Разработка программно-аппаратного комплекса для диагностики и управления газовыми потоками в реакторах для быстрых термических процессов

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 теплои 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 теплои 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 КТСТ) 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. ТСТ)-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).