автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Синтез самонастраивающихся систем управления технологическими процессами сухого травления кремния

Государственный Комитет Российской Федерации по высшему образовании)

Синтез самонастраивающихся систем управления технологическими процессами сухого травления кремния.

Специальность

05.13.07 «Автоматизация технологических процессов и производств» Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

РГб

/ к НЮЛ 199*

Московский Государственный Авиационный институт (Технический университет)

На правах рукописи УДК 007.62,621.3.049.7

Клебанова Ирина Валентиновна

Москва 1994

Работа выполнена в Московском авиационном институте Научные руководители:

доктор технических наук, профессор ВЛ.Пузырев доктор технических наук, профессор Б.Т.Фролкин.

Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук, профессор В.Н. Ильин

2. кандидат технических наук, Даннлевич А.Б.

Ведущая организация -

НИИ Точного Машиностроения, г. Зеленоград

Защита состоится"_"_1994 в_ на заседании специ

авизированного совета Д 053.18.01 при Московском авиационном институте 125871, Москва, Волоколамское шоссе, 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан "_"_ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

О

Л.М.Федотов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Микроэлектроника занимает ведущее место среди отраслей, определяющих темпы развития всего народного хозяйства.

Основной задачей современного субмикронного производства является обеспечение заданного качества СБИС при разумных затратах имеющихся ресурсов. Для ее решения необходима комплексная автоматизация производства, предполагаю щая интеграцию процессов проектирования, изготовления и контроля полупроводниковых приборов с помощью автоматизированных управляющих систем.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию автоматических производств в микроэлектронной промышленности. Основой любых систем автоматизации являются локальные автоматизированные технологические процессы.

Важное место среди автоматизируемых технологических процессов занимает процесс «Сухого» (плазменного) травления рисунка на кремниевой подложке.

Несмотря на некоторые различия в конкретной реализации химической реакции травления и в конструкциях технологических установок, все процессы сухого травления кремния сходны в принципе и могут быть выделены в класс технологических процессов, к автоматизации которых может быть применен некий унифицированный подход.

На сегодняшний день автоматизация технологического процесса сухого травления находится в зачаточном состоянии: иногда используются одноконтурные системы регулирования основных переменных процесса (концентраций подаваемых реагентов, мощности ВЧ-разряда и т.п.). Такие регуляторы не обеспечивают высокого качества управления технологическим процессом, более того, даже удовлетворительное поддержание отдельных его переменных вышеописанными автономными контурами регулирования затруднительно, поскольку все эти переменные взаимосвязаны, а простейшие одноконтурные регуляторы принципиально не способны учесть такой взаимосвязи.

Поэтому в настоящее время назрела необходимость создания более сложной САУ, учитывающей эти явления, и, тем самым, повышающей качество управления. При этом следует учитывать тот факт, что многие параметры процесса меняются, а не остаются константами, и плохо поддаются измерению либо с плохой точностью априорно известны из экспериментов, поставленных на технологической установке.

Все вышесказанное ставит требование адаптивности (самонастройки) создаваемых САУ, то есть автоматической подстройки параметров САУ под изменяющиеся или неточно известные параметры технологического процесса.

Цель работы

Настоящая работа посвящена синтезу цифровых автоматизированных систем управления технологическими процессами сухого травления кремния, а также разработке единого подхода, направленного на создание таких систем.

Постановка задачи

В диссертации решается задача разработки универсального подхода к созданик САУ технологического процесса сухого травления, причем это должны быть достаточно сложные САУ с возможностью:

-учета сложных взаимосвязей в физике процесса; -оценки неизмеряемых переменных и параметров; -адаптации (самонастройки) с учетом меняющихся или плохо известных параметров технологического процесса; -адаптация должна быть беспоисковой.

Средства и методы решения задачи.

Подход основан на создании математической модели технологического процесса в виде системы уравнений в переменных состояния и применении соответствующего математического аппарата синтеза следящих систем по квадратичному интегральному критерию.

Самонастройка(адаптивность) разрабатываемой САУ достигается за счет того что параметры технологического процесса, входящие в модель и подверженные изменениям, вводятся в расширенный вектор состояний и, таким образом, впоследствии учитываются в структуре регулятора и оценивателя.

На этапе синтеза САУ используется численное моделирование ее работы на компьютере.

Достоверность основных положений и рекомендаций диссертации.

Оригинальная математическая модель технологического процесса разрабатывается на основании основных физических законов, а ее параметры выбираются на основании экспериментальных данных, известных в технологии сухого травления.

Правильность оригинальных разработок - метода синтеза асимптотически устойчивого оценивателя и модификации классических дискретных алгоритмов САУ с целью учета задержек на вычисления, - гарантируется корректной постановкой задачи и адекватными математическими методами ее решения.

Результаты собственно синтеза САУ - ее устойчивость и качество работы -проверяются численным моделированием на компьютере, причем сам технологи ческий процесс на последнем этапе моделирования имитируется в нелинейной форме.

Научная новизна диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

По имеющимся литературным данным на сегодняшний день нам неизвестны такого рода разработки, нацеленные на создание САУ технологическими процессами сухого травления при условии, что САУ будет учитывать основные физические эффекты технологического процесса в их взаимодействии и при этом будет беспоисковой адаптивной, учитывая изменяющиеся параметры процесса.

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые разработан подход к синтезу самонастраивающихся цифровых САУ технологическими процессами сухого травления, отличающийся от традиционных подходов тем, что позволяет учесть взаимосвязь отдел ьных физических явлений процесса, учесть изменение параметров, что, в итоге, ведет к повышению качества работы САУ.

Конкретно новыми с этой точки зрения являются:

-математическая модель технологического процесса сухого травления;

- подходы к формализации задачи (критерии);

- методика синтеза асимптотически устойчивого оценивателя:

- модификация существующих цифровых алгоритмов управления с учетом задержки в реальных вычислительных системах

- общий алгоритм компьютеризированного проектирования цифровых САУ для технологических процессов сухого травления.

Практическая ценность работы

заключается в том, что разработана практическая методика, позволяющая единообразно и эффективно проектировать самонастраивающиеся САУ' для широкого класса технологических процессов сухого травления, с учетом ряда особенностей этих процессов.

Учет этих особенностей, в частности, изменяющихся параметров, позволяет синтезировать более качественный закон управления технологическим процессом сухого травления, чем те, что реализованы в существующих ныне одноконтурных регуляторах.

Разработанный подход к проектированию позволяет сократить затраты времени на проектирование систем такого рода, а численное моделирование, используемое при расчете, позволяет снизить количество дорогостоящих экспериментов на технологической установке.

Реализация и внедрение результатов работы.

Элементы работы - а именно алгоритм САУ и методика его проектирования -внедрены в ряде предприятий микроэлектронной промышленности, а именно в НПО «Астрофизика»г. Москва, ГНПП «Квант»г. Москва, Научно-исследовательский институт «Субмикрон» г. Зеленоград, предприятие ОКБ «Радуга» г. Владимир. •

Результаты диссертации внедрены также в учебном процессе (курс~«Автома-тическое управление технологическими процессами»- цикл Техническая киберне-

тика) в Московском авиационном институте.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференции «Моделирование физических процессов и технологий» (МП «Панда-НТ при РАН, Львовская обл. г. Спавское 1992 г.).

Работа докладывалась на Второй Научно-технической конференции "Кремний на изоляторе" (НИИ Микроэлектроники, г. Зеленоград, 1994), а также рассматривалась на НТС электронной промышленности по специально-технологическому и контрольно-измерительному оборудованию (НИИ Точного машиностроения, г. Зеленоград, 1994)

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ (список приве ден в конце автореферата).

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения,4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем 115 машинописных страниц. В диссертации содержится 18 рисунков.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, кратко сформулированы цели и задачи исследования.

Б первой главе

описано состояние проблемы автоматизации технологического процесса сухого травления кремния, рассмотрены особенности процесса, сформулирована решае мая задача и намечены основные пути ее решения.

В процессах сухого травления кремниевой подложки с целью получения рисун ка та часть поверхности кремния что не защищена маской, вытравливается с помощью активных реагентов подаваемой в камеру газовой смеси.(рис.1) Проду ты реакц ии этих веществ с кремнием удаляются из камеры путем откачки газа. Процесс очень критичен к условиям протекания реакции, нужно с высокой точностью поддерживать заданные параметры: давление в камере, концентрацию реагентов, температуру кремниевой пластины, параметры плазменного разряда (высокочастотный разряд суть необходимое условие протекания реакции травле кия) и тл.

Фтористый

углерод, +

инертный газ

Кислород

Охладитель [

т:

Управляемая реактивность гвч .

Отсос продуктов реакции

У

Рис.1

Схема технологической установки для сухого травления кремния

Несмотря на некоторые различия в конкретной реализации химической реакции травления и в конструкциях технологических установок, все процессы сухого травления кремния сходны в принципе и могут быть выделены в класс технологических процессов, к автоматизации которых может быть применен некий унифицированный подход.

Как известно, сложность физических явлений, протекающих в технологической установке, приводит к тому, что все параметры процесса взаимосвязаны. Этим, а также трудностями измерений и объясняется тот факт, что в настоящее время автоматическое управление технологическим процессом плазменного травления практически отсутствует. Изредка встречаются описания установок, где используются одноконтурные системы контроля по тому или иному параметру процесса. Такие существующие регуляторы не обеспечивают должного качества управления, так как в принципе не могут учесть взаимосвязи всех сторон процесса.

Отсюда вытекает необходимость создания более сложной САУ, учитывающей эти явления, и, тем самым, повышающей качество управления.

Другой особенностью технологического процесса является непостоянство многих его параметров, которые при регулировании принято считать константами. Многие из этих параметров «плывут» непосредственно в ходе самого процесса (например, площадь теплового контакта подложки с охлаждающей системой), некоторые являются раз от раза новыми при новом запуске технологической установки (например, общая площадь активной поверхности кремниевой пластины, толщина ее, условия протекания побочных реакций в камере и т.п.).

Многие параметры технологического процесса не подлежат точному.априорно-му определению или оперативному измерению в ходе процесса.

Все это ставит требование адаптивности (самоподстройки) создаваемых САУ. В этом случае создаваемые алгоритмы будут обладать достаточной робастностью, то есть не будут столь критичны к изменению или неточному знанию параметров технологического процесса, а также будут достаточно универсальными в смысле переносимости их на целый класс технологических установок, сходных принципиально, но различающихся в деталях технической реализации.

Следующей особенностью рассматриваемых технологических процессов является их неполная измеряемость. Это приводит к необходимости наличия в структуре САУ элементов автоматической идентификации (как для неизмеряемых или . неточно измеряемых переменных, так и для параметров процесса).

В итоге все вышеперечисленные проблемы ставят нас перед необходимостью разработки универсального подхода к созданию САУ технологического процесса сухого травления, причем это должны быть достаточно сложные САУ возможностью:

- учета сложных взаимосвязей в физике процесса;

- оценки неизмеряемых переменных и параметров;

- адаптации с учетом меняющихся или

плохо известных параметров технологического процесса;

- адаптация должна быть беспоисковой.

Предлагаемый подход основан на создании математической модели технологического процесса в виде системы уравнений в переменных состояния и применении соответствующего математического аппарата синтеза следящих систем по квадратичному интегральному критерию.

Самонастраивающейся (адаптивной беспоисковой) создаваемая САУ получается за счет того, что параметры технологического процесса, входящие в модель и

■подверженные изменениям, вводятся в расширенный вектор состояний и, таким образом, впоследствии учитываются в структуре регулятора и оценивателя.

Предлагаемый подход позволяет:

- полноценно учесть всю априорную информацию о взаимосвязях в технологическом процессе за счет математической модели в переменных состояния;

- за счет расширения вектора переменных состояния и использования соответствующего оценивающего алгоритма ввести самоподстройку всей САУ, учитывая изменяющиеся параметры технологического процесса и нелинейности модели, которые непосредственно не могли бы быть созданы методами синтеза линейных регуляторов;

- эффективно использовать современные методы компьютеризированного проектирования многомерных САУ сложными объектами.

В главе 2

рассмотрена физика процесса сухого травления и разработана оригинальная математическая модель, описывающая основные стороны процесса.

Модель написана в виде дифференциальных и алгебраических уравнений в

переменных состояния, чаще всего нелинейных.

. =

с!1

Где хО) - вектор переменных состояния, А - совокупность параметров процесса, I - время.

Уравнения отражают следующие основные явления:

- баланс масс химических реагентов в технологической установке, его связь со скоростью основной химической реакции;

- процессы теплообмена в подложке (их учет делается ради оценки температуры активной поверхности, от которой в итоге зависит скорость травления);

- процессы в охлаждающей системе;

- мощность дугового разряда, ее изменения при изменении импеданса нагрузки и ее атняние на скорость протекания реакции;

- взаимосвязь скорости основной реакции (непосредственно на активной поверхности подложки) и скорости побочной реакции со всеми вышеперечисленными явлениями.

Скорость распространения веществ в объеме камеры считается бесконечно большой (то есть ее динамика не описывается) благодаря большой длине свободного пробега молекул в условиях вакуума и сильной активации (нагрев и ВЧ-разряд), что согласуется с экспериментальными данными о процессе.

Тепловые процессы в подложке и системе охлаждения подразумевают описание систем с распределенными параметрами, поэтому проведена дискретизация с использованием метода конечных элементов и итоговое описание сведено к конечномерной системе уравнений для элементов (слоев).

Далее проведена линеаризация уравнений в окрестностях номинальных значений параметров и переменных состояния. Это позволяет, с одной стороны, ввести изменяющиеся параметры процесса как дополнительные переменные в расширенный вектор состояний, а, с другой стороны, привести нелинейные части уравнений к линеаризованному виду, пригодному для использования математических методов синтеза линейных САУ по квадратичным критериям.

В этой же главе формализованы требования к системе: разработаны критерии качества в виде квадратичных интегральных функционалов. По существу, результаты главы 2 формулируют задачу в виде, пригодном для применения хорошо разработанных формальных методов синтеза регуляторов в пространстве состояний.

В главе 3

рассматривается структура цифровой системы управления технологическим процессом сухого транления, рассматриваются математические методы синтеза, а также выводится оригинальный математический метод синтеза асимптотически устойчивого оценивателя.

Структура САУ выбрана в виде ре1улятора и оценивателя. (рис. 2)

Оцениватель служит для восстановления (оценки) неизмеряемых переменных состояния, а также подверженных изменению параметров технологического процесса, которые искусственно введены в расширенный вектор переменных состояния.

В главе кратко рассматриваются основные этапы синтеза такого рода систем и соответствующий математический аппарат.

__Исходная постановка задачи в виде «непрерывных» дифференциальных

уравменийТГинтеграяьного критерия качества трансформируется вее дискретный

аналог - в виде разностных уравнений и критерия в виде дискретнои суммы-

(для такой трансформации решается специальная система дифференциальных уравнений, основывающаяся на переходной матрице линеаризованной системы).

Далее синтезируется дискретный регулятор по известной методике (дискретный аналог уравнений Риккати).

Оцениватель выбран в виде классической структуры, но для определения матрицы коэффициентов обратной связи подстройки оценок по измерениям разработана оригинальная методика. Дело в том, что традиционная методика синтеза таких оценивателей, как фильтров Калмана, часто приводит к результирующей матрице коэффициентов обратных связей, не обеспечивающей асимптотической устойчивости оценивателя. В диссертации предложен метод синтеза этой матрицы, обеспечивающий устойчивость оценивателя.

Дискретные регулятор и оцениватель объединяются в один линейный дискретный алгоритм, пригодный для реализации:

=вх, + Ру, -

и. =]1х. + Му. Где х - вектор-столбец оценок переменных состояния и параметров, у - вектор-столбец переменных измерения, и- векгор-столбец переменных управления, 0, Р, К, М - матрицы параметров САУ., индексы обозначают предыдущий и последующий такты дискретизации, соответственно

В главе 4

рассматривается методика компьютеризированного проектирования цифровых адаптивных САУ технологическими процессами сухого травления кремния и

Управляющие

Переменные состояния

X,

1/1

и,

и.

Регулятор = - С £

1А

У1

л - АлХ^/^-Ь в л "1-1 Предсказатель

л х1/1 = + К [ у1 - корректор

Оцениватель

Рис. 2

Схема управления технологическим процессом сухого травления. Цифровой алгоритм включает в себя регулятор и оцениватель.

приводится пример конкретного расчета такой САУ.

Из оригинальных разработок в главе 4 следует отметить модификацию классических форм дискретных алгоритмов САУ, включающих в себя регулятор и оцениватель, выполненную с целью учета задержки на вычисления в реальной системе управления, а также оптимизацию порядка вычислительных операций при реализации итогового алгоритма САУ.

Рассмотрена методика компьютеризированного проектирования таких систем. На каждом этапе синтеза САУ выполняется моделирование работы отдельных частей САУ, а на заключительном этапе - моделирование работы всей САУ в сочетании с имитационной моделью технологического процесса, причем взятой в «первозданной» нелинейной форме. Моделирование позволяет однозначно оценить управляемость, наблюдаемость и устойчивость системы. Моделирование с вариацией параметров технологического процесса позволяет также проверить робастность системы. При этом весовые матрицы коэффициентов в критериях качества работы регулятора и оценивателя используются как «настроечные элементы» синтеза, ввиду того, что отсутствуют строго доказанные методы их корректного выбора. Итерационным путем подбирая элементы этих матриц и оценивая качество работы САУ по результатам имитационного компьютерного моделирования, удается получить САУ приемлемого качества. Данный подход является весьма эффективным, так как не ставит перед разработчиком задачу выбора непосредственно всей структуры обратных связей и их значений, а требует лишь участия человека на «самом верхнем» уровне - уровне формулировки требований к системе в виде критерия. Рассматривается конкретный пример синтеза САУ технологическим процессом, обсуждаются результаты синтеза.

£ заключении подводятся итоги проделанной работы.

Основные результаты работы.

В диссертации предложен подход к синтезу самонастраивающихся цифровых систем автоматического управления технологическими процессами сухого травления кремния.

Подход основан на создании математической модели технологического процесса в виде системы уравнений в переменных состояния и применении соответствующего математического аппарата синтеза следящих систем по квадратичному интегральному критерию.

Самонастраивающейся (адаптивной беспоисковой) создаваемая САУ получается за счет того, что параметры технологического процесса, входящие в модель > подверженные изменениям, вводятся в расширенный вектор состояний и, таким образом, впоследствии учитываются в структуре регулятора и оценивателя.

По имеющимся у нас данным, разработка такого рода систем для технологических процессов сухого травления предложена впервые.

В ходе работы диссертантом проделано следующее:

- 1.4 -

- разработана математическая модель, подходящая для класса технологических процессов сухого травления кремния,

-формализована постановка задачи автоматизации технологического процесса путем выработки соответствующих критериев,

-выбраны адекватные математические методы синтеза (с оригинальными разработками и дополнениями к существующим),

- предложен алгоритм компьютеризированного проектирования СЛУ технологического процесса сухого травления, проведен синтез для конкретного примера технологического процесса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пузырев ВА, Клебанова И.В. Управление манипуляторами. Зарубежная радиоэлектроника N 12,1985, с.8-22

2. Пузырев ВА^ Клебанова Й.В. Управление технологическими процессами микролигографии.(в двух частях). Зарубежная радиоэлектроника,

1994, N4, с.30-39, N5, с.23-34.

3. Клебанова И.В. Робастность непрерывных самонастраивающихся систем. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, Деп. N 1613-В92 от 18.05.92,19 с.

4. Клебанова И.В. Самонастраивающееся управление. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, Деп. N 796-В93 от 31.03.93, 24 с.

5. Клебанова И.В. Идентификация параметров методом наименьших квадратов. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, Деп. N 797-В93 от 31.03.93,21с.

6. Клебанова И.В. Использование эмуляторов в контуре системы управления. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, Деп. N 798-В93 от 31.03.93,32 с.

7. Клебанова И.В. Синтез предсказателя непрерывной самонастраивающейся системы автоматического управления. Принято к публикации в тематическом сборнике статей, выпускаемом НИИ Микроприборов НПО ЭЛАС.

8. Клебанова И.В. Автоматизация проектирования аналогового самонастраивающегося ре1улятора. Принято к публикации в тематическом сборнике статей, выпускаемом НИИ Микроприборов НПО ЭЛАС.