CN110531715A - Lpcvd工艺生产环境的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种LPCVD工艺生产环境的控制方法及系统。该控制方法包括：步骤1：采集被控对象的过程数据；步骤2：根据过程数据以及预先确定的目标函数，计算目标函数具有最小值时对应的控制律，作为初始控制律；步骤3：根据过程数据计算性能指标，并基于初始控制律和所述性能指标，计算优化控制律；步骤4：控制器基于优化控制律对被控对象进行控制。该方法可依据采集的被控对象的过程数据计算优化的控制律，从而控制器能够根据采集的过程数据动态调整控制律，使得控制方法能够适应LPCVD工艺生产环境的变化。

Description

LPCVD工艺生产环境的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及半导体加工制造领域，特别涉及一种低压化学沉积(LPCVD，LowPressure Chemical Vapour Deposition)工艺生产环境的控制方法及控制系统。

背景技术

LPCVD技术是CMOS工艺中非常成熟的薄膜介质制备技术。这种工艺制程通常能够在中等生长温度(典型温度大约600℃)生产出致密的膜厚质量，而且能够利用流片工厂成熟的工产线进行GaN等器件的大规模生产。

低压化学沉积的工艺生产环境主要对腔室中的温度、真空压力及流量等进行调节以满足介质生产的环境条件。传统方法多依据物理化学机理建立精确数学模型，并对生产过程和设备进行控制和预报。另一方面生产设备每天都在产生并存储着大量的工艺数据及设备运行数据，这些数据隐含着工艺变动和设备运行等信息。如何有效利用这些大量的离、在线数据，对生产过程和设备进行优化控制，成为生产及制造设备企业一个重要的研究课题。

专利CN201310298738.6“一种LPCVD工艺生产环境的控制方法及其控制系统”提出通过建立综合温度控制系统与真空控制系统的系统状况变量，计算系统稳定的参量矩阵和反馈增益参数，达到期望控制指标的优化和系统状态的调控。但是该方案建立的状态模型本身也是在满足一定条件下获得，在出现诸如系统老化、参数变化时，原来的控制器参数将不能匹配被控对象。在热处理设备的腔室介质工艺环境发生变化时，尤其在工艺腔室容积缩小时，工艺环境指标诸如输入物料、环境温度、真空压力之间的耦合关系进而变得更加明显，允许的工艺参量波动范围也更为严格，这样由于模型匹配存在误差进而影响控制效果。

因此，期待开发一种能够适应工艺条件变动的控制方法，以保证控制效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种LPCVD工艺生产环境的控制方法及系统，以适应工艺过程中的工艺条件变动。

本发明一方面提出一种LPCVD工艺生产环境的控制方法，包括：

步骤1：采集被控对象的过程数据；

步骤2：根据所述过程数据以及预先确定的目标函数，计算所述目标函数具有最小值时对应的控制律，作为初始控制律；

步骤3：根据所述过程数据计算性能指标，并基于所述初始控制律和所述性能指标，计算优化控制律；

步骤4：控制器基于所述优化控制律对所述被控对象进行控制。

优选地，所述过程数据包括系统输入r(i)、控制律k(i)、控制律输出u(i)、被控对象输出y(i)，其中i＝1,2,…,N，N表示过程数据的数量；

其中，所述系统输入包括反应腔室内温度、反应腔室外温度、反应腔室真空度、物料供应流量的至少其中之一。

优选地，在所述步骤2中，所述控制律由以下公式(1)表示：

k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1 (1)

其中，k(t)表示控制律，u(t)表示控制律输出，r(t)表示系统输入，y(t)表示被控对象输出，t表示时间。

优选地，所述目标函数为：

其中，d表示目标函数，g(Ф(t))即控制律k(t)，g(Ф(t))＝k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1，maxg(φ)为g(φ)的最大值，ming(φ)为g(φ)的最小值。

优选地，所述步骤2还包括：

判断所述目标函数的最小值是否∈[0,1]，如果是，则将所述最小值对应的控制律作为初始控制律。

优选地，根据以下公式(4)计算所述性能指标：

其中，J表示性能指标，e(t)＝y_r(t)-y(t)，y_r(t)＝G·r(t)，y_r(t)表示期望的被控对象输出，r(t)表示系统输入，G表示期望的被控对象传输函数，e(t)表示误差，满足e∈[0,E(e)]，E(e)表示预设的最大误差。

优选地，基于所述初始控制律和所述性能指标，根据公式(5)计算优化控制律：

其中，k_ori(t)为初始控制律，k_opt(t)为优化控制律，η为收敛系数。

本发明另一方面提供一种LPCVD工艺生产环境的控制系统，包括：

数据采集模块，用于采集被控对象的过程数据；

计算模块，用于根据所述过程数据以及预先确定的目标函数，计算所述目标函数具有最小值时对应的控制律，作为初始控制律；以及根据所述过程数据计算性能指标，并基于所述初始控制律和所述性能指标，计算优化控制律；

控制器，基于所述优化控制律对所述被控对象进行控制。

优选地，所述控制律由以下公式(1)表示：

k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1 (1)

其中，k(t)表示控制律，u(t)表示控制律输出，r(t)表示系统输入，y(t)表示被控对象输出，t表示时间。

优选地，所述目标函数为：

其中，d表示目标函数，g(Ф(t))即控制律k(t)，g(Ф(t))＝k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1，maxg(φ)为g(φ(i))的最大值，ming(φ)为g(φ(i))的最小值。

优选地，根据以下公式(4)计算所述性能指标：

其中，J表示性能指标，e(t)＝y_r(t)-y(t)，y_r(t)＝G·r(t)，y_r(t)表示期望的被控对象输出，r(t)表示系统输入，G表示期望的被控对象传输函数，e(t)表示误差，满足e∈[0,E(e)]，E(e)表示预设的最大误差。

优选地，基于所述初始控制律和所述性能指标，根据公式(5)计算优化控制律：

其中，k_ori(t)为初始控制律，k_opt(t)为优化控制律，η为收敛系数。。

本发明的有益效果在于可依据采集的过程数据计算优化的控制律，从而控制器能够根据采集的被动对象的过程数据动态调整控制律，使得控制方法能够适应LPCVD工艺生产环境的变化，例如系统老化、参数变化等，进而实现生产工艺环境参量的优化控制，为生产优良介质器件提供保障基础。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1显示根据本发明的示例性实施例的LPCVD工艺生产环境的控制方法的流程图；

图2显示根据本发明的示例性实施例的LPCVD工艺生产环境的控制系统的框图；

图3显示应用常规方法以及根据本发明的控制方法的控制结果对比图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1显示根据本发明的示例性实施例的LPCVD工艺生产环境的控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：采集被控对象的过程数据；

步骤2：根据过程数据以及预先确定的目标函数，计算目标函数具有最小值时对应的控制律，作为初始控制律；

步骤3：根据过程数据计算性能指标，并基于初始控制律和性能指标，计算优化控制律；

步骤4：控制器基于优化控制律对被控对象进行控制。

根据本发明的控制方法，可依据采集的被控对象的过程数据计算优化控制律，从而控制器能够根据被控对象的过程数据动态调整控制律，使得控制方法能够适应LPCVD工艺生产环境的变化，例如系统老化、参数变化等，进而实现生产工艺环境参量的优化控制，为生产优良介质器件提供保障基础。

其中，在所述步骤1中，采集的被控对象的过程数据包括系统输入r(i)、控制律k(i)、控制律输出u(i)、被控对象输出y(i)等，其中控制律是指控制律输出与系统输入之间的函数关系。过程数据是一系列离散数据，其中i＝1,2,…,N，N表示过程数据的数量。为便于过程数据的存储与读取，采集的过程数据可形成过程数据向量，即[k(i),r(i),u(i),y(i)]，其中i＝1,2,…,N，共N个过程数据向量。

低压化学沉积系统LPCVD的工艺环境设备系统包括温度控制模块，包括内部温度传感器(例如热电偶，用于测量反应腔室内部温度)、外部温度传感器(例如热电偶，用于测量反应腔室外壁温度)以及功率输出模块；腔室真空控制模块，包括物料供应系统(用于向反应腔室提供物料，主要包括反应气体)、真空传感器(用于检测反应腔室内的真空度)以及真空泵调节模块。这样，系统输入主要包括反应腔室内温度、反应腔室外温度、反应腔室真空度及物料供应流量等。

其中，在所述步骤2中，基于反馈控制原理可知，u(t)＝(r(t)-y(t))·k(t)。因此，基于采集的过程数据，控制律k(t)由以下公式(1)表示：

k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1 (1)

其中，t为变量，表示时间，u(t)表示控制律输出，r(t)表示系统输入，y(t)表示被控对象输出。

为后续处理方便起见，可将k(t)改写为公式(2)：

k(t)＝g(Ф(t)) (2)

其中，g(Ф(t))为过渡函数，g(Ф(t))＝k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1。

其中，在所述步骤2中，确定如公式(3)所示的目标函数d：

其中，d表示目标函数，maxg(φ)为g(φ(i))的最大值，ming(φ)为g(φ(i))的最小值。

确定目标函数具有最小值时对应的控制律作为初始控制律k_ori。优选地，确定目标函数具有最小值且该最小值∈[0,1]时对应的控制律作为初始控制律k_ori。

其中，在所述步骤3，根据以下公式(4)计算性能指标J：

其中，J表示性能指标，e(t)＝y_r(t)-y(t)，y_r(t)＝G·r(t)，y_r(t)表示期望的被控对象输出，y(t)表示实际的被控对象输出，G表示期望的被控对象传输函数，r(t)表示系统输入，e(t)表示误差，满足e∈[0,E(e)]，E(e)表示预设的最大误差。

其中，在所述步骤4，基于初始控制律和性能指标，根据公式(5)计算优化控制律：

其中，k_ori(t)为初始控制律，k_opt(t)表示优化控制律，η表示收敛系数。

根据步骤4计算得到的优化控制律k_opt(t)，即提供到控制器用于对被控对象进行控制。

以上参考一个控制律参数的情况描述了根据本发明实施例的LPCVD工艺生产环境的控制方法的步骤。对于多个控制律参数的情况，公式(5)可以表示为向量形式：

其中，m表示控制律参数的数量。

具体地，根据示例性实施例的LPCVD工艺生产环境的控制系统可以包括：

数据采集模块，用于采集被控对象的过程数据；

计算模块，用于根据所述过程数据以及预先确定的目标函数，计算所述目标函数具有最小值时对应的控制律，作为初始控制律；以及根据所述过程数据计算性能指标，并基于所述初始控制律和所述性能指标，计算优化控制律；

控制器，基于所述优化控制律对所述被控对象进行控制。

具体地，图2显示根据本发明的示例性实施例的LPCVD工艺生产环境的控制系统的框图。如图2所示，该控制系统引入计算模块，计算模块可以包括性能指标计算模块P、数据计算模块M，性能指标计算模块P用于计算性能指标，数据计算模块M用于执行计算性能指标以外的其他计算步骤。计算模块的计算结果输出至控制器C，控制器C对被控对象进行控制，优选的该系统还可以包括数据存储模块，用于存储该系统用于优化控制被控对象的各种数据。

其中，过程数据包括系统输入r(i)、控制律k(i)、控制律输出u(i)、被控对象输出y(i)，其中i＝1,2,…,N，N表示过程数据的数量；

其中，系统输入包括反应腔室内温度、反应腔室外温度、反应腔室真空度、物料供应流量的至少其中之一。

作为优选方案，所述控制律由以下公式(1)表示：

k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1 (1)

其中，k(t)表示控制律，u(t)表示控制律输出，r(t)表示系统输入，y(t)表示被控对象输出，t表示时间。

作为优选方案，所述目标函数为：

其中，d表示目标函数，g(Ф(t))即控制律k(t)，g(Ф(t))＝k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1，maxg(φ)为g(φ(i))的最大值，ming(φ)为g(φ(i))的最小值。

作为优选方案，根据以下公式(4)计算所述性能指标：

其中，J表示性能指标，e(t)＝y_r(t)-y(t)，y_r(t)＝G·r(t)，y_r(t)表示期望的被控对象输出，r(t)表示系统输入，G表示期望的被控对象传输函数，e(t)表示误差，满足e∈[0,E(e)]，E(e)表示预设的最大误差。

作为优选方案，基于所述初始控制律和所述性能指标，根据公式(5)计算优化控制律：

其中，k_ori(t)为初始控制律，k_opt(t)为优化控制律，η为收敛系数。

实施例

图3显示了根据本发明的LPCVD工艺生产环境的控制方法与常规控制方法的控制效果对比图。其中，被控对象传输函数为随机干扰幅度为5，图3中虚线为采用常规控制方法控制律K＝[1.8,60]^T的被控对象输出，实线为采用根据本发明的LPCVD工艺生产环境的控制方法优化控制律K_opt(t)＝[k_1ori(t)+η₁(y(t)-y(t-1))e(t),k_2ori(t)+η₂(r(t)-y(t))e(t)]^T的被控对象输出。在本实施例中，控制律参数为2个，优化控制律K_opt(t)表示为向量形式。比较虚线和实线可以看出，根据本发明的LPCVD工艺生产环境的控制方法能够根据数据实时调整控制输出，进而实现被控指标的快速稳定。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (12)

1.一种LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：采集被控对象的过程数据；

步骤2：根据所述过程数据以及预先确定的目标函数，计算所述目标函数具有最小值时对应的控制律，作为初始控制律；

步骤3：根据所述过程数据计算性能指标，并基于所述初始控制律和所述性能指标，计算优化控制律；

步骤4：控制器基于所述优化控制律对所述被控对象进行控制。

2.根据权利要求1所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，所述过程数据包括系统输入r(i)、控制律k(i)、控制律输出u(i)、被控对象输出y(i)，其中i＝1,2,…,N，N表示过程数据的数量；

其中，所述系统输入包括反应腔室内温度、反应腔室外温度、反应腔室真空度、物料供应流量的至少其中之一。

3.根据权利要求2所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述控制律由以下公式(1)表示：

k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1 (1)

其中，k(t)表示控制律，u(t)表示控制律输出，r(t)表示系统输入，y(t)表示被控对象输出，t表示时间。

4.根据权利要求3所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，所述目标函数为：

其中，d表示目标函数，g(Ф(t))即控制律k(t)，g(Ф(t))＝k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1，maxg(φ)为g(φ(i))的最大值，ming(φ)为g(φ(i))的最小值。

5.根据权利要求1所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

判断所述目标函数的最小值是否∈[0,1]，如果是，则将所述最小值对应的控制律作为初始控制律。

6.根据权利要求3所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，根据以下公式(4)计算所述性能指标：

其中，J表示性能指标，e(t)＝y_r(t)-y(t)，y_r(t)＝G·r(t)，y_r(t)表示期望的被控对象输出，r(t)表示系统输入，G表示期望的被控对象传输函数，e(t)表示误差，满足e∈[0,E(e)]，E(e)表示预设的最大误差。

7.根据权利要求6所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，基于所述初始控制律和所述性能指标，根据公式(5)计算优化控制律：

其中，k_ori(t)为初始控制律，k_opt(t)为优化控制律，η为收敛系数。

8.一种LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于采集被控对象的过程数据；

计算模块，用于根据所述过程数据以及预先确定的目标函数，计算所述目标函数具有最小值时对应的控制律，作为初始控制律；以及根据所述过程数据计算性能指标，并基于所述初始控制律和所述性能指标，计算优化控制律；

控制器，基于所述优化控制律对所述被控对象进行控制。

9.根据权利要求8所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，所述控制律由以下公式(1)表示：

k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1 (1)

其中，k(t)表示控制律，u(t)表示控制律输出，r(t)表示系统输入，y(t)表示被控对象输出，t表示时间。

10.根据权利要求9所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，所述目标函数为：

其中，d表示目标函数，g(Ф(t))即控制律k(t)，g(Ф(t))＝k(t)＝u(t)·(r(t)-y(t))^-1，maxg(φ)为g(φ(i))的最大值，ming(φ)为g(φ(i))的最小值。

11.根据权利要求10所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，根据以下公式(4)计算所述性能指标：

其中，J表示性能指标，e(t)＝y_r(t)-y(t)，y_r(t)＝G·r(t)，y_r(t)表示期望的被控对象输出，r(t)表示系统输入，G表示期望的被控对象传输函数，e(t)表示误差，满足e∈[0,E(e)]，E(e)表示预设的最大误差。

12.根据权利要求11所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，基于所述初始控制律和所述性能指标，根据公式(5)计算优化控制律：

其中，k_ori(t)为初始控制律，k_opt(t)为优化控制律，η为收敛系数。