CN113031669B - 一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，包括：针对高品质晶体培植关键生产工艺开展内部及外部环境振动测试并对测试数据进行归类整理，为精细化数值仿真分析提供数据支撑，为主动控制系统及工艺技术分析标准提供关键控制变量；进行前馈伺服主动控制系统设计，形成伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案；基于工艺环境振动控制技术分析标准判别减隔振系统是否达到工艺设计、生产要求，并优化伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案的性能。形成一套高品质培植类关键工艺环境振动控制技术分析标准，获得关键工艺内外部振源影响的分析技术和晶体生长基本规律及振动影响机理，并设计了智能化主动型伺服系统。

Description

一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法

技术领域

本发明属于并应用于晶体培植类相关领域振动及减振技术领域，特别是一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法。

背景技术

目前，我国对于高品质晶体配置类关键工艺环境振动控制问题尚无一套完整有效的快速分析技术。国内习惯于采用大体积基础进行振动控制，但并不能保证高品质晶体培植的良品率。在环境振动日趋复杂、关键工艺振动要求日趋苛刻的条件下，工程经验类比法不能准确反映实际工程情况，而数值仿真分析和大规模计算不但耗时较长，而且无法快速准确的评估环境振动影响。此外，高端振动控制装置依赖于国外进口，价格昂贵且局限性大，而军用设施相关部分技术封锁严重，严重制约了晶体培植类相关领域的技术进步和产业升级。总结之，传统评估方法具有以下缺陷：

(1)成本高、浪费资源。国内设计单位习惯采用大体积基础，此类基础振动控制效果有限，对晶体提炼度存在潜在影响。晶体培植设备造价十分昂贵，基础投资成本高。受振动影响，晶元母体在熔化和再结晶的培植反复过程中，易出现裂纹、包裹体和位错等破损或残次晶体，资源消耗大。

(2)晶体良品率低。由于晶元母体培植过程中微振动的存在，增加芯片制造和光学核心元件的成本和周期。以砷化镓(GaAs)为例，优质GaAs作为衬底外延微波芯片成品率不到50％；碲锌镉(CdZnTe，CZT)衬底异质外延碲镉汞(HgCdTe，CMT)芯片成品率不到20％；非线性半导体材料磷锗锌(ZnGeP2，ZGP)作为光学元器件成品率不到30％。高端芯片对晶元母体质量要求更高，振动控制不当制约了良品率的提升。

(3)进口设备技术受限。高端芯片质量和性能的提高直接受晶元母体质量的制约，没有高质量的晶元母体就不可能制备出高品质的芯片。因此，美国、欧盟和日本等西方国家在晶元母体上对我国长期实行禁运政策。海外民用设备价格昂贵，且晶培效果范围有限，适用情况较少，无法精确控制产品边界细度，易有边界细度较低问题。严重制约了我国晶体培植类相关领域的技术进步和产业升级。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，该振动控制方法主要针对高品质晶体培植类关键工艺受复杂环境振动影响导致的良品率参差不齐，基于非统一化振动控制技术标准，提出一种综合内外部动态振源、晶体培养生长过程相区排列以及振动影响机理的识别方法，同时提出主动伺服控制模式及基于前馈控制算法的智能化控制方法，设计基于此类结构体系内外部动力特性的振动控制系统，有效解决晶体培植装置选择问题，系统化构建高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析标准。

本发明的目的在于提供一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，包括：

步骤1，针对高品质晶体培植关键生产工艺开展内部及外部环境振动测试并对测试数据进行归类整理，所述测试数据为精细化数值仿真分析提供数据支撑，为主动控制系统及工艺技术分析标准提供关键控制变量；

步骤2，进行前馈伺服主动控制系统设计，形成伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案；

步骤3，基于工艺环境振动控制技术分析标准判别减隔振系统是否达到工艺设计、生产要求，并优化所述伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案的性能。

优选的，所述步骤2包括：

步骤21，对晶培过程中晶体生长基本规律三相区发展模式及微振动对结晶固液界面的影响机理进行分析，结合多物理场叠加影响，完成晶培多场耦合模型模拟；

步骤22，通过对培植系统内外部振源特性开展研究，结合主动伺服控制装置模型及前馈响应系统设计，设计智能前馈振动控制系统；

步骤23，融合了晶体培植过程的所述晶培多场耦合模型模拟以及智能前馈振动控制系统设计，形成伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案。

优选的，所述步骤21所述多物理场包括温度场、应力场和/或湿度场。

优选的，所述步骤3包括：

步骤31，基于指控系统性能优化的要求制定解决方案；

步骤32，根据当前生产类型的有限元分析进行数值模拟；

步骤33，根据减隔振支撑系统的策略计算确定所述伺服前馈响应智能振动控制装置的关键参数；

步骤34，根据晶体培植模拟实验环境制造试验样机；

步骤35，判断试验样机是否满足晶圆要求，如果满足晶圆要求，则将智控系统模块进行融合后进行工程示范推广应用，如果不满足晶圆品质，则返回步骤31。

优选的，所述步骤33所述关键参数包括：确定系统重心，计算设备宽高比及运动质量比，调整设备及隔振系统使其质心、刚心重合以达到最优减隔振性能。

优选的，所述步骤33所述关键参数包括：隔振系统动力分析，通过数据监测内容分析振动影响主要频带，明确当前工况下隔振系统的减隔振标准。

优选的，所述步骤33所述关键参数包括：考虑设备内部振源对系统的影响及减振系统对外部振源的减振性能。

优选的，所述步骤33所述关键参数包括：考虑多物理场对减振系统性能的影响，以及环境变化对隔振系统中的空气弹簧和阻尼所产生的影响。

优选的，所述步骤33所述关键参数包括：结合主要隔振频率及负载状态，预估系统使用寿命。

本发明的有益效果：

(1)形成一套高品质培植类关键工艺环境振动控制技术分析标准。这套高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析标准针对晶体培植过程中内外部环境振动难以预测、控制；晶体培植工艺振动控制技术，国内外标准不一，存在矛盾；国内高端芯片良品率低，没有统一的关键工艺环境振动控制标准等现状，系统分析了多物理场环境振动影响、提出了主动四幅控制模式和基于前馈的智能控制方法、构建了多层级振动控制技术体系，为促进高端晶体产业稳步前进提供基础支撑。

(2)关键工艺内外部振源影响的分析技术。内外部多源振动耦合对晶体培植影响显著，控制不当导致晶体培植良品率明显下降。为此，本专利提出通过关键工艺生产过程振动测试、评估技术，通过勘察周围环境、确定振源类型、明确振源距离、掌握振源强度，为控制技术标准的建立奠定基础。

(3)晶体生长基本规律及振动影响机理。

晶体培植需要遵循晶体自然生长规律，同时考虑生长期间面临的多源振动影响，根据生长阶段和振动特点，建立不同阶段的振动影响机理和振动控制标准，为控制装置的选型以及优化分析提供支撑。

(4)智能化主动型伺服系统。采用智能伺服控制装置和基于前馈控制算法的智能化控制方法，全生产周期内实时监测内外部振动环境，及时调整控制装置，有效降低振动影响，显著提高晶体培植良品率。同时监测晶体培植生长情况，及时调整温度、偏角等影响晶体培植正常生长的因素。

(5)结合高品质晶体培植类关键工艺生产环节振动数据及精细化仿真分析计算，分类确立关键工艺振动控制技术标准，提高良品率，并在市场推广应用，使得市场推广统一分类标准。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法作进一步阐述。以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本发明。

本实施例的高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制方法主要针对高品质晶体培植类关键工艺受复杂环境振动影响导致的良品率参差不齐，基于非统一化振动控制技术标准，提出一种综合内外部动态振源、晶体培养生长过程相区排列以及振动影响机理的识别方法，同时提出主动伺服控制模式及基于前馈控制算法的智能化控制方法，设计基于此类结构体系内外部动力特性的振动控制系统，有效解决晶体培植装置选择问题，系统化构建高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析标准。

该方法主要包括晶体培植工艺多场耦合模拟、晶体培植振动影响机理和响应规律、内部振源特性研究、定频前馈振动控制有效方案、主动伺服智能控制装置、智能测控系统模块化优化方案、晶体培植设备下部减隔振支撑结构要求、配置工艺减隔振参数确定方法及系统体系评价分析标准。该标准伴随智能测控系统优化方案，有效地确定了高品质晶体培植类工艺环境振动控制技术分析标准，规范了振动控制成套技术应用方法，将会成为晶体培植类生产工艺环境振动控制技术需求的主流导向。

参见图1，本实施例的一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制方法，包括：

步骤1，针对高品质晶体培植关键生产工艺开展内部及外部环境振动测试并对测试数据进行归类整理，为后续精细化数值仿真分析提供数据支撑，为主动控制系统及工艺技术分析标准提供关键控制变量；

步骤2，进行前馈伺服主动控制系统设计，形成伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案，包括：

步骤21，对晶培过程中晶体生长基本规律三相区发展模式及微振动对结晶固液界面的影响机理进行分析，结合多物理场叠加影响(如温度场、应力场、湿度场)，完成晶培多场耦合模型模拟；

步骤22，通过对培植系统内外部振源特性开展研究，结合主动伺服控制装置模型及前馈响应系统设计，开展智能前馈振动控制系统设计；

步骤23，融合了晶体培植过程的所述晶培多场耦合模型模拟以及智能前馈振动控制系统设计，形成伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案；

步骤3，基于工艺环境振动控制技术分析标准判别减隔振系统是否达到工艺设计、生产要求，并结合市场需求优化所述伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案的性能，包括：

步骤31，基于指控系统性能优化的要求制定解决方案；

步骤32，根据当前生产类型的有限元分析进行数值模拟；

步骤33，根据减隔振支撑系统的策略计算确定所述伺服前馈响应智能振动控制装置的关键参数；

步骤34，根据晶体培植模拟实验环境制造试验样机；

步骤35，判断试验样机是否满足晶圆要求，如果满足晶圆要求，则将智控系统模块进行融合后进行工程示范推广应用，如果不满足晶圆品质，则返回步骤31。

其中，所述步骤33包括：

(1)确定系统重心，计算设备宽高比及运动质量比，调整设备及隔振系统使其质心、刚心尽可能重合以达到最优减隔振性能；

(2)隔振系统动力分析，通过数据监测内容分析振动影响主要频带，明确当前工况下隔振系统的减隔振标准；

(3)考虑设备内部振源对系统的影响及减振系统对外部振源的减振性能；

(4)考虑多物理场对减振系统性能的影响，温度、压强等环境变化，对隔振系统中的空气弹簧和阻尼等产生影响；

(5)隔振系统寿命预设计标准，高品质晶体培植类关键工艺负载分布决定隔振系统工作使用寿命，结合主要隔振频率及负载状态，预估系统使用寿命。

本实施例的实施，

(1)形成一套高品质培植类关键工艺环境振动控制技术分析标准。这套高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析标准针对晶体培植过程中内外部环境振动难以预测、控制；晶体培植工艺振动控制技术，国内外标准不一，存在矛盾；国内高端芯片良品率低，没有统一的关键工艺环境振动控制标准等现状，系统分析了多物理场环境振动影响、提出了主动四幅控制模式和基于前馈的智能控制方法、构建了多层级振动控制技术体系，为促进高端晶体产业稳步前进提供基础支撑。

(2)关键工艺内外部振源影响的分析技术。内外部多源振动耦合对晶体培植影响显著，控制不当导致晶体培植良品率明显下降。为此，本专利提出通过关键工艺生产过程振动测试、评估技术，通过勘察周围环境、确定振源类型、明确振源距离、掌握振源强度，为控制技术标准的建立奠定基础。

(3)晶体生长基本规律及振动影响机理。

晶体培植需要遵循晶体自然生长规律，同时考虑生长期间面临的多源振动影响，根据生长阶段和振动特点，建立不同阶段的振动影响机理和振动控制标准，为控制装置的选型以及优化分析提供支撑。

(4)智能化主动型伺服系统。采用智能伺服控制装置和基于前馈控制算法的智能化控制方法，全生产周期内实时监测内外部振动环境，及时调整控制装置，有效降低振动影响，显著提高晶体培植良品率。同时监测晶体培植生长情况，及时调整温度、偏角等影响晶体培植正常生长的因素。

(5)结合高品质晶体培植类关键工艺生产环节振动数据及精细化仿真分析计算，分类确立关键工艺振动控制技术标准，提高良品率，并在市场推广应用，使得市场推广统一分类标准。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，其特征在于包括：

步骤1，针对高品质晶体培植关键生产工艺开展内部及外部环境振动测试并对测试数据进行归类整理，所述测试数据为精细化数值仿真分析提供数据支撑，为主动控制系统及工艺技术分析标准提供关键控制变量；

步骤2，进行前馈伺服主动控制系统设计，形成伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案；

步骤3，基于工艺环境振动控制技术分析标准判别减隔振系统是否达到工艺设计、生产要求，并优化所述伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案的性能；

其中，所述步骤2包括：

步骤21，对晶培过程中晶体生长基本规律三相区发展模式及微振动对结晶固液界面的影响机理进行分析，结合多物理场叠加影响，完成晶培多场耦合模型模拟；

步骤22，通过对培植系统内外部振源特性开展研究，结合主动伺服控制装置模型及前馈响应系统设计，设计智能前馈振动控制系统；

步骤23，融合了晶体培植过程的所述晶培多场耦合模型模拟以及智能前馈振动控制系统设计，形成伺服前馈响应智能振动控制装置的解决方案。

2.根据权利要求1所述的一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，其特征在于所述步骤21所述多物理场包括温度场、应力场和/或湿度场。

3.根据权利要求1所述的一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，其特征在于所述步骤3包括：

步骤31，基于指控系统性能优化的要求制定解决方案；

步骤32，根据当前生产类型的有限元分析进行数值模拟；

步骤33，根据减隔振支撑系统的策略计算确定所述伺服前馈响应智能振动控制装置的关键参数；

步骤34，根据晶体培植模拟实验环境制造试验样机；

步骤35，判断试验样机是否满足晶圆要求，如果满足晶圆要求，则将智控系统模块进行融合后进行工程示范推广应用，如果不满足晶圆品质，则返回步骤31。

4.根据权利要求3所述的一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，其特征在于所述步骤33所述关键参数包括：确定系统重心，计算设备宽高比及运动质量比，调整设备及隔振系统使其质心、刚心重合以达到最优减隔振性能。

5.根据权利要求4所述的一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，其特征在于所述步骤33所述关键参数包括：隔振系统动力分析，通过数据监测内容分析振动影响主要频带，明确当前工况下隔振系统的减隔振标准。

6.根据权利要求5所述的一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，其特征在于所述步骤33所述关键参数包括：考虑设备内部振源对系统的影响及减振系统对外部振源的减振性能。

7.根据权利要求6所述的一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，其特征在于所述步骤33所述关键参数包括：考虑多物理场对减振系统性能的影响，以及环境变化对隔振系统中的空气弹簧和阻尼所产生的影响。

8.根据权利要求7所述的一种高品质晶体培植类关键工艺环境振动控制技术分析方法，其特征在于所述步骤33所述关键参数包括：结合主要隔振频率及负载状态，预估系统使用寿命。

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