Системы управления температурой подложки в rtp

Особенности быстрого термического воздействия. При разра­ботке систем управления температурой подложки наиболее сложные проблемы обусловлены спецификой быстрого термического воздейст­вия, которая связана со следующими факторами:

• особенностями технологических режимов и оборудования;

• нестационарностью процессов;

• нелинейностью термического обмена при радиационном воздействии;

• эффектами "термической памяти";

• чувствительностью датчиков, используемых для измерения температуры.

I Особенности технологических режимов RTP определяются кратковременностью термического воздействия, высокими скоростями нагрева и охлаждения пластины, неравновесными условиями протека­ния процессов. Все это приводит к возникновению напряжений, генера­ции дефектов кристаллической структуры в подложке, усложнению контроля параметров процесса.

Конструкция реактора определяет условия локального теплообмена в рабочей зоне. Однако в любой камере независимо от конструк­ции край подложки всегда имеет более экспонируемую поверхность, чем центр, и отличающиеся характеристики в плане поглощения тепла и тепловых потерь за счет конвективного теплопереноса и теплопровод­ности. Поэтому даже в условиях равномерной облученности на ста­дии разогрева край подложки всегда имеет более высокую темпера­туру, чем центр; в стабильном состоянии наблюдается обратная картина (рис.10). Оптические и геометрические характеристики стенок реакторов, многократные отражения также в значительной мере влияют на температуру подложки (эффективная эмиссионная

способность).

Нестационарность процессов. Главной объективной причиной нестационарности RTP является изменение оптических и радиационных свойств подложки во время обработки. Изменение этих свойств влияет на радиационный обмен и, следовательно, на температуру подложки. Нестационарность быстрых термических процессов обусловлена также нестабильностью режима работы вольфрамовых галогенных ламп.

Эффекты "термической памяти" возникают с нагревом кварце­вых элементов реактора от процесса к процессу. Как и газовые потоки, они усиливают нестационарность.

Нелинейность термического обмена при радиационном воздей­ствии вытекает из соотношения между лучеиспускательной способно­стью тела и температурой (закон Стефана - Больцмана). Кроме того, нелинейность термического обмена обусловлена температурной зави­симостью эмиссионных свойств кремния и меняющимися во времени параметрами и возмущениями, например, изменениями мощности излу­чателей. Нелинейность термического обмена усложняет контроль процесса.

Оптимизация лучистого потока, необходимого для получения заданного температурного распределения по подложке, чаще всего осуществляется на базе физико-математической модели термического режима реактора. Реже используются эмпирические модели. Зада­чи идентификации при построении моделей решаются с использовани­ем аппарата математической статистики, корреляционного и регрессив­ного анализов.

Модель термического режима реактора. Схематично структура системы, моделирующей термический режим RTP, в которой учитыва­ются процессы теплопереноса за счет радиации, конвекции и теплопро­водности, представлена на рис.11.

Воснове физико-математической модели этой системы лежит уравнение баланса тепловых потоков:

Если пренебречь теплоотдачей за счет теплопроводности, то уравнение баланса тепловых потоков можно представить следующим образом:

Тогда скорость нагрева подложки будет определяться как

B системах автоматического управления RTP рассматривается за­дача стабилизации температуры подложки, когда процесс протекает в окрестностях заданных значений этого параметра.

Если T_ss - заданная температура подложки, T_gm - средняя температура газовой фазы, то в установившемся режиме при T_s = T_ss и T_g = T_gm скорость изменения температуры при этом

где E_ss - значение Е в установившемся режиме.

Уравнение (3) есть уравнение установившегося режима. Тогда

T_S=T_SS+T_S; T_g=T_gm+T_g; E=E_SS+E;

Подставляя эти выражения в (2) и вычитая из него (3), получаем

Если T невелико, то членами высшего порядка в (4) можно пре небречь. В этом случае

Уравнение (5) есть линеаризованное уравнение объекта с посто­янными коэффициентами, которое используется при решении задач ав­томатизации быстрого термического процесса. Это уравнение спра­ведливо при малых значениях отклонений

Основные типы систем управления. Автоматические системы управления термическим режимом RTP по типу конфигурации системы управления классифицируются следующим образом:

• системы без обратной связи (с прямым управлением);

• системы с обратной связью;

• комбинированные системы, сочетающие свойства первых двух типов.

Системы прямого управления состоят из последовательно вклю­ченных элементов: регулятора, усилителя мощности и объекта управле­ния. При этом регулятор задает алгоритм управления. Поскольку в сис­теме обратная связь отсутствует, она всегда устойчива. Прецизионность регулирования в такой системе определяется достоверностью используемой модели объекта, а также наличием информации о возмущающих воздействиях. Эта задача представляет значительные трудности, поэто­му системы прямого управления, как правило, имеют низкую точность.

В системах с обратной связью, которые строятся по принципу "'замкнутого контура", контроль осуществляется по реальным значениям регулируемого параметра. Это позволяет достичь требуемой точности [управления при существенно меньшей точности информации об объекте [управления, внешних и внутренних возмущениях, что является несом­ненным достоинством таких систем.

Комбинированные системы управления позволяют сочетать достоинства первых двух типов систем - в них связь может осуществляться по возмущению и по задающему воздействию.

Системы прямого управления использовались в основном на ран­ней стадии конструирования RTР-оборудования. В современных уста­новках, как правило, работают системы с обратной связью и комбини­рованные.

Для обеспечения равномерности температуры по всей поверхности подложки в большинстве установок с быстрым термическим воздейст­вием используются многозонные системы нагрева. В цилиндрических реакторах расположение ламп в каждой зоне радиально-симметричное. Контроль температуры в многозонных системах может быть скалярным или многопеременным (рис.12). Скалярная система характеризуется фиксированным соотношением между мощностями, подаваемыми к

Рис.12. Принципы скалярного (а) и многопеременного (б) контроля в многозон­ных RTР-системах; u(i) - контролируемая переменная, g_b g₂> £з - соотношение мощностей в трехзонном излучателе; _Р_1; Р_г, Р₃ - мощности излучателей

различным зонам излучателей. Многопеременная система имеет не­сколько контролируемых выходов и несколько сигналов на входе в кон­трольном контуре. Зоны в многопеременных системах контролируются независимо.

В современных установках предпочтение отдается многоперемен­ным системам контроля, поскольку скалярный контроль приводит к худшей температурной однородности по поверхности пластины и не

может обеспечить равномерность и воспроизводимость температуры пластины при изменении давления, скорости и температуры газовых потоков.

В 90% систем с обратной связью и с комбинированным управлени­ем используются схемы регуляторов, формирующих пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования. Из­меряемой величиной в этих схемах является выходное значение сигнала температурного датчика подложки, которое сравнивается с заданным. Ошибка обрабатывается контроллером, генерирующим управляющее воздействие для изменения мощности ламп. Варианты управляющего воздействия при использовании ПИД-схем регулирования представлены на рис.13.

Puc13. Влияние пропорциональной (P(t)) (а), интегральной (I(t)) (б) и дифференциальной (D(t)) (в) составляющих на управляющее воздействие (u(t)) > в классической системе управления с обратной связью

Перспективные методы управления температурой подложки.

ПИД-схемы регулирования эффективно применяются в стационарных линейных системах. Однако быстрые термические процессы - неста­ционарны и нелинейны. Для учета нелинейности может быть использо­вано планируемое приращение, когда параметры регулятора динамиче­ски изменяются в зависимости от условий процесса. Это эффективный метод управления нелинейными системами, но его реали­зация требует дополнительных временных затрат. Более того, если фи­зические свойства подложки меняются, то необходимо проводить настройку всех параметров.

Если изменения в динамике процесса непредсказуемы, то единст­венной возможностью их контроля является использование адаптивно­го управления - метода, который первым из перспективных стратегий управления RTF был реализован. В данном методе параметры регулятора изменяются автоматически, компенсируя изменяющиеся па­раметры процесса. Если изменения процесса не могут быть предупреж­дены (эффекты "термической памяти", параметры, изменяющиеся во времени), то система управления должна быть самоадаптивной, или са­монастраивающейся. В этом случае управляющее воздействие является суммой двух управляющих воздействий: первое вырабатывается схемой обратной связи, включающей регулятор с настраиваемыми параметра­ми, второе формируется контроллером модели процесса, комбиниро­ванным с модулем устройства выполнения параметров.

Перспективным методом управления является также программируе­мое управление, в основе которого лежит оптимизация квадратичной функции, характеризующей предполагаемые ошибки между заданными значениями величин и предполагаемыми выходами. Соответствующий закон управления должен содержать упреждающие характеристики, улучшающие реакцию на внешние воздействия и изменения заданных параметров.

Современные автоматизированные системы управления темпера­турным режимом в быстрых термических процессах демонстрируют высочайший уровень технического, информационного, математическо­го и программного обеспечения. Хорошей иллюстрацией в этом плане является система автоматического управления процессом осаждения из газовой фазы в едином технологическом цикле многослойных тонко­пленочных структур на основе диэлектриков, полупроводников и ме­таллов (Rapid Thermal Multiprocessing, RTP), разработанная в Стэн-фордском университете. В основу этой системы положен принцип многопараметрического контроля с обратной связью. В качестве датчи­ков температуры используются акустические термометры. Аппаратное и программное обеспечение высокого уровня позволяет осуществлять в реальном времени моделирование и диагностику системы, тестирова­ние, проверку используемой технологии на оптимальность, анализиро­вать и прогнозировать результаты процессов, а также оперативно ре­шать задачи, связанные с конструированием и функционированием аппаратуры.

Усовершенствование диагностики и контроля температуры под­ложки - взаимоопределяющие факторы расширения сферы примененияRTP. Прогресс в этой области обусловлен использованием бесконтакт­ных методов измерений температуры подложки в реальном времени, переходом к нетрадиционным методам диагностики параметров процес­са, позволяющим косвенно судить о правильности поддержания задан­ного температурного режима. Стратегия решения задач автоматизации RTP направлена на развитие систем управления (математических моде­лей процесса, внутренней структуры), повышение детерминированно­сти технологического процесса и предполагает использование методов адаптивного и программируемого управления.

Диагностика и контроль газовой фазы методами голографической интерферометрии

Особое место в перечне проблем RTP занимает состояние газовой фазы в рабочей зоне реактора. Эта проблема практически не изучена. Известно, что состояние газовой фазы влияет на равномерность темпе­ратуры подложки. Например, при вынужденной конвекции градиент темпепатур между центом и периферией подложки в водороде выше, чем в аргоне (рис.14). Состояние газовой фазы влияет на показания фотонных датчиков вследствие из­менения пропускания промежуточ­ной среды и, наконец, на кинетику гетерогенных процессов реакцион­ной конденсации.

Наиболее достоверные сведе­ния о состоянии газовой фазы можно получить с "помощью мето­дов визуализации прозрачных сред, среди которых особое место зани­мает голографическая интерферометрия. К преимуществам голографической интерферометрии можно отнести отсутствие инерционных погрешностей, что позволяет выполнять точные измерения быстро протекающих процессов. Голографические измерения не искажают истинной картины объекта, поскольку энергия, поглощаемая средой, мала

по сравнению с энергией, передаваемой в процессе теплообмена.

Расчет облученности и распределения температуры по подложке