CN103757610A - 一种基于物料供应系统模型的工艺环境压力调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于物料供应系统模型的工艺环境压力调节方法，其包括根据物料供应系统特点建立传递函数反应模型；将进出舟阶段的反应腔室与微环境作为一个整体，形成组合腔室，引入参考输入偏差积分系统，建立增广状态状态方程；获取物料供应系统系统状态反馈控制律；通过物料供应系统的闭环特征方程式求得反馈控制律参数；根据微环境和反应腔室的压差，以及所述反馈控制律参数，对反应腔室与微环境作为一个整体进行同步调节流量控制机构，实现物料在进出舟阶段的压力稳定。因此，本发明将微环境调节模块接入真空泵环节，把进出舟阶段的反应腔室与微环境作为一个整体进行同步调节，进而通过物料压力环境的闭环状态方程，实现物料在进出舟阶段的压力稳定。

Description

一种基于物料供应系统模型的工艺环境压力调度方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，更具体地说，涉及一种基于物料供应系统模型的工艺环境压力调度方法。

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，进舟和出舟阶段的环境压力状况对于减少Particle对产品的影响是尤为重要的一个环节。

请参阅图1，图1所示为现有技术中，300mm立式LPCVD设备在进行进舟和出舟工艺阶段中形成的环境压力调节系统。如图所示，该系统包括工艺物料模块形成的反应腔室压力环境调节子系统以及传送产品模块处于的微环境压力调节子系统。

反应腔室压力环境压力调节子系统和微环境压力环境压力调节子系统均包括：流量计12′和13′、管路、电磁阀体1′、2′、3′、4′、5′、6和′7′；其中，流量计和电磁阀体负责物料流量的流通调节。并且，反应腔室10′压力环境子系统采用高精度真空泵14′进行调节，而微环境11′压力调节子系统通过自循环进行调节，其中，压力计8′和9′用于监测反应腔室10′和微环境11′的压力值。

根据上述这种反应腔室环境压力调节子系统和微环境压力调节子系统各自进行压力调节结构设计思路，在设备进行进出舟工艺步骤时，多采用停止腔室环境压力调节子系统，由传送系统进入微环境中，微环境压力调节子系统控制微环境的压力尽量达到同当时反应腔室的压力相同。

然而，本领域技术人员清楚，物料传输工艺阶段的环境压力调节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，以上述立式炉的环境压力调节系统为例，存在如下缺陷：

①、由于反应腔室环境压力调节和微环境压力调节子系统各自进行压力调节，腔室环境与微环境压力很难保持压力状况等指标的一致；

②、由于进出舟阶段压力不平衡调节持续时间较长，从而引入微环境和腔体中Particle干扰增多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物料供应系统模型的工艺环境压力调度方法，其将进出舟阶段的反应腔室与微环境作为一个整体，形成组合腔室，从而实现反应腔室与微环境压力的差压同步调整；即在建立物料供应系统反应模型的基础上，把组合腔室端的压力状态作为差压检测信号，设计出状态反馈调节控制律，实现进出舟阶段环境压力的平衡。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于物料供应系统模型的工艺环境压力调节方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤S1：根据物料供应系统特点建立传递函数反应模型；其中，所述物料供应系统包括微环境压力调节模块和反应腔室压力环境调节模块，两个所述压力调节模块输出端共同与真空泵环节连接在一起；

步骤S2：将进出舟阶段的反应腔室与微环境作为一个整体，形成组合腔室，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：获取物料供应系统系统状态反馈控制律；

步骤S4：通过物料供应系统的闭环特征方程式求得反馈控制律参数；

步骤S5：根据微环境和反应腔室的压差，以及所述反馈控制律参数，对反应腔室与微环境作为一个整体进行同步调节流量控制机构，实现物料在进出舟阶段的压力稳定。

优选地，所述步骤S4后还包括：验证系统控制律是否满足稳态误差的要求。

优选地，所述流量控制结构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/或真空泵环节。

优选地，所述质量流量控制阀为流量计。

从上述技术方案可以看出，本发明一种基于物料供应系统模型的工艺环境压力调节方法，提出了微环境调节系统接入真空泵环节，把进出舟阶段的反应腔室与微环境作为一个整体进行同步调节，即通过根据物料供应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，设计出状态反馈控制律，从而实现环境的压力稳定。

附图说明

图1为现有技术物料供应系统的结构示意图

图2为本发明物料供应系统一较佳实施例的结构示意图

图3为图2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

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

图5为本发明基于物料供应系统模型的工艺环境压力调节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2-5，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300mm立式LPCVD设备在进行进舟和出舟工艺阶段中形成的环境压力调节系统为例进行说明。

请参阅图2，图2为本发明物料供应系统一较佳实施例的结构示意图。如图所示，与现有技术相同的是，该系统通常包括工艺物料模块形成的反应腔室压力环境调节模块以及传送产品模块处于的微环境压力调节模块，反应腔室压力环境压力调节模块和微环境压力环境压力调节模块均包括：流量计12和13、管路、电磁阀体1、2、3、4、5、6和7；其中，流量计和电磁阀体负责物料流量的流通调节。并且，反应腔室10压力环境子系统采用高精度真空泵14进行调节，而微环境11压力调节子系统通过自循环进行调节，其中，压力计8和9用于监测反应腔室10和微环境11的压力值。

与现有技术不同，两个压力调节模块输出端共同与真空泵14环节连接在一起；也就是说，本发明的微环境调节模块的输出端接入了真空泵14环节，这样就可以把进出舟阶段的反应腔室10与微环境11作为一个整体进行同步调节，即可以作为一个具有并联多输入、多输出的系统进行分析，然后通过根据物料供应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，设计出状态反馈控制律，分析压力环境调节系统的特点；从而实现环境的压力稳定。

请参阅图3，图3为图2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X1(s)、X2(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)、G₄(s)、G₅(s)、G₆(s)、G₇(s)为执行机构的传递函数；G_m1(s)、G_m2(s)为质量流量控制阀的传递函数；Gc(s)为被控腔室传递函数。在本实施例中，将进出舟阶段的反应腔室10与微环境11作为一个整体，形成组合被控腔室，从而实现反应腔室10与微环境11压力的差压同步调整。

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：

$Q_1=\frac{p_1-p_c}{R_1+R_3}---\left(1\right)$

$Q_2=\frac{p_1-p_c}{R_2+R_3}---\left(2\right)$

$Q_3=\frac{p_c-p_2}{R_4}---\left(3\right)$

$Q_4=\frac{p_3-p_4}{R_5}---\left(4\right)$

$Q_5=\frac{p_3-p_c}{R_6}---\left(5\right)$

$Q_6=\frac{p_c-p_2}{R_7}---\left(6\right)$

其中，Q₁，Q₂，Q₃，Q₄，Q₅，Q₆为流过电磁阀R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆，R₇的物料流量。

我们知道，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：

$K_v=\frac{Q\left(8\right)}{U\left(8\right)}---\left(7\right)$

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：

$\frac{p_0-p_1}{Q_{\mathrm{LV}1}}=R_1\left(u\right)---\left(8\right)$

p₁＝p₀-R₁(u)*K_v1*u_v1      (9)

p₁＝p₀-U₁     (10)

同样可以得到：

$\frac{p_4-p_c}{Q_{\mathrm{LV}2}}=R_2\left(u\right)---\left(11\right)$

p₄＝p₃-R₂(u)*K_v2*u_v2     (12)

p₄＝p₃-U₂      (13)

根据物料流量平衡可得：

Q₁+Q₂+Q₄+Q₅-Q₃-Q₆＝Q_c     (14)

整理(1)～(6)得到：

$T_1{P}_1+T_2{P}_2+T_3{P}_3+T_4{P}_4=C_o\frac{{\mathrm{dp}}_c}{d_t}+T_c{P}_c---\left(15\right)$

其中，T₁，T₂，T₃，T₄，T_c为气阻R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆，R₇的函数。

取

u＝U得

$\stackrel{.}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}+d---\left(16\right)$

y＝Cx+Du      (17)

其中：

$A=\left[\begin{array}{cc}-\frac{T_c+T_4}{C_o}& 0\\ 0& -\frac{T_c+T_4}{C_o}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cc}-\frac{T_1}{C_o}& 0\\ 0& -\frac{T_4}{C_o}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],D=\left[\begin{array}{ccc}-k_{v1}& R_4& 0\\ 0& -{2k}_{v2}& R_7\end{array}\right]$

$d=\left[\begin{array}{cc}\frac{T_1{P}_0+T_2{P}_2+T_3{P}_3}{C_o}& 0\\ 0& \frac{T_1{P}_0+T_2{P}_2+T_3{P}_3}{C_o}\end{array}\right]$

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

$U=\left[\begin{array}{cc}{K}_1& K_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ q\end{array}\right]=K_{1}x+K_{2}q---\left(18\right)$

则增广状态系统的动态方程为

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{.}{x}\\ \stackrel{.}{q}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A+{\mathrm{BK}}_1& {\mathrm{BK}}_2\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right]u+\left[\begin{array}{c}d\\ {-y}_r\end{array}\right]---\left(19\right)$

$y=\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}D\\ 0\end{array}\right]u---\left(20\right)$

其闭环特征多项式为

$f\left(\mathrm{\λ}\right)=\det \{\mathrm{\λI}-\left[\begin{array}{cc}A+{\mathrm{BK}}_1& {\mathrm{BK}}_2\\ 1& 0\end{array}\right]\}---\left(21\right)$

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，上述在建立系统反应模型的基础上，把组合腔室端的压力状态作为差压检测信号，设计出状态反馈调节控制律，实现进出舟阶段环境压力的平衡。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5，总结一下本发明基于物料供应系统模型的工艺环境压力调节方法。请参阅图5，工艺环境压力调节方法可以具体包括如下步骤：

步骤S1：根据物料供应系统特点建立传递函数反应模型；其中，所述物料供应系统包括微环境压力调节模块和反应腔室压力环境调节模块，两个所述压力调节模块输出端共同与真空泵环节连接在一起；

步骤S2：将进出舟阶段的反应腔室与微环境作为一个整体，形成组合腔室，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：获取物料供应系统系统状态反馈控制律；

步骤S4：通过物料供应系统的闭环特征方程式求得反馈控制律参数；验证系统控制律是否满足稳态误差要求；

步骤S5：根据微环境和反应腔室的压差，以及所述反馈控制律参数，对反应腔室与微环境作为一个整体进行同步调节流量控制机构，实现物料在进出舟阶段的压力稳定。

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)

1.一种基于物料供应系统模型的工艺环境压力调节方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤S1：根据物料供应系统特点建立传递函数反应模型；其中，所述物料供应系统包括微环境压力调节模块和反应腔室压力环境调节模块，两个所述压力调节模块输出端共同与真空泵环节连接在一起；

步骤S2：将进出舟阶段的反应腔室与微环境作为一个整体，形成组合腔室，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：获取物料供应系统系统状态反馈控制律；

步骤S4：通过物料供应系统的闭环特征方程式求得反馈控制律参数；

步骤S5：根据微环境和反应腔室的压差，以及所述反馈控制律参数，对反应腔室与微环境作为一个整体进行同步调节流量控制机构，实现物料在进出舟阶段的压力稳定。

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，所述流量控制结构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/或真空泵环节。

4.如权利要求3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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