DE102011008047B4

DE102011008047B4 - Verfahren zur Regelung eines Abscheideprozesses

Info

Publication number: DE102011008047B4
Application number: DE102011008047.3A
Authority: DE
Inventors: Carsten Deus; Dr. Wünsche Tilo; Dr. Baumann Jens; Udo Ließ
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2031-01-08
Also published as: DE102011008047A1

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Abscheideprozesses in einer Vakuumanlage, bei dem ein Substrat an mindestens einer Beschichtungsquelle kontinuierlich vorbeibewegt wird, wobei aus der Beschichtungsquelle auf dem Substrat mindestens eine Schicht mit einer Schichtdicke abgeschieden wird, wobei das Verfahren eine Messung einer physikalischen Eigenschaft, die die Schichtdicke repräsentiert, als Regelgröße y mit einer Totzeit zur Schichtabscheidung vorsieht, welche größer als die Reaktionszeit der Beschichtungsquelle auf eine Veränderung der für die Rate der Beschichtung dominierenden Ratestellgröße us ist, wobei der totzeitbehaftete Messwert der Regelgröße y einem Regler 4 zugeführt wird, der Werte der Ratestellgröße us einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelalgorithmus eingesetzt wird, der um die Totzeit verzögerte Istwerte der Ratestellgröße us, unverzögerte Werte der Istwerte der wirksamen Ratestellgröße usw und unverzögerte Werte der ermittelten Schichtdicke y für die Ermittlung des Reglerausgangs rechnerisch kombiniert und dass mehrere unterschiedliche Beschichtungsquellen zur Abscheidung mehrerer Schichten benutzt werden, deren Dicken aus der Kombination mehrerer mit unterschiedlichen Totzeiten ermittelten Schichtdicken-Messsignalen als Istwerte der Regelgröße ym ermittelt und unter Einbeziehung von unterschiedlich zeitlich verzögerten Istwerten in die Berechnung der Regler-Ausgangssignale geregelt werden und dass die Messsignale mehrerer Messstellen zur rechnerischen Ermittlung mehrerer Schichtdicken eines aus mehreren Schichten aufgebauten Schichtstapels kombiniert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Abscheideprozesses in einer Vakuumanlage, bei dem ein Substrat an mindestens einer Beschichtungsquelle kontinuierlich vorbeibewegt wird, wobei aus der Beschichtungsquelle auf dem Substrat mindestens eine Schicht mit einer Schichtdicke abgeschieden wird. Dabei sieht das Verfahren eine Messung einer physikalischen Eigenschaft, die die Schichtdicke repräsentiert, als Regelgröße mit einer Totzeit zur Schichtabscheidung vor, welche größer als die Reaktionszeit der Beschichtungsquelle auf eine Veränderung der für die Rate der Beschichtung dominierenden Ratestellgröße ist, wobei die verzögerte Regelgröße einem Regler zugeführt wird, der Werte der Ratestellgröße einstellt.
Stand der Technik ist es, die Dicke einer durch Elektronenstrahlverdampfen abgeschiedenen Schicht durch die Leistung des Elektronenstrahls und die Strahlfigur einzustellen.
Eine Anpassung bzw. Regelung der Elektronenstrahlleistung oder der Strahlfigur erfolgt durch Beschichtung von Dehnmessstreifen, Schwingquarzen, Gewichtssensoren ( JP H04-116 166 A ).
Andere Verfahren nutzen Daten des Prozesses wie die Tiegeltemperatur, die optische Emission des durch den Elektronenstrahl erzeugten Plasmas, die durch den Elektronenstrahl erzeugte Röntgenstrahlung oder durch spezielle Detektoren gemessene Rückstreuelektronen. In Durchlaufanlagen können die Elektronenstrahlleistung und die Strahlfigur auch durch gemessene Schichteigenschaften geregelt werden. Die gemessenen Größen werden dem Regelalgorithmus direkt zugeführt. Als Regelalgorithmus wird meist ein PID-Regler verwendet.
Bei der Nutzung von Schichteigenschaften in Durchlaufanlagen entstehen große Totzeiten beim Transport des Substrats zwischen Verdampfer und Messstelle.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Regelalgorithmus bereitzustellen, welcher eine schnelle Regelung trotz einer großen Totzeit ermöglicht. Diese schnelle Regelung ermöglicht eine bessere Schichtdickenhomogenität und eine Reduzierung des Verwurfs nach Ausregelung von Prozessstörungen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 18 sind besondere Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.
Dabei wird ein Regelalgorithmus eingesetzt, der um die Totzeit verzögerte Istwerte der Ratestellgröße, unverzögerte Werte der Istwerte der Ratestellgröße u_sw und unverzögerte Werte der ermittelten Schichtdicke y, wobei die unverzögerten Werte der Istwerte der Ratestellgröße u_sw und die unverzögerten Werte der ermittelten Schichtdicke y in einem engen Toleranzbereich variieren können, für die Ermittlung des Reglerausgangs rechnerisch kombiniert. Insbesondere kann dies dadurch erfolgen, dass ein Smith-Prädiktor derart verwendet wird, dass ein totzeitfreies Vorhersagemodell des Smith-Prädiktor aus der Ratestellgröße u_s Vorhersagewerte y_p der Regelgröße berechnet, die mit einer Korrekturgröße korrigiert dem Regler als Rückführgröße r zugeführt werden, der entsprechend einer Regelabweichung aus Rückführgröße r und Führungsgröße w, die einer Soll-Schichtdicke entspricht, eine Ratestellgröße berechnet, wobei der Korrekturwert aus einer Differenz des Istwertes der Regelgröße y_m und des mit einem Totzeitmodell verzögerten Vorhersagewertes y ^_p gebildet wird.
Hierdurch werden die regelungstechnischen Nachteile der Totzeit überwunden.
Es ist auch möglich, dass mehrere unterschiedliche Beschichtungsquellen zur Abscheidung mehrerer Schichten benutzt werden können, deren Dicken aus der Kombination mehrerer mit unterschiedlichen Totzeiten ermittelten Schichtdicken-Messsignale ermittelt und unter Einbeziehung von unterschiedlich zeitlich verzögerten Istwerten in die Berechnung der Regler-Ausgangssignale geregelt werden.
In besonders günstiger Weise wird ein PID-Regler verwendet und die Rückführgröße r dem PID-Regler zugeführt wird.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Ratestellgröße nicht nur am Reglerausgang dem Vorhersagemodell übergeben sondern vielmehr die wirksame Ratestellgröße u_sw im laufenden Verfahren gemessen und als Eingangsgröße für das Vorhersagemodell eingesetzt. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit des Vorhersagewertes y_p.
Die Erfindung kann bei einem Verdampfungsprozess zur Schichtabscheidung angewandt werden, wobei die Regelung über die Leistung des Verdampfers und/oder der Transportgeschwindigkeit des Substrats als Stellgröße vorgenommen wird.
Die durch die wirksame Ratestellgröße aus der Beschichtungsrate wird vorzugsweise mittels der von dem Verdampfer aufgenommenen Leistung und der Substratgeschwindigkeit berechnet und als Eingangsgröße für das Vorhersagemodell eingesetzt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist hierzu vorgesehen, dass die durch die wirksame Ratestellgröße aus der Beschichtungsrate mittels der von dem Verdampfer aufgenommenen Leistung und der Differenz aus der Substrattemperatur vor und nach der Beschichtung berechnet und als Eingangsgröße für das Vorhersagemodell eingesetzt wird.
Der Leistungseintrag in das verdampfende Material kann durch direkte oder indirekte Messung der Temperatur des zu verdampfenden Materiales oder des Tiegels erfasst werden.
Der Leistungseintrag in das verdampfende Material kann auch durch Messung der Wärmemengenaufnahme eines durch den Tiegel fließenden Kühlmittels erfasst werden.
Die Erfindung kann auf verschiedene Beschichtungsverfahren angewandt werden. So ist es möglich, dass ein Elektronenstrahlverdampfungsprozess zur Schichtabscheidung genutzt wird und die Regelung über die Leistung des Elektronenstrahles als Stellgröße vorgenommen wird.
Auch ein thermischer Verdampfungsprozess zur Schichtabscheidung kann genutzt werden und die Regelung wird über den Leistungseintrag in den Verdampfer als Stellgröße vorgenommen.
Dabei soll sowohl ein gekühlter Tiegel als auch ein ungekühlter Tiegel genutzt werden.
Es ist auch möglich, dass Sputterprozesse zur Schichtabscheidung genutzt werden und die Regelung über die Sputterleistung als Stellgröße vorgenommen wird.
In weiteren Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass optische, elektrische oder thermische Eigenschaften der beschichteten Substrate zur Ermittlung der Schichtdicke gemessen werden.
Auch können spektrale Reflexions- oder Transmissionsmessungen zur Ermittlung der Schichtdicke verwendet werden.
Es hat sich auch als günstig herausgestellt, dass spektrale Ellipsometrie-Messungen zur Ermittlung der Schichtdicke verwendet werden.
Zur Ermittlung der Schichtdicke kann die Substrattemperatur verwendet werden.
Bei aus mehreren Schichten aufgebauten Schichtstapeln können die Messsignale mehrerer Messstellen zur rechnerischen Ermittlung mehrerer Schichtdicken eines Schichtstapels aus mehreren Messsignalen kombiniert werden.
Es ist auch möglich, dass auf dem Substrat quer zur Substrattransportrichtung mehrere Messpositionen angeordnet sind. Diese können für eine Beschichtungsquelle zur Beeinflussung der Schichtdicke in unterschiedlichen Spuren quer zur Substrattransportrichtung verwendet werden.
Mit dem vorstehend geschilderten Verfahren kann insbesondere eine SiO₂-Schicht abgeschieden werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 ein verallgemeinertes Blockschaltbild einer Regelung, welche verzögert gewonnene Messwerte verwendet, und
2 ein verallgemeinertes Blockschaltbild der Regelung mit Kombination von Messwerten aus der Vergangenheit (Vormessung), Gegenwart und vorhergesagten Messwerten.
Anhand eines ersten Anwendungsbeispiels, der Abscheidung von SiO₂, wird das Verfahren für die Nutzung von totzeitbehafteten Werten erklärt. Die Abscheidung des SiO₂ erfolgt in einer Bandbeschichtungsanlage. Das SiO₂ wird dabei durch einen Elektronenstrahl direkt verdampft, wobei die Forderung an eine langzeitstabile Homogenität der Schichtdicke gestellt wird. Zur Regelung der Schichtdicke wird die Schichtdicke mit Hilfe von Ellipsometrie bestimmt. Die Messung erfolgt inline, aber aufgrund der räumlichen Trennung der Beschichtung und der Messung entsteht eine Totzeit.
Aufgrund dieser Totzeit wäre eine Regelung der geforderten Schichtdickenuniformität nicht möglich.
Dieses Problem kann mit Hilfe eines Smith-Prädiktors 1 gelöst werden. Dieser benutzt ein Vorhersagemodell 2 um die Reglereingangsgröße, d. h. die Rückführgröße r vorauszusagen. Im Beispiel wird anhand der Elektronenstrahlleistung und Transportgeschwindigkeit die Dicke der abgeschiedenen Schicht vorausgesagt. Bei der Voraussage der Schichtdicke entsteht aber ein systematischer Fehler durch das zugrundeliegende Vorhersagemodell 2. Dieser systematische Fehler kann dadurch korrigiert werden, dass der mit der Totzeit des Prozesses über ein Totzeitmodell 3 verzögerte Vorhersagewert y ^_p mit dem durch Ellipsometrie gemessenen Wert, d. h. dem Istwert der Regelgröße y_m, verglichen wird und die Differenz aus beiden als Korrekturwert y_k dem aktuellen Vorhersagewert y_p aufgeschlagen wird.
Dieser korrigierte, vorhergesagte Wert wird einem PID-Regler 4 zugeführt und durch diesen die Leistung des Elektronenstrahls geregelt.
Das in 1 gezeigte Schema kann durch Einbeziehen von Messwerten aus der Vergangenheit, d. h. Messungen am Substrat bevor es die Beschichtungszone erreicht, und Messungen in der Beschichtungszone erweitert werden. Das erweiterte Schema ist in 2 dargestellt und soll anhand eines zweiten Anwendungsbeispiels, der Verdampfung von Metallen, erklärt werden.
Die Regelung der Elektronenstrahlleistung erfolgt in diesem Beispiel durch Nutzung der Bandtemperatur vor der Beschichtung und nach der Beschichtung sowie die Messung des Leistungseintrages in das zu verdampfende Metall. Der Leistungseintrag kann durch direkte oder indirekte Messung der Temperatur des verdampfenden Metalls oder des Tiegels erfasst werden. Der Leistungseintrag kann auch durch Messung der Wärmemengenaufnahme eines durch den Tiegel fließenden Kühlmittels erfasst werden. Um die einzelnen Messungen einer Stelle auf dem Substrat zuordnen zu können, wird die Vormessung der Bandtemperatur verzögert 5 und die Nachmessung der Bandtemperatur mit Hilfe der Elektronenstrahlleistung wie oben beschrieben vorhergesagt. Die Messgröße für den Leistungseintrag in das verdampfende Metall wird dem Regler 4 direkt zugeführt.
Der Regler besteht in diesem Fall aus einem Fuzzy-Regler, welcher aus den Differenzen und Absolutwerten der Messungen die Elektronenstrahlleistung berechnet.
Bei der Ausführung beider Beispiele wurden zwei nebeneinander montierte Elektronenstrahlverdampfer parallel betrieben. Zur Vermeidung von Mitkoppeleffekten zwischen beiden Verdampfern wurde die Regelung durch eine Störgrößenerkennung erweitert. Dabei erwies sich der Fuzzy-Regler als besonders vorteilhaft.
Bezugszeichenliste

1: Smith Prädiktor
2: Vorhersagemodell
3: Totzeitmodell
4: Regler
5: Verzögerung der Vormessung
u_s: Ratestellgröße
u_sw: wirksame Ratestellgröße
y_p: Vorhersagewert
y ^_p: verzögerter Vorhersagewert
r: Rückführgröße
x_w: Regelabweichung
w: Führungsgröße
y: Regelgröße
y_m: Istwertes der Regelgröße
y_k: Korrekturwert

Claims

Verfahren zur Regelung eines Abscheideprozesses in einer Vakuumanlage, bei dem ein Substrat an mindestens einer Beschichtungsquelle kontinuierlich vorbeibewegt wird, wobei aus der Beschichtungsquelle auf dem Substrat mindestens eine Schicht mit einer Schichtdicke abgeschieden wird, wobei das Verfahren eine Messung einer physikalischen Eigenschaft, die die Schichtdicke repräsentiert, als Regelgröße y mit einer Totzeit zur Schichtabscheidung vorsieht, welche größer als die Reaktionszeit der Beschichtungsquelle auf eine Veränderung der für die Rate der Beschichtung dominierenden Ratestellgröße u_s ist, wobei der totzeitbehaftete Messwert der Regelgröße y einem Regler 4 zugeführt wird, der Werte der Ratestellgröße u_s einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelalgorithmus eingesetzt wird, der um die Totzeit verzögerte Istwerte der Ratestellgröße u_s, unverzögerte Werte der Istwerte der wirksamen Ratestellgröße u_sw und unverzögerte Werte der ermittelten Schichtdicke y für die Ermittlung des Reglerausgangs rechnerisch kombiniert und dass mehrere unterschiedliche Beschichtungsquellen zur Abscheidung mehrerer Schichten benutzt werden, deren Dicken aus der Kombination mehrerer mit unterschiedlichen Totzeiten ermittelten Schichtdicken-Messsignalen als Istwerte der Regelgröße y_m ermittelt und unter Einbeziehung von unterschiedlich zeitlich verzögerten Istwerten in die Berechnung der Regler-Ausgangssignale geregelt werden und dass die Messsignale mehrerer Messstellen zur rechnerischen Ermittlung mehrerer Schichtdicken eines aus mehreren Schichten aufgebauten Schichtstapels kombiniert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Smith Prädiktor 1 derart verwendet wird, dass ein totzeitfreies Vorhersagemodell 2 des Smith-Prädiktors 1 aus der Ratestellgröße u_s Vorhersagewerte y_p der Regelgröße berechnet, die mit einer Korrekturgröße y_k korrigiert dem Regler 4 als Rückführgröße r zugeführt werden, der entsprechend einer Regelabweichung x_w aus Rückführgröße r und Führungsgröße w, die einer Soll-Schichtdicke entspricht, eine Ratestellgröße u_s berechnet, wobei der Korrekturwert y_k aus einer Differenz des Istwertes der Regelgröße y_m und des mit einem Totzeitmodell 3 verzögerten Vorhersagewertes y ^_p gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführgröße r einem PID-Regler 4 zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Ratestellgröße u_sw im laufenden Verfahren gemessen und als Eingangsgröße für das Vorhersagemodell 2 eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfungsprozess zur Schichtabscheidung genutzt wird und die Regelung über die Leistung des Verdampfers und/oder der Transportgeschwindigkeit des Substrats als Stellgröße vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Ratestellgröße u_sw aus der Beschichtungsrate mittels der von dem Verdampfer aufgenommenen Leistung und der Substratgeschwindigkeit berechnet und als Eingangsgröße für das Vorhersagemodell 2 eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Ratestellgröße u_sw aus der Beschichtungsrate mittels der von dem Verdampfer aufgenommenen Leistung und der Differenz aus der Substrattemperatur vor und nach der Beschichtung berechnet und als Eingangsgröße für das Vorhersagemodell 2 eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungseintrag in das verdampfende Material durch direkte oder indirekte Messung der Temperatur des zu verdampfenden Materiales oder des Tiegels erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungseintrag in das verdampfende Material durch Messung der Wärmemengenaufnahme eines durch den Tiegel fließenden Kühlmittels erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenstrahlverdampfungsprozess zur Schichtabscheidung genutzt wird und die Regelung über die Leistung des Elektronenstrahles als Stellgröße vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Verdampfungsprozess zur Schichtabscheidung genutzt wird und die Regelung über den Leistungseintrag in den Verdampfer als Stellgröße vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Sputterprozesse zur Schichtabscheidung genutzt werden und die Regelung über die Sputterleistung als Stellgröße vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische, elektrische oder thermische Eigenschaften der beschichteten Substrate zur Ermittlung der Schichtdicke gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass spektrale Reflexions- oder Transmissionsmessungen zur Ermittlung der Schichtdicke verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass spektrale Ellipsometrie-Messungen zur Ermittlung der Schichtdicke verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrattemperatur zur Ermittlung der Schichtdicke verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat quer zur Substrattransportrichtung mehrere Messpositionen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stellgrößen für eine Beschichtungsquelle zur Beeinflussung der Schichtdicke in unterschiedlichen Spuren quer zur Substrattransportrichtung verwendet werden.