автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка программно-аппаратного комплекса для диагностики и управления газовыми потоками в реакторах для быстрых термических процессов

На правах рукописи Экз. № 2

Бархоткин Андрей Вячеславович ^^ 'О О Д

1 А ЯР ш

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ В РЕАКТОРАХ ДЛЯ БЫСТРЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1999

г

Работа выполнена в Московском • институте электронной техники (техническом университете).

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Райнова Ю.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

Коледов Л. А. Дударев Д.А.

Ведущая организация: Государственный научный центр "научно-исследовательский институт физических проблем им. ф,(3. Лукина", г. Москва

Защита диссертации состоится

1999 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д.053.02.04. в Московском институте электронной техники (техническом университете) по адресу; 103498, Москва, Зеленоград, МИЭТ (ТУ).

С диссертацией- можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан _".

1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета дтн, профессор

Погалов А.И.

ЯШ А-пс-.п \с. - К- Г,К. Т)

Актуальность работы. Многообразие систем и комплексов автоматического управления в настоящее время достигло невероятного размаха. С каждым днем появляются новые разработки в совершенно различных отраслях деятельности человека. Прогресс в этой области вполне объясним последними достижениями микроэлектроники, в том числе миниатюризацией и увеличением возможностей элементной базы. Естественно, микроэлектроника также нуждается в освоении передовых технологии производства на основе автоматизации, которые, в свою очередь, требуют современных методов диагностики и управления.

Одной из передовых технологий микроэлектронного производства на сегодняшний день являются быстрые термические процессы. К быстрым термическим процессам (Rapid Thermal Processing, RTP) относятся процессы, в которых нагрев осуществляется в диапазоне длительностей от пикосекунд до десятков секунд. Для реализации быстрого термического воздействия используются интенсивные потоки электронов, лазерное излучение, некогерентное ИК-излучение.

Наибольшее распространение в настоящее время в микроэлектронике получил изотермический отжиг с использованием источников некогерентного И К-из лучения (длительность воздействия - десятки секунд), обеспечивающий однородность температурного профиля по поверхности и глубине пластины.

В диссертации рассматривается только этот вид термического воздействия, и термин RTP. будет относиться к процессам, протекающим при радиационном воздействии на подложки излучения в диапазоне длин волн 0.5-2.0 мкм.

Термические процессы нашли применение при быстром термическом отжиге, термическом окислении, термической нитриднзацнн, химическом осаждении из napa (RTCVD, Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition), синтезе соединении, формировании контактов, очистке поверхности, кристаллизации кремния, i «терирожнши примаш. диффузии.

селективном осаждении дисилицида титана, нитрида титана, при получении магнитных плёнок... Трудно сейчас представить термическую операцию для изготовления ИС, при реализации которой не изучались бы возможности применения быстрого термического воздействия.

По прогнозам специалистов Salzer Technology Enterprises Inc. (USA) общий рынок RTP-оборудования растёт ежегодно более чем на 70%, примерно 90% публикаций, посвящённых изготовлению субмикронных устройств, и опубликованных в последние годы, связаны с использованием RTP в различных технологиях.

Рост сложности ИС и соответствующее ужесточение технологических требований, связанных с повышением количества стадий процесса изготовления ИС, увеличением диаметра пластин, уменьшением размеров элементов, толщин слоев, повышением стерильности газовой фазы стимулируют разработки технологий с использованием RTP. Однако необходимо отметить, что огромные преимущества RTP-систем не реализуются в настоящее время в полной мере в промышленном производстве вследствие недостаточной воспроизводимости термического режима и неравномерности температуры подложки при ИК-нагреве." Причины, с которыми связаны эти ограничения, обусловлены конструкционными особенностями существующего оборудования, условиями тепло- и массообмена, газодинамикой в рабочей зоне реактора, несовершенством систем диагностики и контроля параметров и т.д. Для устранения этих причин необходима автоматизация процессов диагностики и управления в быстрых термических процессах.

Целью настоящей работы является исследование возможности создания автоматической системы для диагностики и управления газовыми потоками в реакторах для быстрых термических процессов.

Методы исследования: Для- теоретического и практического решения поставленном задачи использовались такие методы как моделирование, теория тепло- я массопереиоса, теория вейвлет-преобразования. теория

автоматического регулирования. Эксперименты проводились с применением методов голографической интерферометрии.

В качестве объекта автоматизации был выбран осеснмметричный однопозиционный ЯТС \ТЗ-реактор для газофазного химического осаждения при быстром термическом воздействии. В ЯТСУБ-реакторах проблема управления газовыми потоками приобретает особо важное значение, поскольку большинство процессов реакционной конденсации, использующихся в микроэлектронике, являются гетерогенными и однородность свойств конденсируемой фазы, размытие концентрационного профиля в зоне срастания зависят не только от термического бюджета процесса, равномерности нагрева подложки, но и от организации газового потока, особенно в диффузионной области протекания реакции. Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Установлена принципиальная возможность диагностики и управления газовыми потоками в ЯТСУО-реакторе по оптической плотности газовой фазы, визуализируемой методом голографической интерферометрии в реальном времени.

2. Разработана модель распределения оптической плотности газовой фазы в рабочей зоне ЯТСУО-реактора доя достижения равномерного осаждения тонких пленок, базирующаяся на мониторинговых наблюдениях расположения интерференционных полос на голографических интерферограммах газовых течений.

3. Установлены параметры ЯТСУО, которые могут наиболее эффективно использоваться для активного воздействия на автоматизируемый процесс п реальном • времени с целью достижения заданной температурной траектории в газовой фазе.

4. Предложена методика интерпретации интерференционных полос на голографических интерферограммах газовых потоков ради.гп,несимметричного фазового объект.

5. Разработан алгоритм цифровой обработай голографических интерферограмм газовой фазы КТСШ-реактора в реальном времени, в основе которого лежит принцип вейвлет-преобразования. По данно.му алгоритму создано соответствующее программное обеспечение.

6. Предложена структура системы автоматического управления ЯТСУО-реактором по обобщенному параметру.

7. Создана методика определения передаточных функций отдельных элементов системы управления.

8. Проведен анализ перспективной системы управления на устойчивость и качество регулирования. Выявлена необходимость введения в систему корректирующего устройства.

9. Синтезировано корректирующее устройство системы автоматического управления КТСУО-реактором.

Практическая значимость работы определяется следующим.

1. Анализ результатов моделирования и экспериментальных данных протека 1,"ля процесса показал возможность исследования процесса с помощью моделирования.

2. Параметрические исследования ШСУТ) при помощи моделирования с использованием программы ИГОАР позволили значительно сократить временные и материальные затраты при оптимизации технологических режимов и конструкций ЯТСУТЗ-реакторов.

3. Результаты выполненных исследований продемонстрировали возможности и механизм автоматического регулирования оптической плотности газовой фазы вблизи подложки путем изменения скорости газового потока, что позволяет повысить равномерность осаждения и минимизировать размытие концентрационного профиля в зоне срастания за счет исключения условий, приводящих к возникновению градиента температуры по подложке, нарушению ламинарности течения, возникновению возвратно-поступательных течений, "ячеек памяти" в потоке и т.д.

4. Разработанное программное обеспечение для цифровой обработки голографических интерферограмм может быть использовано в качестве практического инструмента при измерениях температурных полей в газовой фазе и статистической обработке результатов экспериментов.

5. Спроектированная базовая конфигурация программно-аппаратного комплекса для диагностики и управления газовыми потоками в RTCVD может быть реализована при создании систем как на стадии конструирования оборудования, так и на стадии его эксплуатации.

6. Получен патент на устройство для автоматизированного газофазного наращивания.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждена комплексным характером проведенных исследовании, контрольными экспериментами, применением современных методов исследований, включая математическое моделирование, соответствием полученных результатов постулатам газодинамики, теории автоматического управления и т.д.

Личное участие автора в получении научных результатов. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы получены автором лично. При участии автора создан экспериментальный комплект сложного лабораторного оборудования и проведен ряд основных экспериментов.

Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР "Конверсия и высокие технологии" Министерства общего и профессиональною образования РФ и международного проекта "Экспериментальные исследования газодинамики и моделирование газовых потоков в RTCVD-реакторе" (RUS 222.52), выполненного МИЭТ совместно с Институтом Твердотельной Электроники Технического Университета Ильмснау (ФРГ).

Ащюбмши1У.б0Ш- Основные положения диссертационной раПои.г. се научные и практические результаты докладывались и а Межнуюискои научно-технической конференции "Микроэлектроника и инфпрм.никл-^)".

Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления", IX Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчик-97", Всероссийской ' межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-98", Всероссийской межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов "Микроэлектроника и информатика-99".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (3 статьи, 5 тезисов докладов) и 2 отчета по НИР. Получен 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 52 наименований и двух приложений. Работа содержит 171 страницу машинописного текста, в том числе 142 страницы основного текста, 40 рисунков, а также 6 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются общие цели исследования, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе дается анализ методов диагностики и управления параметрами ЯТСУО, описываются их достоинства и недостатки. На основании проведенного анализа установлена необходимость дополнительных исследований и разработок в этой области, выявлено, что топографическая интерферометрия является эффективным методом для щучения быстрого термического процесса. Произведена постановка задачи на диссертационную работу. •

Во второй главе разрабатывается и исследуется динамическая модель оь:стро1 о термического процесса.

Традиционные динамические модели быстрых термических процессов разработаны для контроля термического режима подложки. В этих моделях учитываются процессы теплопереноса за счет радиации, конвекции и теплопроводности (рис. 1). Контролируемым параметром в таких системах является температура подложки, регулируемо» переменной - входная мощность; подаваемая к источникам ИК-излучения. Текущий контроль осуществляется с помощью фотонных и термоэлектрических датчиков.

Недостаток моделей такого типа прежде всего заключается в том, что в них не учитывается специфика быстрого термического процесса, обусловленная:

- нелинейностью термического обмена при радиационном воздействии;

- эффектами "термической памяти"; -нестационарностью процесса;

- температурной зависимостью чувствительности фотонных датчиков.

Традиционные динамические модели быстрых термических процессов также не предусматривают воздействие на состояние газовой фазы. Неопределенность некоторых величин, входящих в уравнение баланса тепловых потоков, например, температуры газовой фазы, коэффициента теплообмена в газовой фазе, которые зависят не только от динамики потоков, тепло- и массообмена в реакторе, но и от эффекта "термической памяти", только подтверждает это заключение. Ситуация усугубляется и тем, что на показания фотонных датчиков при детектировании температуры влияют флуктуации в газовой фазе. Исходя из этого следует, что в динамической модели ЯТСУО должен быть расширен спектр контролируемых переменных и система автоматического управления должна обеспечивать, кроме постоянства и воспроизводимое! и термического режима подложки, стабильность и воспроизводимость газодинамических условий п рабочей зоне реактора.

Входы пользователя

Система ламп Камера Подложка Процесс

• позиция; - мощность; - рефлектор; - разделительная перегородка - геометрия; - коэффициент излучения; - вход газа; - температура • геометрия; • коэффициент излучения; - теплопроводность - давление; -скорость потека; -газ; -температура

Модель

Радиационный обмен

Радиация, П01Л0Ще1ИЯЯ подложкой

Ишучешк подложки

Огражсюк

Теплопроводность

Конвеетивный

теплообмен с окружающей средой

Выход

в подложке

Температурное распределение по подложке

Рис. 1. Схема моделирования термического режима ЯТР.

Общеизвестно, что увеличение точности математического описания динамической модели и числа контролируемых переменных приводит к увеличению временных затрат на техническую реализацию закона управления. Динамические модели, лежащие в основе систем автоматического управления быстрыми термическими процессами, должны обеспечивать высокое быстродействие, поскольку продолжительность данных процессов исчисляется десятками секунд.

Преодолеть эти взаимоисключающие требования к динамической модели может использование в качестве контролируемой переменной интегральной характеристики процесса, позволяющей в реальном времени оценить состояние газовой фазы, температуру и характер потока.

В настоящей работе в качестве такой характеристики взята ошнческая плотность газовой- фазы. Для визуализации оптической

плотности газовой фазы в быстрых термических процессах успешно используются методы топографической интерферометрии. В настоящей работе за основу при разработке системы автоматического управления взят метод топографической интерферометрии в реальном времени.

Определение динамических характеристик RTCVD-реактора осуществлялось методом активной идентификации, поскольку п газофазных процессах каждый конкретный случай является самостоятельной проблемой, и ни о каких общих результатах, пригодных для любой геометрической формы реактора или любого характера движения газа, не может быть и речи. Для сокращения временных и материальных затрат на проведение экспериментальных исследовании, связанных с оптимизацией газодинамических условий в реакторе, было проведено численное моделирование газодинамических течений с использованием программы FIDAP (Fluid International Dynamics Analysis Package).

В соответствии с программой FIDAP газодинамическая картина в RTCVD реакторе может быть определена из анализа классических характеристик потока, описываемых с помощью системы нелинейных дифференциальных уравнений конвективного тепло- и массообмена (1) - (3) с учетом температурной зависимости плотности газовой фазы (4).

V(PV) = 0 , (1),

pWV = -VP + Vr + pg (2), pC,(VVT) = V(kVT) (3),

. ' />=;а[|-А(Т-Г0)] (4).

Численное интегрирование дифференциальных уравнений конвективного тепло- и массообмена осуществляется конечно-рлшосшым методом, для чего прежде всего необходима пространственная дискретизация рассматриваемой геометрической области - »пуфон^к; объёма реактора, которая делается на этапе построения reoucipifuxtou

модели. Число узлов в расчетной сетке конечных элементов составляло 3200, время решения - 6 часов 29 мин. 32 с.

В процессе моделирования изучалось влияние на стабильность свойств газовой фазы таких параметров, как:

- диаметр подложки;

- природа транспортирующего газа;

- высота свободного пространства между подложкой и кварцевой крышкой реактора;

- расход газа;

- длительность ИК-воздействия.

Результаты численного моделирования показали, что в рассматриваемой области экспериментальных условий равномерное распределение температуры в рабочей зоне реактора и строго ламинарный поток должны быть при размещении подложки на уровне середины реактора (h=26 мм), расход газа при этом должен быть 1 л/мин, причем более ст;:5ильное течение и равномерное поле температур наблюдаются при использовании подложек диаметром 150 мм по сравнению с подложками диаметром 100 мм. Стабильный термический режим в газовой фазе и установившийся поток формируются через 18 секунд после начала облучения подложки некогерентным ИК-нзлучением. Неустойчивое течение, дестабилизирующее воздействие выталкивающих сил в большей степени характерны для аргона по сравнению с водородом.

Оптимизация процессов, протекающих в прозрачных средах, невидимых для человеческого глаза, существенно упрощается, если удается их визуализировать.

Наиболее достоверные сведения о развитии газофазных процессов позволяют получить измерения in situ, среди которых уникальными возможностями обладает топографическая интерферометрия.

Существует несколько разновидностей практической реализации меюдл. Одна из них - двухэкспозиционная голографическая

интерферометрия -предполагает последовательную регистрацию двух голограмм, соответствующих двум состояниям одного и того же объекта. Одновременно восстанавливаясь, две волны, являющиеся голографическими копиями волн, зарегистрированных во время экспозиций на фотоматериале голограмм, интерферируют.

Однако в тех случаях, когда необходимо получить информацию о непрерывно меняющемся объекте для того, чтобы выбрать для фотографирования наиболее критические моменты времени и наиболее интересные участки, более результативным является применение голографической интерферометрии в реальном времени. Этот метод позволяет наблюдать изменение интерференционной картины одновременно с изменением оптической неоднородности среды.

Испытания проводились на топографическом измерительном комплексе, сконструированном на базе установки УИГ-1М, неотъемлемой частью которого является реакторный блок.

Расчет радиального распределения оптической плотности газовой фазы в пространстве над подложкой осуществляется по сдвигу интерференционных полос на фотографическом изображении голографической интерферограммы фазового объекта. При этом может использоваться метод ступенчатой функции, когда фазовый объект делится на эквидистантные концентрические зоны, в которых показатель преломления п считается постоянным.

В настоящей работе распределение оптической плотности в произвольно выбранной точке реактора рассчитывалось также в приближении двумерного фазового объекта с учетом изменения длины оптического пути и=2[Яг-(К-'У|)2]|/2 в направлении экспонирования (рис. 2).

( '' —и \

У, у

Рис. 2.

Смещение интерференционных полос определялось соотношением

8(х,у) =

а плотность газовой фазы в поле потока в радиальном направлении р(у,г) равна

р(у,г)=рт+8(х,у)ЯУКЦ.

Результаты экспериментальных исследований позволили дифференцировать факторы, воздействующие на температурные поля в реакторе и объединить их в две группы следующим образом. К первой группе относятся факторы, определяющие соответствие геометрических параметров реакционной зоны - высота свободного пространства над подложкой, диаметр подложки, способ подачи транспортирующего газа в реактор. Эти параметры имеют доминирующее влияние на равномерность нагрева и воспроизводимость результатов, они должны быть он шмилирошшм и стабильны от процесса к процессу.

Вторая группа параметров - расход транспортирующего газа и продолжительность термического воздействия, в отличие от первой, может использоваться для активного воздействия на процесс в реальном времени. Учитывая, что продолжительность термического воздействия является технологическим параметром, определяющим' заданные конечные характеристики изделий, использовать этот параметр для регулирования параметров газовых потоков нецелесообразно, воздействие на расход газа более предпочтительно для этих целей.

Условиями оптимальности газодинамических ситуаций в RTCVD является ламинарное течение и постоянство оптической плотности газовой фазы над поверхностью подложки в рабочей зоне реактора. При постоянной оптической плотности газовой фазы над поверхностью подложки (при равномерном нагреве) скорость гетерогенного процесса также постоянна.

В качестве наблюдаемой переменной в системе контроля оптической плотности газовой фазы при топографической диагностике может использоваться смещение интерференционных полос на голографической интерферограмме от заданного оптимального расположения.

В двумерных фазовых объектах ход интерференционных полос совпадает с ходом изотерм. При постоянной оптической плотности газовой фазы над поверхностью подложки в двумерных фазовых объектах интерференционные полосы располагаются параллельно поверхности подложки, при этом расстояние между полосами определяется градиентом показателя преломления.

В радиально-симметричном фазовом объекте ход полос не идентичен ходу изотерм. Условием постоянства оптической плотности газовой фаты и радиально-симметрнчном объекте будет S(x,y)A/K.L,=const.

Если управляющее воздействие на распределение оптической плотности газовой фазы осуществляется путем изменения расхода raía, го при отклонении расположения интерференционных полос от заллннои

функции распределения оптической. плотности газовой фазы над подложкой, которая устанавливается с учетом термического режима процесса, должен приводиться в действие механизм изменения расхода газа. Управляющее воздействие на газовый поток вырабатывается с учетом эмпирических данных, полученных в соответствующей области экспериментальных условий.

Таким образом, система автоматического управления газовыми потоками должна включать следующие основные элементы:

• реактор с системой оптических элементов, обеспечивающих экспонирование рабочей зоны излучением Не-Ые лазера, размещенный в голографическом измерительном комплексе, для осуществления визуализации газовой фазы;

- систему регистрации и передачи видеоизображения;

- устройство управления с обратной связью, включающее ЭВМ для обработки изображения, сравнения его с эталоном, выработки управляющего воздействия.

В третьей главе рассмотрены, обобщены и развиты математические основы создания программного обеспечения для обработки голографической картины быстрого термического процесса с целью получения управляющего воздействия. В начале главы проанализирован ряд проблем, возникающих при решении задачи обработки голографического изображения.

Главной проблемой при обработке видеоданных о расположении интерференционных полос является неравномерная интенсивность изображения по всей области экспонирования. При этом одни участки имеют слишком большое значение интенсивности (подсвечены белым), другие наоборот - слишком малое (затемнены). Следовательно, создаваемое программное обеспечение должно учитывать эти особенности и бороться с данными побочными эффектами.

Рассмотрение метода обработки изображения, основанного на применении вейвлет-анализа, принцип которого строится на вейвлетах Хаара, показало применимость данного метода к решению поставленной задачи.

Как известно, любой сигнал можно разложить на сумму гармоник (синусоид) различной частоты. По синусоидальные волны бесконечны и слабо отслеживают изменения сигнала во времени. Чтобы уловить эти изменения, вместо бесконечных волн достаточно взять короткие "всплески" - абсолютно одинаковые, но разнесенные по времени. Но этого еще недостаточно. Необходимо добавить их всевозможные растянутые и сжатые копии. После этого любой сигнал можно разложить на сумму всплесков разного размера и местоположения. В этом суть применения вейвлет-анализа.

Сам по себе вейалет-анализ имеет две основные ветви: непрерывный вейвлет-анализ и ортогональный вейвлет-анализ. В нашем конкретном случае -обработка изображения - следует использовать ортогональный вейвлет-анализ. Для обработки изображения по принципу вейвлегов применяется вейапет-нормализация.

Вейвлет-нормапизация - это процесс, проходящий в три этапа:

- прямое сжатие вейвлетом Хаара;

- выравнивание интенсивности на последнем уровне;

- обратное вейвлет-преобразование (восстановление изображения).

Вейвлет-нормализация позволяет избавиться от крупномасштабных помех, возникающих при не оптимальной настройке оптической системы. При такой настройке на визуализируемом изображении появляются участки с раэшичной световой интенсивностью. При этом одни части изображения мо|ут быть слишком сильно подсвечены, а другие наоборот - слишком сильно затемнены. Значение интенсивности после выравнивания рекомендуетеч использовать как граничное при выделении иитерферешшонных полос.

При решении двумерной задачи используется следующая система уравнений (система Хаара) Г(2х,2уДх,у И'(х I ,у) («х,у!) ■^х 1 ,у 1), и I(2х,2у) -Г(х,у)-Г(х 1 ,у)! Г(х,у 1 )-Цх 1 ,у 1), \\'2(2х,2у)=Г(х,у) Н{х1 ,уЬЦх,у 1 )-Дх1 ,у I), \\3(2.\,2у) Г(х,у)-Г(х 1 ,у)-Дх,у 1) + Г(х1,у)) (5).

Для данной системы уравнений Г(2х,2у) является скейлииг-функцией, соответственно \у](2х,2у), \у2(2х,2у) и \".'3(2х,2у) - три вейвлета, построенные по ней. На основе уравнений (5) производи! ся пирамидальная (фильтрация изображения (часто говорят пирамидальное сжагие). Она проходит в три этапа:

- к исходному изображению применяется низкочастотный фильтр, основанный на скейлиж-функции;

- к изображению применяются высокочастотные фильтры, основанные на кейвлетах, построенных но этой скейлиш -функции;

- преобразования I и 2 применяются к результату низкочастотной фильтрации. Механизм сжатия изображения может быть представлен следующим образом.

На первом уровне преобразования изображение делится на квадраты по четыре пикселя в каждом и к каждому квадрату применяется система уравнений (5). Полученные результаты записываются в этот же квадрат на следующем уровне и обрабатываются также по четыре пикселя.

х.У *|,У

х,у! х1,у1

Г wl

и2 wЗ

Координаты квадратов рассчитываются последующим формулам х-1'2" х I -х н2а"'; у )*2" у) у<2"

(до а - уровень преобразования. 1 - количество Строк и патрице, j - количество столбцов « матрице. Например, при ¡1 и )-0 и нервом уровне преобразования, получаем \ 3, у 0, у Г 1.

На последнем уровне производится выравнивание интенсивное! и ятя снятия крупных помех (например, подсвеченные облаете изображения). Значения всех интснсивностей заменяются значением средней интенсивности Далее это среднее значение интенсивности используется как граничное значение интенсивности при распознавании интерференционных полос.

Обратное вейвлет-преобразовапне или восстановление изображения происходит так же, как и сжатие, но с одним отличием. Этим отличием является то, что при сжатии уровень преобразования увеличивается после обработки текущего уровня, а при восстановлении - уменьшается. Все остальное остается без изменений ввиду свойств самоподобных систем.

Для выделения полос интерференции используется рекурсивный алгоритм заполнения замкнутых контуров. В этом алгоритме границей контура служит граница интенсивности по которой определяется, принадлежит ли данный пиксель линии или нет. При этом точкам с интенсивностью меньше граничной присваивается значение 0, точкам с интенсивностью совпадающей с граничной или более - значение 1. Первым шагом просматриваются все точки в горизонтальном направлении, потом все точки над и иод предыдущими, для каждой из этих точек вызывается аналогичная процедура.

На основе вышеизложенного при участии автора было разработано программное обеспечение ("Project2.exe"), которое предназначено для обработки топографических интерферограмм газовой фазы при протекании быстрого термического процесса в реальном времени и позволяет оптимизировать быстрый термический процесс с точки зрения равномерности температурного распределения над подложкой в течение процесса. Краткое описание работы программы приведено ниже.

В начале процесса программа обработки изображения просчитывает количество интерференционных полос по подложке, начиная ог центра и заканчивая периферией. Далее, путем изменения расхода газа в соответствии с

эмпирической зависимостью "число интерференционных полос - расход газа", система управления последовательно меняет количество полос в пределах от -1 до +1 по отношению к количеству полос в начале процесса. Для каждого количества полос программа рассчитывает координаты оптимального расположения полос и величину несовпадения, после чего рассчитывается среднее значение несовпадения по формуле

N

Sx, Ах-Чр

где i - номер интерференционной полосы;

х, - несовпадение оптимальной и реальной координат полосы с номером i; N - максимальное количество полос по подложке.

После просчета всех трех случаев имеем три величины средних значений несовпадения. Из этих значений выбирается минимальное, после чего путем изменения расхода газа устанавливается соответствующее количество полос. Эго количество поддерживается системой автоматического управления в течение всего процесса.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке перспективной системы автоматического управления RTCVD-реактором. В начале главы проведен анализ существующих систем контроля и управления с целью использования их элементов. Отмечено, что при построении перспективной системы управления RTCVD оригинальные устройства контроля могут быть использованы дня построения датчиков информации как в главной цепи управления, гак и во вспомогательных системах стабилизации или управления отдельными параметрами; сюда вполне могут быть отнесены средства ишеречни или стабилизации температуры, давления, плотности газовой фазы и т.н Покатано, что система регулирования основных параметров должна быть с обратной связью Для достижения необходимой устойчивости и качества регулирования п систему надо ввести корректирующее устройство.

Гак как управление быстрым термическим процессом предложено весчи путем изменения расхода газа, то для определения реакции к ГСVI) на изменение скорости газового потока был проведен эксперимент по анализу установления по времени нового расположения интерференционных полос на изменение скорости газового потока скачком (условно принимаем, что реактор описывается линейной системой уравнений или их можно линеаризовать в достаточно малой зоне около установившегося значения).

По виду переходной функции на скачок скорости газового потока установлены вид и параметры передаточной функции ЯТСУО-реактора по скорости изменения газового потока (выходной величиной будет обобщенный параметр - оптическая плотность газовой среды). Она выражается следующим образом

После получения переходной функции реактора была спроектирована цепь обработки сигнала. Сформированная цепь обработки сигнала позволила разработать блок-схему автоматической системы управления, она представлена на рис. 3.

После этого был проведен анализ влияния современных компьютерных средств на динамические характеристики систем управления, на основе данного анализа была выработана методика определения передаточных функций видеокамеры, устройств передачи и обработки видеоизображения, вычислительных устройств выработки текущего значения обобщенного параметра и управляющего напряжения двигателя. В соответствии с данной методикой, на основе блок-схемы перспективной системы управления быстрыми термическими процессами была построена следующая структурная схема (рис. 4).

1 - источник когерентного излучения; 2 - оптическая система; 3 - реактор; 4 - видеокамера; 5 - устройство кодирования; 6 - радиолокационный передатчик; 7 - пространство; 8 - радиоприемное устройство; 9 - устройство дешифрации сигнала; 10 - вычислительное устройство обработки изображения; 11 - вычислительное устройство выработки текущего значения обобщенного параметра; 12 - устройство задания значения обобщенного параметра; 13 - вычислительное устройство выработки управляющего напряжения двигателя; 14 - ЦАП; 15 -двигатель; 16 - редуктор; 17 - устройство перемещения заслонки; 18 - устройство задания и поддержания базового режима процесса; 19 - монитор для визуального наблюдения; 20 - оператор.

Рис. 4.

Соответствующие выражения для передаточных функций имеют вид:

W3 4 , - передаточная функция корректирующего устройства;

'«орЬ-1-'

WJ(S)=KAB/S(TMS-i-l) - передаточная функция двигателя; ^/б(3)=Кред - передаточная функция редуктора;

Wt(S)=K7 - передаточная функция устройства перемещения заслонки; WsCS^Kp/ÎTpS+l) - передаточная функция реактора;

W<>(S)=e - передаточная функция видеокамеры;

Wio-m(S) - передаточная функция радиопередатчика, пространства,

радиоприемника, устройства кодирования, устройства дешифрации сигнала;

/ - '

Wis.i6(S)=e 2 - передаточная функция вычислительного устройства (ВУ), реализующего ВУ обработки изображения и ВУ выработки текущего значения обобщенного параметра.

Для достижения необходимой устойчивости и качества регулирования в систему управления введено последовательное корректирующее устройство. Синтез корректирующего устройства проводился с использованием логарифмических частотных характеристик. Было произведено построение J14X отдельных элементов, ЛЧХ неизменяемой части, и непосредственно сиитш корректирующего устройства.

В результате синтеза получены следующая передаточная функция корректирующего устройства

1

Т^+Г

Для проверки полученного качества ре[-улирования с помощью номограммы для построения вещественной характеристики замкнутой системы Р(<н) по логарифмической амплитудно-фазовой характеристике разомкнутой системы построена вещественно-частотная характеристика Р(<о). Точная прямая Р(л1) аппроксимирована на основании метода трапецеидальных характеристик. Построены переходные функции для каждой трапеции и суммарная переходная функция синтезированной системы на единичный скачок по положению.

Полученные показатели качества = 52%, Тр= 0,75 с. при стандартной ошибке Л5% и одном колебании за время регулирования вполне устраивают требования системы управления КТСУО-реактором.

Ир» необходимости реализовывать корректирующее устройство с помощью ЦВМ его вид определен с помощью 2-прсобразования. В нашем случае корректирующее устройство имеет вид

т(г+Г7тЗ Чт

Т-Л 1 Т-г

т 1г } го т

Г+—

В заключении приведены кратко сформулированные основные результаты и выгоды, полученные в ходе работы над диссертацией.

В_[Ц'ИЖ!женит\ представлены таблицы для построения переходной

функции замкнутой системы с помощью метода трапецеидальных харпктерисгик. фрагмент программы "Project2.exe", разработанной для обработки топографической картины быстрого термического процесса в реальном времени, и документы о внедрении результаюп диссертационной раоош.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТ! РЛЮТЫ

Основным результатом диссертационной работы является решение ряда взаимосвязанных проблем, связанных с созданием програмчпо-аиипратиого комплекса для диагностики и управления газовыми потоками в реакторах для быстрых термических процессов.

Получены следующие научные и практические результаты.}

]. На основании анализа перспективности, специфики и основных проблей ЯТС\/Т) показана необходимость расширения спектра контролируемых переменных в системах автоматического управления этими процессами и обеспечения стабильности и воспроизводимости газодинамических условий в рабочей зоне реактора.

2. Разработан метод управления газодинамическими потоками в КТСУО-реакторе, основанный на использовании голографической интерферометрии для визуализации газовой фазы.

3. Предложена модель оптимизации газодинамических условий при протекании ЙГСУО, в основе которой лежит принцип постоянства оптической плотности газовой фазы в зоне реактора, в качестве наблюдаемои л.-г^менной в системе контроля оптической плотности используется смещение интерференционных полос на голографической интерферограмме от оптимального.

4. Проведено численное двумерное моделирование газодинамических течений в ЯТСУО-реакторе. Результаты моделирования позволили установить соответствие геометрических параметров реакционной зоны, скоростей газовых потоков и продолжительности термического воздействия.

5. Выполнены экспериментальные исследования . газодинамическ;^ течений в однопозиционном осесимметрнчном НТСУО-рсакторе. Установлено влияние на распределение оптической плотности и температуры в газовой ф««е

высоты свободного пространства над подложкой, скорости потока, вида транспортирующего газа, диаметра подложки.

6. Показано, что управляющее воздействие на газодинамическую ситуацию в реакторе наиболее эффективно оказывает изменение расхода транспортирующего газа. Вычислена эмпирическая зависимость количества интерференционных полос по подложке в зависимости от расхода газа.

7. Произведен выбор метода обработки голографического изображения интерференционных полос, разработан алгоритм обработки изображения и алгоритм выработки команд унраатения. По этим данным разработано программное обеспечение.

8. Проведены экспериментальные исследования влияния расхода водорода на расположение интерференционных полос на голографических интерферограммах газовых течений и определена передаточная функция кТСУЮ-реактора.

9. Предложена структура системы автоматического управления ЮСУ!)-реактором но обобщенному параметру. На основании исследования влияния вычислительных средств на динамические характеристики систем управления определены передаточные функции видеокамеры, устройств передачи и обработки видеоизображения, вычислительных устройств выработки текущего значения обобщенного параметра и управляющего напряжения двигателя.

10. Проведено исследование перспективной системы управления на устойчивость и качество регулирования, Выявлена необходимость введения в систему последовательного корректирующего устройства. Синтезировано последовательное корректирующее устройство автоматической системы > крапления.

11. Получен патент на устройство для автомат)!.;опанного газофазного' нлришинлнии.

12. Получены экспериментальные результаты внедрения программно-аппаратного комплекса (ПЛК), созданного на основе теоретических материалов диссертационной работы. Применение ПЛК позволило уменьшить разброс осаждаемых пленок поликристаллического кремния по толщине в два раза. Некоторые результаты работы внедрены в учебный процесс (курсы "Новые технологические процессы микроэлектроники" и "Быстрые термические процессы", изучаемые на кафедре МГГГЭ МИЭТ).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ.

1. Бархоткин A.B. Моделирование быстрых термических процессов с использованием программы F1DAP. Микроэлектроника и информатнка-98 // Тезисы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. М.: - МИЭТ. - 1998.

2. Бархоткин А.В1, Райнова Ю.П. Программно-аппаратный комплекс для обработки изображения с целью анализа процессов в химических реакторах. Тула. - ТГУ. - 1998.

3. Бархоткин A.B. Требования к программно-аппаратному комплексу для управления быстрыми термическими процессами. Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. Таганрог. -ТРТУ. - 1997. - С. 128.

4. Бархоткин A.B., Пецольдт Й., Райнова Ю.П., Савченко Ю.В. Принципы построения программно-аппаратного комплекса для контроля и управления быстрыми термическими процессами // Тезисы докладов IX Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчнк-97". М.: - МГИЭМ. - 1997. - С. 236 - 238.

5. Бархоткин A.B. Численное моделирование газодинамических течений в эпитаксиапьных реакторах. Микроэлектроника и информатика-%. Тезисы

докладов межвузовской научно-технической конферотш^:. M : - МИЭТ. - 1996. -С. 126.

() Ьархоткин A.B., Кочкарев A.A. Влияние современных компьютерных средств на динамические характеристики систем управления. Сборник научных трудов. - Информ. техника и проблемы МЭ //М.: - МИЭГ. - 1999. - С. 185 - 191.

7. Ьархогкин A.B., Райкова Ю.Г1. Диагностика и контроль быстрых термических процессов. Электроника // известия ВУЗов. -М.: - МИЭТ. - 1999. - № 4. - С. 59 -71. • '

8. Ьа(/Хоткин A.B. Влияние расположения интерференционных полос на равномерность распределения плотности газовой фазы в RTCVD реакторе. Микроэлектроника и информатика-99 // Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. М.: -МИЭТ. - 1999. - С. 68.

9. Нархоткин A.B., Райнова Ю.П. Программно-аппаратный комплекс для контроля и управления параметрами RTP реакторов с использованием голографнческой диагностики газовой фазы. Отчет о НИР (промежуточный) // Московский институт электронной техники (МИЭТ); Руководитель Райнова Ю.П.-М.: - 1997.

10. Бархоткин A.B., Райнова Ю.П. Программно-аппаратный комплекс для контроля и управления параметрами RTP реакторов с использованием голографнческой диагностики газовой фазы. Отчего НИР (промежуточный) // Московский институт электронной техники (МИЭТ); Руководитель Райнова Ю.П.-М : - 1998.

Глава 1. Методы диагностики и контроля параметров ШСУТ).

1.1. Методы диагностики параметров ятс\Т).

1.1.1. Методы измерения температуры подложки.

1.1.2. Исследование температурных полей в газовой фазе.

1.2 Системы управления температурой подложки в быстрых термических процессах.

1.3. Постановка задачи диссертационной работы.

Выводы.

Глава 2. Разработка динамической модели автоматического управления газовыми потоками в гетерогенных быстрых термических процессах реакционной конденсации.

2.1. Исследование газодинамических режимов численным моделированием с использованием программы НО АР.

2.2. Определение динамических характеристик газофазных процессов в ЯТСУТ) методом активной идентификации.

2.2.1. Описание аппаратурного оформления для реализации ЯТСУБ и визуализации газовых потоков.

2.2.2. Техническая реализация метода голографической интерферометрии.

2.2.3. Интерпретация интерференционных полос в радиально-еимметричном фазовом объекте. Расчет поля показателей преломления газовой фазы. Расчет хода интерференционных полос для постоянной оптической плотности газовой фазы.

2.2.4. Исследование влияния параметров процесса и геометрии рабочей зоны реактора на изменение оптической плотности газовой фазы.

2.2.5. Оптимизация газодинамических условий в ЯТС VI)-реакторе и принципы построения системы управления газовыми потоками.

Выводы.

Глава 3. Математические основы создания программного обеспечения для обработки голографической картины быстрого термического процесса с целью получения управляющего воздействия.

3.1. Проблемы, связанные с программным и аппаратным обеспечением при визуализация газофазных процессов методом голографической интерферометрии в реальном времени.

3.2. Вей влет-анализ.

3.2.1. Вей вл ет- нормализация.

3.3. Методические указания по использованию программного обеспечения для обработки голографического изображения.

3.4. Основные принципы и особенности программы обработки в реальном времени голографического изображения интерференционной картины газовой фазы при протекании КТСУВ.

Выводы.

Глава 4. Исследование и разработка перспективной автоматической системы управления ЯТСУВ-реактором.

4.1. Анализ возможности автоматического управления ЯТСУО по обобщенному параметру.

4.1.1. Анализ существующих систем контроля и управления с целью использования их элементов.

4.2. Экспериментальные исследования изменения расположения интерференционных полос при изменении скорости газового потока.

4.3. Формирование цепи обработки информации в системе автоматического управления качеством изготовления подложек в ЯТСУЭ-реакторе по обобщенному параметру.

4.3.1. Разработка блок-схемы перспективной системы управления ИТСУО.

4.3.2. Разработка структурной схемы перспективной системы управления ЯТСУВ.

4.4. Исследование влияния современных вычислительных средств на динамические характеристики систем управления.

4.4.1. Методика определения передаточных функций видеокамеры, устройств передачи и обработки видеоизображения, вычислительных устройств выработки текущего значения обобщенного параметра и управляющего напряжения двигателя.

4.5. Синтез корректирующего устройства системы управления RTCVD реактором по обобщенному параметру.

Выводы.

Многообразие систем и комплексов управления в настоящее время достигло невероятного размаха. С каждым днем появляются новые разработки в совершенно различных отраслях деятельности человека. Прогресс в этой области вполне объясним последними достижениями микроэлектроники, в том числе миниатюризацией и увеличением возможностей элементной базы. Естественно, микроэлектроника также нуждается в освоении передовых технологий производства, которые, в свою очередь, требуют современных методов диагностики и управления. Одной из передовых технологий микроэлектронного производства на сегодняшний день являются быстрые термические процессы.

К быстрым термическим процессам (Rapid Thermal Processing, RTP) относятся процессы, в которых нагрев осуществляется в диапазоне длительностей от пикосекунд до десятков секунд. Для реализации быстрого термического воздействия используются интенсивные потоки электронов, лазерное излучение, некогерентное ИК-излучение.

Наибольшее распространение в настоящее время в микроэлектронике получил изотермический отжиг с использованием источников некогерентного ИК-излучения (длительность воздействия - десятки секунд), обеспечивающий однородность температурного профиля по поверхности и глубине пластины.

В диссертации рассматривается только этот вид термического воздействия, и термин RTP будет относиться только к процессам, протекающим при радиационном воздействии на подложки излучения в диапазоне длин волн 0.5-2.0 мкм.

Быстрые термические процессы нашли применение при быстром термическом отжиге, быстром термическом окислении, быстрой термической нитридизации, химическом осаждении из пара (RTCVD, Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition), синтезе соединений, формировании контактов, очистке поверхности, кристаллизации кремния, геттерировании примесей, диффузии, селективном осаждении дисилицида титана, нитрида титана, при получении магнитных плёнок. Трудно сейчас представить термическую операцию для изготовления ИС, при реализации которой не изучались бы возможности применения быстрого термического воздействия.

По прогнозам специалистов Salzer Technology Enterprises Inc. (USA) общий рынок RTP-оборудования растёт ежегодно более чем на 70% [1], примерно 90% публикаций, посвященных изготовлению субмикронных устройств, и опубликованных в последние годы, связаны с использованием RTP в различных технологиях [2].

Рост сложности ИС и соответствующее ужесточение технологических требований, связанных с повышением количества стадий процесса изготовления ИС, увеличением диаметра пластин, уменьшением размеров элементов, толщин слоев, повышением стерильности газовой фазы стимулируют разработки технологий с использованием К ТР. Однако необходимо отметить, что огромные преимущества 11ТР-систем не реализуются в настоящее время в полной мере в промышленном производстве вследствие недостаточной воспроизводимости термического режима и неравномерности температуры подложки при ИК-нагреве. Данное обстоятельство подтверждает актуальность работы. Причины, с которыми связаны эти ограничения, обусловлены конструкционными особенностями существующего оборудования, условиями тепло- и массообмена, газодинамикой в рабочей зоне реактора, несовершенством систем диагностики и контроля параметров и т.д.

Целью настоящей работы является исследование возможности создания автоматической системы для диагностики и управления газовыми потоками в реакторах для быстрых термических процессов.

Методы исследования. Для теоретического и практического решения поставленной задачи использовались такие методы как моделирование, теория тепло- и массопереноса, теория вейвлет-преобразования, теория автоматического регулирования. Эксперименты проводились с применением методов голографической интерферометрии.

В качестве объекта автоматизации был выбран осесимметричный однопозиционный ЯТСУВ-реактор для газофазного химического осаждения при быстром термическом воздействии. В КТСУБ-реакторах проблема управления газовыми потоками приобретает особо важное значение, поскольку большинство процессов реакционной конденсации, использующихся в микроэлектронике, являются гетерогенными и однородность свойств конденсируемой фазы, размытие концентрационного профиля в зоне срастания зависят не только от термического бюджета процесса, равномерности нагрева подложки, но и от организации газового потока, особенно в диффузионной области протекания реакции.

Контролируемой переменной в системе диагностики и контроля была принята интегральная характеристика газовой фазы - оптическая плотность. Визуализация изменений оптической плотности осуществлялась методом голографической интерферометрии в реальном времени. К преимуществам голографической интерферометрии можно отнести отсутствие инерционных погрешностей, что позволяет выполнять точные измерения быстро протекающих процессов. Голографические измерения не искажают истинной картины объекта, поскольку энергия, поглощаемая средой, мала по сравнению с энергией, передаваемой в процессе теплообмена.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Установлена принципиальная возможность диагностики и управления газовыми потоками в II ГСУЭ-реакторе по оптической плотности газовой фазы, визуализируемой методом голографической интерферометрии в реальном времени.

2. Разработана модель распределения оптической плотности газовой фазы в рабочей зоне КТСУБ-реактора для достижения равномерного осаждения тонких пленок, базирующаяся на мониторинговых наблюдениях расположения интерференционных полос на голографических интерферограммах газовых течений.

3. Установлены параметры ЛТСУО, которые могут наиболее эффективно использоваться для активного воздействия на автоматизируемый процесс в реальном времени с целью достижения заданной температурной траектории в газовой фазе.

4. Предложена методика интерпретации интерференционных полос на голографических интерферограммах газовых потоков радиально-симметричного фазового объекта.

5. Разработан алгоритм цифровой обработки голографических интерферограмм газовой фазы ЯТСУВ-реактора в реальном времени, в основе которого лежит принцип вейвлет-преобразования. По данному алгоритму создано соответствующее программное обеспечение.

6. Предложена структура системы автоматического управления ИТСУО-реактором по обобщенному параметру.

7. Создана методика определения передаточных функций отдельных элементов системы управления.

8. Проведен анализ перспективной системы управления на устойчивость и качество регулирования. Выявлена необходимость введения в систему корректирующего устройства.

9. Синтезировано корректирующее устройство системы автоматического управления ЯТСУО-реактором. и

Практическая значимость работы определяется следующим.

1. Анализ результатов моделирования и эксперим ентальных данных протекания процесса показал возможность исследования процесса с помощью моделирования.

2. Параметрические исследования ЯТСУТ) при помощи моделирования с использованием программы БГОАР позволили значительно сократить временные и материальные затраты при оптимизации технологических режимов и конструкций ЯТСУВ-реакторов.

3. Результаты выполненных исследований продемонстрировали возможности и механизм автоматического регулирования оптической плотности газовой фазы вблизи подложки путем изменения скорости газового потока, что позволяет повысить равномерность осаждения и минимизировать размытие концентрационного профиля в зоне срастания за счет исключения условий, приводящих к возникновению градиента температуры по подложке, нарушению ламинарности течения, возникновению возвратно-поступательных течений, "ячеек памяти" в потоке и т.д.

4. Разработанное программное обеспечение для цифровой обработки голографических интерферограмм может быть использовано в качестве практического инструмента при измерениях температурных полей в газовой фазе и статистической обработке результатов экспериментов.

5. Спроектированная базовая конфигурация программно-аппаратного комплекса для диагностики и управления газовыми потоками в КТСУБ может быть реализована при создании систем как на стадии конструирования оборудования, так и на стадии его эксплуатации.

6. Получен патент на устройство для автоматизированного газофазного наращивания.

На защиту выносятся.

1. Методика определения оптимального расположения интерференционных полос.

2. Динамическая модель автоматического управления газовыми потоками в гетерогенных быстрых термических процессах.

3. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие обоснованность теоретических разработок.

4. Программное обеспечение для обработки голографической картины интерференционных полос в реальном времени.

5. Методика выработки управляющего воздействия для оптимизации температурного распределения по подложке в ЯТСУО-реакторе.

6. Структура программно-аппаратного комплекса для контроля и управления газовыми потоками в ЯТСУО-реакторах.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждена комплексным характером проведенных исследований, контрольными экспериментами, применением современных методов исследований, включая математическое моделирование, соответствием полученных результатов постулатам газодинамики, теории автоматического управления, физике и т.д.

Личное участие автора в получении научных результатов. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы получены при непосредственном участии автора. При участии автора создан экспериментальный комплект сложного лабораторного оборудования, проведен ряд основных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, ее научные и практические результаты докладывались на Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика-96", Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления", IX Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчик-97", Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-98", Всероссийской межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов "Микроэлектроника и информатика-99".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (3 статьи, 5 тезисов докладов) и 2 отчета по НИР. Получен 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 52 наименований и двух приложений. Работа содержит 171 страницу машинописного текста, в том числе 142 страницы основного текста, 40 рисунков, а также 6 страниц приложений.

выводы.

1. Проведен анализ предпосылок и выявлена возможность автоматического управления ЯТСУО-реактором по обобщенному параметру.

2. Анализ существующих систем контроля и управления отдельными параметрами реактора показал возможность их использования для организации многопараметрического управления в совокупности с управлением по обобщенному параметру.

3. Проведены экспериментальные исследования изменения расположения интерференционных полос при изменении скорости газового потока и определена передаточная функция реактора при управлении по изменению расхода газа.

4. В связи с тем, что управление ЛТСУО-реактором предлагается вести по обобщенному параметру, характеризуемому расположением интерференционных полос, проведены исследования и формирование цепи обработки этой информации для управления качеством изготовления подложек.

5. Проведены исследования влияния современных вычислительных средств на динамические характеристики систем управления. На основании выработанной методики определены передаточные функции устройств, входящих в систему автоматического управления.

6. Синтез предлагаемой системы управления ЯТСУО-реактором по обобщенному параметру и его результаты показывают реальность построения

161 такой системы. Полученные показатели качества <7макс = 52%, Тр= 0,75 с. при стандартной ошибке Д = 5% и одном колебании за время регулирования вполне устраивают требования системы управления ЯТСУО-реактором.

7. Для достижения необходимой устойчивости и качества регулирования синтезировано и введено в систему управления корректирующее устройство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В работе получены следующие основные результаты.

1. На основании анализа перспективности, специфики и основных проблем КТС\Т) показана необходимость расширения спектра контролируемых переменных в системах автоматического управления этими процессами и обеспечения стабильности и воспроизводимости газодинамических условий в рабочей зоне реактора.

2. Разработан метод управления газодинамическими потоками в ЯТСУО-реакторе, основанный на использовании голографической интерферометрии для визуализации газовой фазы.

3. Предложена модель оптимизации газодинамических условий при протекании ИТСУВ, в основе которой лежит принцип постоянства оптической плотности газовой фазы в зоне реактора, в качестве наблюдаемой переменной в системе контроля оптической плотности используется смещение интерференционных полос на голографической интерферограмме от оптимального.

4. Проведено численное двумерное моделирование газодинамических течений в К.ТС\Т)-реакторе. Результаты моделирования позволили установить соответствие геометрических параметров реакционной зоны, скоростей газовых потоков и продолжительности термического воздействия.

5. Выполнены экспериментальные исследования газодинамических течений в однопозиционном осесимметричном КТСУВ-реакторе.

6. Установлено влияние на распределение оптической плотности и температуры в газовой фазе высоты свободного пространства над подложкой, скорости потока, вида транспортирующего газа, диаметра подложки.

7. Показано, что управляющее воздействие на газодинамическую ситуацию в реакторе наиболее эффективно оказывает изменение расхода транспортирующего газа. Вычислена эмпирическая зависимость количества интерференционных полос по подложке в зависимости от расхода газа.

8. Произведен выбор метода обработки топографического изображения интерференционных полос, разработан алгоритм обработки изображения и алгоритм выработки команд управления. По этим данным разработано программное обеспечение.

9. Предложенный способ контроля интерференционных полос позволил провести экспериментальные исследования изменения расположения интерференционных полос при изменении скорости газового потока и определить передаточную функцию КТСУО-реактора при управлении по скорости изменения потока.

10. Предложена структура системы автоматического управления ЯТСУО-реактором по обобщенному параметру.

11. На основании исследования влияния вычислительных средств на динамические характеристики систем управления определены передаточные

164 функции видеокамеры, устройств передачи и обработки видеоизображения, вычислительных устройств выработки текущего значения обобщенного параметра и управляющего напряжения двигателя.

12. Проведено исследование перспективной системы управления на устойчивость и качество регулирования. Выявлена необходимость введения в систему последовательного корректирующего устройства.

13. Синтезировано последовательное корректирующее устройство автоматической системы управления.

14. Получен патент на устройство для автоматизированного газофазного наращивания.

15. Ряд результатов работы внедрен в учебный процесс (курсы "Новые технологические процессы микроэлектроники" и "Быстрые термические процессы", изучаемые на кафедре МГГГЭ МИЭТ).

1. Salzer J.M. RTP: What's Ahead? il Solid State Technology. - 1992 - V5. -P. 62-63.

2. Lojek B. The evolving role of Rapid Thermal Processing for deep submicron devices.-Advances in Rapid Thermal and Integrated Processing. Ed. Roozeboom F. // NATO ASI Series. 1996. - Vol. 318. - P. 465 - 492.

3. Roozeboom F. History and perspectives of Rapid Thermal Processing.-Advances in Rapid Thermal and Integrated Processing. Ed. Roozeboom F. // NATO ASI Series. Vol. 318. - 1996. - P. 1 - 34.

4. Roozeboom F. Manufacturing Equipment Issues in Rapid Thermal Processing.- Rapid Thermal Processing. Science and Technology. Ed. Richard B.Fair: Academic Press, Inc. -1991. -P. 349 360.

5. Borisenko V.E., Hesketh P.J. Rapid Thermal processing of semiconductors. -Microdevices. Physics and Fabrication Technologies. Series Editors: I.Brodie and A. Sher. // SRI International Menlo Park, CA. -1997. -P. 225.

6. Saraswat K.C. Rapid Thermal Multiprocessing for a programmable factory for manufacturing of ICs. Advances in Rapid Thermal and Integrated Processing. Ed. Roozeboom F. // NATO ASI Series. - 1996. - Vol. 318. - P. 375 - 414.

7. Moslehi M.M., Paranjpe A., Velo L.A., Kuehne J. RTP Key to Future Semiconductor Fabrication // Solid State Tecnology. - 1994. - Vol. 318. - Iss 2. - P. 37.

8. Reid K.G., Sitaram A.R. Rapid Thermal Processing for ULSI AP.lications -An Overview // Solid State Technology. 1996. - Vol. 39. - Iss 2. - P. 63.

9. Snnikrishnan U., Yoon G.W., Kwong D.L. Applications of Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition Technology to ULSI Material Processing and Device Fabrication // Thin Solid Films. 1994. - Vol. 241. - Iss 1 - 2. - P. 329 - 334.

10. Dehart В., Johnsgard K. New Developments in Rapid Thermal-Processing // Solid State Technology. 1996. - Vol. 39. - Iss 2. - P. 107.

11. Dilhac J.- M. Temperature and process control in Rapid Thermal Processing. Advances in Rapid Thermal and Integrated Processing. Ed. Roozeboom F. //NATO ASI Series. - 1996. - V. 318. - P. 143 - 162.

12. Schietinger C. Wafer temperature measurement in RTP. Advances in Rapid Thermal and Integrated Processing. Ed. Roozeboom F. // NATO ASI Series. -1996.-V. 318.-P. 103- 124.

13. Олей ни к Б.Н., Лаздина С.И., Л аз дин В.П., Жагулло О.М. Приборы и методы температурных измерений. М.: Изд-во стандартов, 1987,- 296 с.

14. Гimans P.J. Temperature Measurement in Rapid Thermal Processing // Solid State Technology. 1997. - Vol. 40. - Iss 4. - P. 63.

15. Wagner J. and Boebel F.G. Temperature Measurement at RTP Facilities -An Overview. Rapid Thermal and Integrated Processing MRS Symposium Proc. -1996.-Vol. 429.-P. 303 -308.

16. Lee Y.J., Khuriyakub В.Т., Saraswat K.C. Temperature Measurement in Rapid Thermal Process Using Acoustic Techniques // Review of Scientific Instruments. 1994. - Vol 65. - Iss 4. - P. 974 - 976.

17. Degertekin F.L., Khuriyakub B.T., Saraswat K.C. In situ Acoustic Temperature Tomography of Semiconductor // Wafers Applied Physics Letters. -1994. Vol. 64. - Iss. 11. - P. 1338- 1340.

18. Батавии B.B., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. -М.: Радио и связь, -1985.-С. 117 122.

19. Conrad К.А., Sampson R.K., Massoud H.Z., Irene E.A. Design and Construction of a Rapid Thermal Processing System for in-situ Optical Measurements // Review of Scientific Instruments. 1996, - Vol. 67. - Iss 11. - P. 3954 - 3957.

20. Guidotti D. Optical Reflectance Thermometry for Rapid Thermal Processing // Journal of Vacuum Science and Technology. B. 1998. - Vol. 16. - Iss 2. - P. 609 -612.

21. Dilhac J.-M., Ganibal C. and Castan. In situ reflectivity measurement in a rapid thermal processor for study of platinum silicide formation // Appl. Phys. Lett. -1989. Vol. 55. - P. 2225 - 2226,

22. Dilhac J.-M, Nolhier N. and Canibal C. In situ silicon solid phase regrowth kinetics measurement in a rapid thermal processor // Appl. Surface Science. 1990. -Vol. 46,-P. 451-454.

23. Peters L. Semiconductor International. -1991. Vol. 14 (9). - P. 56 -62.

24. Voorthes D.W. and Hall D.M. Soc.Photo Opt. Instrum. Eng. Symp. Proc. -1991. - Vol. 1595. -P.61 -64.

25. Jongste J.F., T.G.M.O.G.C. Bart, G.C.A.M. Janssen, Radellaar S. Deformation of Si(100) wafers during rapid thermal annealing // J. Appl. Phys. 1994. -Vol. 75.-P. 2830-2836.

26. Вест Ч. Голографическая интерферометрия.- М.: Мир, 1982. - 504 с.

27. Бекетова А.К., Белозеров А.Ф., Березкин А.Н. и др. Голографическая интерферометрия фазовых объектов. JL: Наука, - 1979,- 232 с.

28. Giling Г. J. Flow Patterns in Horizontal Epitaxial Reactor Cells Observed by Interference Holography // J. Electrochem. Soc. 1982. - V. 129. - №3. - P. 634 -644.

29. Райнова Ю.П., Турилин С.М., Антоненко К.И., Сорокин И.Н. Исследование газовых потоков при эпитаксии кремния // Неорганические материалы. 1995 .- том 31. - №2. - С. 151 - 159.

30. Rainova Yu.P., Pezoldt J., Antonenko K.I., Eichhorn G. Application of Holographic Interferometiy to Flow Pattern Visualization in a RTCVD reactor //Rapid Thermal andtotegrated Processing. V, MRS Symp. Proc. 1996. - Vol. 429. - P. 65 -70.

31. Сазонов A.A., Корнилов Р.В., Кохан Н.П., Лукичев Ю., Осокин В.И., Таран В.А., Федукин В.А. Автоматизация технологического оборудования микроэлектроники. М.: Высшая школа. 1991. - 334 с.

32. Пузырев В.А. Управление технологическими процессами производства микроэлектронных приборов. М.: Радио и связь, -1984. - 160 с.

33. Автоматизированное управление технологическими процессами. Учебное пособие под ред. Яковлева В.Б. Л.: Издательство Ленинградского университета, - 1998. - С. 103.

34. Dilhac J.-M., Ganibal C., Bordeneuve J. and Nolhier N. Temperature control in a rapid thermal processor // IEEE Trans. Electron Dev. 1992. - Vol. 39. -P. 201 -203.

35. Thakiir R.P., Schuegraf K., Fazan P., Rhodes H. RTP Manufacturing Perspective // Solid State Technology. - 1996. - Vol. 39. - Iss 4. - P. 99.

36. Зейликович И.С., Спорник H.M. Топографическая диагностика прозрачных сред. Минск: Университет, - 1998. - 208 с.

37. Meyer Y. Wavelets: Algorithms and Applications. SIAM. 1993.

38. Meyer Y. Wavelets, vibrations and scalings. CRM monograph series. // AMS. 1998. - Vol. 9.

39. Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets. SIAM. 1992.

40. Петухов В.А. Периодические дискретные всплески. Алгебра и анализ. 1996.-8.-№3,-С. 151-183.

41. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. М.: Радио и связь, - 1991. - 528 с.

42. Антоненко К.И., Арендаренко А.А., Райнова Ю.П., Сорокин И.Н., Турилин С.М. Исследование газовых потоков в реакторе радиального типа дляэпитаксии GaAs // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1996. - №6. - С. 118124.

43. Солодовников В.В. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. М.: Машиностроение, - 1969. - Кн. 3. - Ч. 1. -608 с.

44. Воронов A.A., Бабаков H.A., Воронова A.A. и др. Теория автоматического управления. Под ред. Воронова A.A. М.: Высшая школа, -1986. -Ч 1.-367 с.

45. Воронов A.A., Ким Д.П., Лохин В.М. и др. Теория автоматического управления. Под ред. Воронова A.A. М.: Высшая школа, - 1986. - Ч. 2. - 504 с.

46. Солодовников В.В. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. М.: Машиностроение, - 1969. - Кн. 3. - Ч. 3. -368 с.

47. Бархоткин A.B., Кочкарев A.A. Влияние современных компьютерных средств на динамические характеристики систем управления. Сюрн(Л К

48. Траксел Д. Синтез систем автоматического регулирования. М.: Машгиз, - 1959. - 614 с.172