образом решаются подзадачи (1-4).

В третьей главе решается вторая задача - обеспечение автоматического контроля топологии фотошаблонов. Показывается, что основное влияние на работоспособность и надежность ИМЭ оказывают дефекты топологии типа "разрыв", "закоротка", "сужение размеров фигур" и "сужение промежутков между фигурами", и их распознавание необходимо проводить в топологии с

11

проводниками произвольной формы и размеров. Разрабатываются алгоритмы распознавания дефектов топологии типа "сужение размеров фигур" и "сужение промежутков между фигурами" в топологии. Доказывается, что после применения операций однослойного сжатия и растяжения к изображению контролируемой топологии, дефекты топологии типа "сужение размеров фигур" и "сужение промежутков между фигурами" правильно определить при наличии раковин и вкрапления[ 19-21 ].

Четвертая глава посвящена разработке структурной и функциональной схем цифровых систем управления температурой диффузионной установки. Рассмотрены основные задачи при измерении температуры нагревателя. Для реализации высокоточного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) пр�