CN103757609A - 一种基于串级控制的微环境压力调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于串级控制的微环境压力调度方法包括根据物料供应环境系统特点建立传递函数反应模型；引入参考输入偏差积分系统，建立增广状态状态方程；获取该环境系统系统状态反馈调节控制律；通过物料供应系统的闭环特征方程式求得控制律参数；检测并接收环境压力和氧气指标信号，根据反馈误差以及状态反馈调节控制律参数，动态调节输入物料流量和风机功率机构，以控制环境压力指标。因此，本发明的环境系统排气终端接入真空泵系统，以环境压力为主环路调节指标，环境氧气为外环调节指标，组成双闭环调节结构，并基于系统反应模型，把环境压力和氧气指标作为检测信号，根据设计出的控制律和反馈误差动态调节输入物料流量和风机功率，快速实现环境指标。

Description

一种基于串级控制的微环境压力调度方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，更具体地说，涉及一种基于串级控制的微环境压力调度方法。

背景技术

低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,简称LPCVD)是半导体工艺广泛采用的方法之一；它以装片容量大、粒子（Particle）污染小，均匀性（Uniformity）高、台阶覆盖性（Coverage over steps）好以及高产率而备受青睐，成为制备例如SiNX薄膜的主要方法。

低压化学气相沉积的工艺步骤可以分为传片、进舟、主工艺、出舟等几个主要阶段。影响薄膜沉积质量及其性质的工艺因素主要包括：腔室温度、环境压力、物料流量、以及环境微粒（Particle）等。其中，在物料传输阶段，对周围环境的洁净状况要求尤为关键。

请参阅图1，图1所示为现有技术中，300mm立式LPCVD设备在硅片传输阶段的环境控制模块。如图所示，该环境控制模块部分包括：流量计4、管路、电磁阀体1、2和3、风机（图未示）、压力检测仪5和氧气分析仪6。其中，流量计4和电磁阀体1、2和3负责物料流量的流通调节，风机负责环境系统的循环。

腔室微环境7的指标主要包括压力状态与氧气含量；目前，调节压力状态与氧气含量方法是采用控制手段维持风机功率，来满足根据运行阶段的不同调节压力或氧气指标要求。

然而，本领域技术人员清楚，物料传输工艺阶段的环境压力系统是一个具有多输入、多干扰、多耦合、非线性的复杂多变量系统，根据上述这种设计思路，由于腔室微环境7在装满硅片产品后的风阻影响，各个部分的压力状态不尽一致，从而导致压力或氧气指标调节变换缓慢，延长了硅片在反应腔外停留的时间，这样，既影响了生产效率，也增加了环境中Particle对硅片产品的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于串级控制的微环境压力调度方法，其物料供应环境系统的排气（Exhaust）终端接入真空泵系统，以环境压力为主环路调节指标，环境氧气为外环调节指标，组成双闭环调节系统，并在建立系统反应模型的基础上，把环境压力和氧气指标作为检测信号，设计出状态反馈调节控制律，根据反馈误差动态调节输入物料流量和风机功率，从而快速实现环境指标。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于串级控制的微环境压力调度方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤S1：根据物料供应环境系统特点建立传递函数反应模型；其中，所述物料供应环境系统包括两个串级控制的环境压力调节模块和环境氧气调节模块，以环境压力为主环路调节指标，环境氧气为外环调节指标，组成双闭环调节结构；所述环境系统排气终端接入真空泵系统；

步骤S2：引入参考输入偏差积分系统，建立增广状态状态方程；

步骤S3：获取物料供应环境系统系统状态反馈调节控制律；

步骤S4：通过物料供应系统的闭环特征方程式求得所述状态反馈调节控制律参数；

步骤S5：检测并接收环境压力和氧气指标信号，根据反馈误差以及所述状态反馈调节控制律参数，动态调节输入物料流量和风机功率机构，以控制环境压力指标。

优选地，所述步骤S4还包括：验证系统控制律是否满足稳态误差要求。

优选地，所述输入物料流量和风机功率结构为分别串接在环境压力调节模块和环境氧气调节模块中的质量流量控制阀、电磁阀和/或真空泵环节。

优选地，所述质量流量控制阀为电流计。

从上述技术方案可以看出，本发明基于串级控制的微环境压力调度方法，可以将环境压力指标和氧气指标组成双闭环系统，根据系统反应机理建立了物料系统的一种近似数学模型，从而可以根据模型设计出状态反馈控制律，以实现环境指标的快速稳定，减少物料系统在环境中的等待时间。

附图说明

图1为300mm立式LPCVD设备中物料供应环境系统实施例的结构图

图2为图1中本发明实施例中物料供应环境系统的传递函数模型示意图

图3为图2中本发明实施例中物料供应环境系统传递函数的等效模型图

图4为本发明基于串级控制的微环境压力调度方法一较佳实施例的流程示意图

具体实施方式

下面结合附图1-4，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述实施例中，是以图1中300mm立式LPCVD设备中物料供应环境系统实施例的结构图为例进行说明。

请参阅图2，如图所示，现有技术相同的是，该物料供应环境系统部分包括：流量计4、管路、电磁阀体1、2和3、风机（图未示）、压力检测仪5和氧气分析仪6。其中，流量计4和电磁阀体1、2和3负责物料流量的流通调节，风机负责环境系统的循环。

与现有技术不同，该物料供应环境系统包括两个串级控制的环境压力调节模块和环境氧气调节模块，以环境压力为主环路调节指标，环境氧气为外环调节指标，组成双闭环调节结构。

请参阅图2，图2为图1中本发明一实施例中物料供应系统的传递函数模型示意图。如图所示，其中，X(s)为系统输入传递函数；Y(s)为系统输出传递函数；G1(s)、G2(s)、G3(s)为执行机构的传递函数；K1、K2为变换函数；Gm(s)、为质量流量控制阀的传递函数；Go(s)为被控腔室传递函数。

在本实施例中，环境系统排气终端接入真空泵系统环节，这样就可以把物料供应环境系统作为一个具有多输入、多输出的系统进行分析，然后通过根据物料供应环境系统特点建立传递函数反应模型，并引入参考输入偏差积分系统，通过系统的闭环特征方程，设计出系统状态反馈调节控制律。

为便于问题分析，对上述传递函数进行了变换。请参阅图3，图3为图3为图2中本发明实施例中物料供应环境系统传递函数的等效模型图。

为便于问题分析，对上述传递函数进行了变换。请参阅图4，图4为图3中本发明一实施例中物料供应系统传递函数的等效模型图。

根据管路物料供应系统及气阻定义可以得到如下等式：

$Q_1=\frac{P_0-P_1}{R_1}---\left(1\right)$

$Q_2=\frac{P_0-P_c}{R_2}---\left(2\right)$

$Q_3=\frac{P_c-P_2}{R_3}---\left(3\right)$

其中，Q₁,Q₂,Q₃为流过电磁阀R₁,R₂,R₃的物料流量。

质量流量控制阀作为一种执行机构，它接受控制信号，并将其转换为阀门开度。其传递函数近似为：

$K_v=\frac{Q\left(s\right)}{U\left(s\right)}---\left(4\right)$

根据质量流量控制阀的工作原理，其通过改变截流面积来改变流量。气阻大小与控制电压uv存在函数关系，存在如下等式：

$\frac{P_1-P_c}{Q_{\mathrm{LV}1}}=R\left(u\right)---\left(5\right)$

p₁＝P_c+R(u)*K_v*u_V   (6)

p₁＝p_c+U   (7)

根据物料流量平衡可得：

Q₁+Q₂-Q₃＝Q_c   (8)

整理(1)～(6)得到：

$T_1{P}_0+T_2{P}_1+T_3{P}_2=C_o\frac{{\mathrm{dp}}_c}{d_t}+T_c{P}_c---\left(9\right)$

其中，T₁、T₂、T₃和Tc为气阻R₁、R₂和R₃的函数。

取

u=U得：

$\stackrel{.}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}+d---\left(10\right)$ (10)

y＝Cx   (11)

其中： $A=\frac{T_c-T_2}{C_c},B=-\frac{T_2}{C_c},d=\frac{T_1{P}_0+T_3{P}_2}{C_c}$

风循环系统：

x₂=-K₁P_c   (12)

氧气指标检测系统：

y₂=-K₂x   (13)

整理(10)～(13)得到：

$\stackrel{.}{X}=\mathrm{AX}+\mathrm{Bu}+d---\left(14\right)$

Y＝CX   (15)

$A=\left[\begin{array}{cc}\frac{T_c-T_2}{C_o}& 0\\ 0& -K_1\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{cc}-\frac{T_2}{C_o}& 0\\ 0& 0\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{cc}C& 0\\ 0& -K_2\end{array}\right],d=\left[\begin{array}{cc}\frac{T_1{P}_0+T_3{P}_2}{C_o}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$

定义偏差e(t)＝y(t)-y_r(t)，并引入偏差积分器，用于消除常值干扰和常值参考输入作用下的稳态误差，组成增广状态方程。

取 $\stackrel{.}{q}\left(t\right)=e\left(t\right)=x\left(t\right)-y_r\left(t\right)$

取状态反馈控制律

$U=\left[\begin{array}{cc}{K}_1& K_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ q\end{array}\right]=K_{1}x+K_{2}q---\left(16\right)$

则增广状态系统的动态方程为

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{.}{X}\\ \stackrel{.}{q}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A+{\mathrm{BK}}_1& {\mathrm{BK}}_2\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ q\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right]u+\left[\begin{array}{c}d\\ -y_r\end{array}\right]---\left(17\right)$

$y=\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ q\end{array}\right]+\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}D\\ 0\end{array}\right]\end{array}u---\left(18\right)$

其闭环特征多项式为

$f\left(\mathrm{\λ}\right)=\det \{\mathrm{\λI}-\left[\begin{array}{cc}A+{\mathrm{BK}}_1& {\mathrm{BK}}_2\\ 1& 0\end{array}\right]\}---\left(19\right)$

式中K₁，K₂由期望的闭环极点配置决定，且使得稳态误差lim_t→∞[y(t)-y_r(t)]＝0。

因此，接下来可以在上述建立系统反应模型的基础上，检测并接收环境压力和氧气指标信号，根据反馈误差以及所述状态反馈调节控制律参数，动态调节输入物料流量和风机功率机构，以控制环境压力指标。需要说明的是，流量控制结构可以为分别串接在微环境压力调节模块和反应腔室压力环境调节模块中的质量流量控制阀、电磁阀和/或真空泵。

下面通过图4，总结一下本发明基于串级控制的微环境压力调度方法。请参阅图4，该方法可以具体包括如下步骤：

步骤S1：根据物料供应环境系统特点建立传递函数反应模型；其中，所述物料供应环境系统包括两个串级控制的环境压力调节模块和环境氧气调节模块，以环境压力为主环路调节指标，环境氧气为外环调节指标，组成双闭环调节结构；所述环境系统排气终端接入真空泵系统；

步骤S2：引入参考输入偏差积分系统，建立增广状态状态方程；

步骤S3：获取物料供应环境系统系统状态反馈调节控制律；

步骤S4：通过物料供应系统的闭环特征方程式求得所述状态反馈调节控制律参数；验证系统控制律是否满足稳态误差要求；

步骤S5：检测并接收环境压力和氧气指标信号，根据反馈误差以及所述状态反馈调节控制律参数，动态调节输入物料流量和风机功率机构，以控制环境压力指标。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于串级控制的微环境压力调度方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤S1：根据物料供应环境系统特点建立传递函数反应模型；其中，所述物料供应环境系统包括两个串级控制的环境压力调节模块和环境氧气调节模块，以环境压力为主环路调节指标，环境氧气为外环调节指标，组成双闭环调节结构；所述环境系统排气终端接入真空泵系统；

步骤S2：引入参考输入偏差积分系统，建立增广状态状态方程；

步骤S3：获取物料供应环境系统系统状态反馈调节控制律；

步骤S4：通过物料供应系统的闭环特征方程式求得所述状态反馈调节控制律参数；

步骤S5：检测并接收环境压力和氧气指标信号，根据反馈误差以及所述状态反馈调节控制律参数，动态调节输入物料流量和风机功率机构，以控制环境压力指标。

2.如权利要求1所述的工艺环境压力调度方法，其特征在于，所述步骤S4后还包括：验证系统控制律是否满足稳态误差要求。

3.如权利要求1所述的工艺环境压力调度方法，其特征在于，所述输入物料流量和风机功率结构为分别串接在环境压力调节模块和环境氧气调节模块中的质量流量控制阀、电磁阀和/或真空泵环节。

4.如权利要求1所述的工艺环境压力调度方法，其特征在于，所述质量流量控制阀为电流计。

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