Введение к работе
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-излученне.
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 к процессам, протекающим при радиационном воздействии на подложки излучения в диапазоне дани волн 0.5-2.0 мкм.
Термические процессы нашли применение при быстром термическом отжиге, термическом окислении, термической нитридизацин, химическом осаждении из пара (RTCVD, Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition), синтезе соединений, формировании контактов, очистке поверхности, кристаллизации кремния, геггерироилкни 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 be. (USA) общий рынок RTP-оборудования растёт ежегодно более чем на 70%, примерно 90% публикаций, посвященных 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 вгіівлет-преобразования. теория
автоматического регулирования. Эксперименты проводились с применением методов голографической интерферометрии.
В качестве объекта автоматизации был выбран осеснмметричный однопозиционный RTCVD-реактор для газофазного химического осаждения при быстром термическом воздействии. В RTCVD-реактора.х 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.
-
Установлена принципиальная возможность диагностики и управления газовыми потоками в RTCVD-реакторе по оптической плотности газовой фазы, визуализируемой методом голографической интерферометрии в реальном времени.
-
Разработана модель распределения оптической плотности газовой фазы в рабочей зоне RTCVD-реактора для достижения равномерного осаждения тонких пленок, базіфующаяся на мониторинговых наблюдениях расположения интерференционных полос на голографическнх интерферограммах газовых течений.
-
Установлены параметры RTCVD, которые могут наиболее эффективно использоваться для активного воздействия на автоматизируемый процесс и реальном времени с целью достижения заданной температурной траектории в газовой фазе.
4. Предложена методика интерпретации интерференционных полос на
голографическнх интерферограммах газовых потоков ради.пыю-
симметричного фазового объекга.
5. Разработан алгоритм цифровой обработки голографических
интерферограмм газовой фазы RTCVD-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 RTCVD-
реактором по обобщенному параметру.
7. Создана методика определения передаточных функций отдельных
элементов системы управления.
-
Проведен анализ перспективной системы управления на устойчивость и качество регулирования. Выявлена необходимость введения в систему корректирующего устройства.
-
Синтезировано корректирующее устройство системы автоматического управления RTCVD-реактором.
Практическая значимость работы определяется следующим.
1. Анализ результатов моделирования и экспериментальных данных
протекает процесса показал возможность исследования процесса с
помощью моделирования.
2. Параметрические исследования RTCVD при помощи моделирования с
использованием программы FIDAP позволили значительно сократить
временные и материальные затраты при оптимизации технологических
режимов и конструкций RTCVD-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.
-
Разработанное программное обеспечение для цифровой обработки голографических илтерферограмм может быть использовано в качестве практического инструмента при измерениях температурных полей в газовой фазе и статистической обработке результатов экспериментов.
-
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 исследований, 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 л профессионального образования РФ и международного проекта "Экспериментальные исследования газодинамики и моделирование газовых потоков в RTCVD-реакторе" (RUS 222.52), выполненного МИЭТ совместно с Инаигугом Твердотельной Электроники Технического Университета Ильмснау (ФРІ*).
Ащ^МУЯ-ЕйбоТ-Ы- Основные положения диссертационной раГюп.г, се научные и практические результаты докладывались на Межнуїовсюл научно-технической конференции "Микроэлектроника и информаїнка-*")".
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.