Рис. 3.6. К .методу спектрального анализа:

и - принцип работы, о- временпая зависимость иптепсивности излучения; в функциональная схема устройства управления

кривая / показывает изменение интенсивности спектральной составляющей продукта реакции, получаемого при обработке пластин в плазме. В момент времени в реакторе возбуждается плазма и начинается процесс обработки. При этом возникают продукты реакции, которые откачиваются насосом. В момент времени наступает динамическое равновесие, и процесс обработки идет практически равномерно до момента когда на некоторых пластинах обработка, например травление, заканчивается, поэтому интенсивность составляющей начинает падать и в момент ?з стабилизируется. Таким образом, для эмиссионного спектра продуктов реакции признаком окончания процесса обработки является стабилизация интенсивности излучения.

Временное изменение интенсивности излучения, возникающее при использовании спектральных составляющих эмиссионного спектра реагентов, расходуемых в процессе обработки, представлено кривой 2 на рис. 3.6, б. Как следует из сущности спектрального метода, интенсивность излучения будет зависеть не только от стадии обработки, но и расхода реагентов, степени ионизации и колебания давления в реакторе, что создает дополнительные трудности при обработке сигналов.

Значительно уменьшить воздействие этих факторов на результат позволяет двухканальное построение устройства управления, один из вариантов которого показан на рис. 3.6, в. Здесь одновременно измеряются интенсивности излучения двух спект-

ральных составляющих, одна из которых 4 (рис. 3.6, а) зависит от стадии процесса обработки, а вторая 1-только от возмущающих факторов. Эти составляющие выделяются фильтрами 7 и 2, усиливаются усилителями 3 и 4, затем подаются на устройство масштабирования (деления) 5. Если спектральные составляющие выбраны правильно, то на выходе устройства 5 напряжение практически не зависит от возмущений мощности, подводимой к реактору, и колебаний давления.

Дальнейшая обработка сигнала заключается в следующем. Схема выделения максимума 6 запоминает максимальное значение напряжения м^ах которое через потенциометр 7 с коэффициентом передачи а подается на компаратор 8. При уменьшении входного сигнала до величины awn,ax компаратор 8 срабатывает. Одновременно с этим работает схема 9 измерения скорости изменения напряжения, компаратор 10 сравнивает текущее значение с пороговым значением Vq. Сигналы с компараторов 8 к 10 подаются на логическую схему 77, которая выдает сигнал окончания обработки при одновременном срабатывании компараторов в течение некоторого заданного времени At.

Применение схемы выделения максимума 6 и компаратора 8 исключает срабатывание устройства в моменты времени t, t, Г2 (см. рис. 3.6, б), когда значение скорости изменения меньше порогового, а проп.есс обработки еще не закончен. Управление процессом, представленное кривой 2 (см. рис. 3.6, б), производится аналогично, при этом вместо отношения Ijly берут lyjl.

Чувствительность спектрального метода зависит от суммарной площади обрабатываемых пластин, поэтому он широко применяется в ПХО групповой обработки. При уменьшении суммарной площади обрабатываемой поверхности интенсивность излучения спектральных составляющих, а также величин спада сигнала от максимума существенно уменьшается, что снижает эффективность метода. Достоинством спектрального метода управления ПХО является простота реализации, независимость результатов от топологии обрабатываемых слоев.

Схема управления процессом ПХО с помощью лазерного излучения представлена на рис. 3.7, а на примере травления слоя алюминия 1 (рис. 3.7, а) в окнах, свободных от фоторезиста 2. Слой алюминия нанесен на слой оксида кремния 3, расположенный на полупроводниковой подложке 4. На обрабатываемую поверхность направляется луч лазера и измеряется интенсивность отраженного луча /. Отраженный луч содержит составляющие, полученные в результате отражения от поверхности фоторезиста алюминия и от плоскости раздела фоторезиста и алюминия.

Оптическая разность хода этих составляющих зависит от коэффициентл преломления и толщины слоев. Поэтому при их изменении (например травлении) она будет изменяться. Следовательно, будет изменяться и интенсивность отраженного луча, что

Рис. 3.7. Схема лазерного управления процессом:

а - принцип работы; б. в - време1Н1ые зависимости светового потока при травлении алюминия и поликремния; г-функциональная схема устройства управления

обусловлено интерференцией. На рис. 3.7, б показано изменение интенсивности отраженного луча от времени травления при обработке структуры. На участке - происходит травление алюминия, а также некоторое подтравливание фоторезиста. Разность хода составляющей, отраженной от поверхности раздела алюминия и фоторезиста, зависит от толщины слоя фоторезиста, поэтому на зависимости будут минимумы и максимумы. За время At между точками / изменение толщины составит Ah = k/{2?i), где 1-длина волны лазера; п-коэффициент преломления фоторезиста.

За период времени t-/2 толщина слоя уменьшается, он становится прозрачным, а потом весь стравливается. Поэтому интенсивность составляющей, полученной за счет отражения от слоя алюминия, быстро падает. Вместе с ней уменьшается и интенсивность отраженного луча. Обработка заканчивается в момент времени /2 после резкого спада интенсивности луча при уменьшении скорости изменения интенсивности до нуля.

При продолжении обработки за слоем алюминия будет подтравливаться слой оксида кремния. В этом случае, как и в период времени t - t, будет наблюдаться интерференция, обусловленная изменением оптической разности хода составляющей, полученной отражением от поверхности раздела подложка- оксид кремния .

Изменение интенсивности отражаемого луча существенно зависит от оптических свойств обрабатываемого материала, а также состояния поверхности На рис. 3.7, в приведена временная зависимость интенсивности отраженного луча при травлении слоя поликремния на кремниевой подложке. В этом случае травление заканчивается в момент времени ?2 при уменьшении скорости изменения интенсивности отраженного луча до нуля.

Функциональная схема устройства управления ПХО показана рис. 3.7, г. Здесь в реакционной камере 7 на нижнем электроде 2 лежит обрабатываемая полупроводниковая пoдJЮжкa 3, на которую через отверстие в верхнем электроде 4, полупрозрачное зеркало 5 и расширитель 6 направляется лазерный луч 7. Отраженный луч через полупрозрачное зеркало 5 падает на фотоэлемент 8, где преобразуется в напряжение постоянного тока, которое подается в устройство обработки 9.

Достоинство лазерного управления ПХО заключается в том, чю интенсивность отраженного луча не зависит от параметров плазмы и давления в реакторе. Кроме того, в отличие от спектрального м[етода лазерный является локальным. Он позволяет управлять обработкой той части пластины, куда направлен луч лазера. Лазерный метод дает также информацию о глубине травления (по числу пройденных максимумов). Однако алгоритм обработки временной зависимости интенсивности в данном случае сложнее, чем при спектральном методе. Обычно обработку ведут путем измерения скорости изменения интенсивности. В некоторых случаях управление может производиться по тому же алгоритму, что и в спектральном методе.

3.5. ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ

Большинство технологических процессов микроэлектроники использует реагенты в газообразном состоянии. Поэтому управление газовыми потоками в СТО является важной задачей. При ее решении необходимо учитывать следующие особенности:

объект управления является малоинерционным;

управление производится как дискретными исполнительными органами, так и аналоговыми регуляторами;

газовая система современного СТО обычно включает элементы вакуумной подсистемы, что усложняет СУ.

Эти особенности накладывают ряд ограничений на выбор структуры СУ. Так, из-за малой инерционности объекта управления практически исключается применение систем централизованного управления. Поэтому во всех подсистемах управления газовыми потоками заданное значение расхода реагентов поддерживается с помощью аналоговых регуляторов расхода.

Рис. 3.8. Упрощенная функциональная схема подсистемы управления газовыми потоками установки осаждения легированных слоев оксида кремния при пониженном давлении

На рис. 3.8 приведена упрощенная функциональная схема подсистемы управления газовыми потоками установки осаждения легированных слоев оксида кремния при пониженном давлении. Здесь в рабочей зоне реактора / - расположены кремниевые пластины. Объем реактора откачивается насосом через вакуумный затвор у1. Давление в реакторе измеряется вакууметром И1 и регулируется регулятором Р6 в соответствии с заданием C/g, поступающим от блока управления.

Газообразные реагенты подаются в рабочую зону реактора через систему клапанов у\...уЬ и аналоговые регуляторы Р1...Р5, Р7, Р8. Кислород и азот подаются по одной длинной форсунке, а силан SiH4, фосфин РНз и диборан ВзНе предварительно смешиваются в коллекторе и подаются в реактор по нескольким форсункам разной длины. Регуляторами Р7...Р9 поддерживается заданное отнощение расходов газовой смеси форсунок к расходу через самую длинную форсунку. Это позволяет управлять распределением концентрации реагентов вдоль рабочей зоны реактора.

На рис. 3.9, а показано распределение концентрации реагентов вдоль рабочей зоны при подаче газовой смеси по одной (кривая 1) 138

Рис. 3.9. Управление газовыми потоками:

а распределение концетрании смеси реагентов но ajihiic рабочей loinj; о пример реализации регуля-юра Р9 onioiueiHiH расходов газовой смеси

И трем (кривая 2) форсункам. Из сравнения кривых 7 и 2 видно, что неравномерность концентрации распределенной подачи реагентов во втором случае значительно уменьшилась {Aq2Aqi). Следовательно, меньше будет и разброс параметров осаждаемых слоев на краях рабочей зоны реактора. Управление распределением концентрации реагентов вдоль рабочей зоны обеспечивается регуляторами Р7...Р9. В простейшем случае регулятор Р9 может быть реализован так, как показано на рис. 3.9, б. Здесь напряжение Ug с датчика расхода И2 самой длинной форсунки подается в качестве задания на входы регуляторов расхода газовой смеси остальных форсунок: Uja-jUgi U - a.Ug.

После окончания переходного процесса в форсунках значения потоков составят

П, = К,С/,; Щ = К^и^; П = Км

где К, К^, Kg-константы.

Подставив в последнюю систему уравнений выражения для С/, и C/g и поделив первые два уравнения на третье, получим

П,/П = а,К,/К; ng/n=a8Kg/K.

Из последних выражений видно, что отношение газовых потоков П Hg форсунок к потоку П самой длинной форсунки задается коэффициентами а ag передачи потенциометров (рис. 3.9, б) и не зависит от суммарного расхода смеси реагентов. Это обеспечивает независимое управление составом смеси реагентов и распределение их концентрации вдоль рабочей зоны в широком диапазоне изменения расходов каждого реагента.

Рассмотренные аналоговые регуляторы работают совместно с дискретными исполнительными элементами (клапанами), которые подключают их к источникам соответствующих реагентов. Возможные взаимодействия всех исполнительных элементов подсистемы обычно задают, используя таблицу состояния исполнительных элементов, необходимых для проведения технологического процесса либо его подготовки. Как видно из табл. 3.1, из всех

Таблица 3.1. Рабочие состояния подсистемы управления газовыми потоками

Примечание: О исни.нттельиый э:1емен--регулятора

включен (клапан открыт); * разреишегся работа

возможных комбинаций семи дискретных исполнительных элементов и девяти аналоговых используются только десять, что является еще одним подтверждением выводов, сделанных в § 3.2.

При проведении технологического процесса в подсистеме (см. рис. 3.8) могут возникнуть отказы некоторых элементов, обеспечивающих нормальное проведение процесса (прекращение подачи воды, отключение нагрева в скруббере, отсутствие вытяжной вентиляции, разгерметизация реактора и др.). В этом случае некоторые из состояний подсистемы, заданные в табл. 3.1, могут стать опасными для обслуживающего персонала, привести к порче оборудования и другим нежелательным последствиям. Для их исключения подсистема снабжается дополнительными датчиками х^, х^ и устройствами защиты, встраиваемыми в подсистему (см. рис. 3.3). Работа устройства защиты описывается табл. 3.2, определяющей поведение подсистемы в случае аварийных состояний.

Так, для рассмотренной подсистемы при отсутствии воды, нагрева или вытяжки в скруббере {х^ = Щ исполнительные элементы (клапаны) у\-У/\, не должны включаться, так как из-за нарушения режима работы скруббера токсичные реагенты не

Таблица 3.2. Аварийные состояния подсистемы управления газовыми потоками

Coci ояпие датчиков

Состояние исполнительных элементов

)\ Уг Уь У А Уъ . б У-

Примечание

1 I 1 1 X X X 1 1 1 1 X X X

1111111

Отсутствие воды, вытяжки, нагрева в скруббере

Разгерметизация реактора Не закрыта крышка реактора

Примечание: О включенное состояние; 1 выключенное состояние; X-любое состояние.

- &

& У1

& у It

& У5

& Уб

Щу .Марая

Рис. 3.10. Пример реализации устройства защиты подсистемы управления газовыми потоками с помощью жесткой логики

будут утилизированы и через вытяжную вентиляцию попадут в атмосферу и зону нахождения обслуживающего персонала. При разгерметизации реактора (л'2 = 0 в течение времени Т= const) необходимо отключить все исполнительные элементы.

Устройство защиты можно выполнить различными способами. Однако из-за высоких требований по надежности наиболее подходящими вариантами, являются устройства с жесткой логикой, например Логикон-01 , а также контроллеры на ПЗУ или программируемых логических матрицах.

На рнс. 3.10 приведен пример реализации устройства защиты для подсистемы, представленной на рис. 3.8. Дешифратор состояний подсистемы D\ реализует табл. 3.1, а элементы Z)2...Z)10 и таймер Т-табл. 3.2. Дополнительный элемент DW формирует сигнал Авария для контроллера более высокого уровня, а также звуковой сигнализации. Для обеспечения высокой степени безопасности устройства защиты должно иметь также надежный источник питания. В особо ответственных подсистемах используют источник питания с резервированием.

Таблицы 3.1 и 3.2. обычно составляются при проектировании подсистемы разработчиком, что обеспечивает квалифицированный анализ рабочих и аварийных состояний. Этим гарантируется высокая безопасность работы подсистемы и обслуживающего персонала. В процессе эксплуатации табл. 3.1 и 3.2 могут дополняться и уточняться. В этом случае при изменении рабочих состояний в табл. 3.1 перепрограммируется ПЗУ D\ (рис. 3.10), а при изменении аварийных состояний в табл. 3.2 корректируются цепи защиты (рис. 3.10). Для удобства обслуживания ПЗУ целесообразно разбивать на две области. Первая из них используется при автоматической работе подсистемы и доступна оператору и наладчику. Вторая используется при подготовке подсистемы к работе в режиме наладки и доступна только наладчику, имеющему специальное разрешение на проведение работ.

в заключение отметим, что ограничение области возможных состояний подсистемы, только указанных в табл. 3.1 и 3.2, практически не уменьшает возможности подсистемы. Во-первых, при использовании для кодирования состояний 8-разрядного слова может быть до 256 рабочих состояний и 256 состояний для наладки, что значительно перекрывает потребности современных подсистем СТО. Во-вторых, запас памяти позволяет ввести в табл. 3.1 практически все безопасные и физически оправданные состояния подсистемы, расширяющие область ее использования.

3.6. ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

С развитием СТО и совершенствованием технологии микроэлектроники постоянно возрастает значение транспортных механизмов. В настоящее время транспортные механизмы используются как при перемещении обрабатываемых пластин в пределах одной единицы СТО (из зоны складирования в зону обработки), так и между разными единицами СТО. Эти два типа транспортных механизмов имеют существенные различия. Первый из них является принадлежностью установки, отражает ее специфику и, как правило, имеет малые перемещения обрабатываемых пластин Транспортные механизмы второго типа являются более универсальными, отличаются большим перемещением обрабатываемых пластин. Специфика транспортных механизмов обусловливает особенности построения их систем управления: транспортные механизмы первого типа являются подсистемой установки, в то время как транспортные механизмы второго типа имеют свою собственную и достаточно сложную систему управления.

Несмотря на указанные различия системы управления транспортными механизмами разных типов имеют много общего. В ОУ преобладают дискретные датчики и исполнительные элементы. Из-за большой скорости работы и высокой точности фиксации механизмов требуется малое время реакции СУ. Поэтому построение этих двух видов СУ имеет много общего. Обычно они строятся на основе программируемых контроллеров, и только самые простые СУ первого типа выполняются на жесткой логике (ПЛК типа Логикон-0 Ь>).

Так, фирма ASM комплектует диффузионное оборудование системами загрузки - выгрузки, каждая из которых обслуживает одну четырехреакторную диффузионную электропечь. Система загрузки - выгрузки имеет три степени свободы и выполняет следующие операции:

загрузку и выгрузку лодочек с пластинами из реактора;

перегрузку лодочек с пластинами из реактора в реактор;

rf>

Реактор

Канал 1

Ё

So с

Сброс

л

Сброс

Рис. 3.11. Мнемосхема газовой системы одного реактора диффузионной установки

транспортирование лодочек с пластинами из реактора в зону складирования и обратно;

перегрузка пластин из кассеты в лодочку и обратно;

регулирование скорости загрузки-выгрузки.

Применение такой системы позволяет исключить участие человека на этих операциях, что повыгпает выход годных схем. Описанная система имеет собственную СУ на нескольких микропроцессорных контроллерах.

3.7. ПОДСИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ И ДОКУМЕНТИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Важное место в МПСУ занимают устройства отображения информации, позволяющие операторам и технологам программировать и контролировать ход процессов. В случае, когда результаты технологического процесса необходимо представить в виде контрольного документа, МПСУ имеют в своем составе устройство документирования или обеспечивают передачу информации на вычислительный комплекс, оснащенный требуемыми устройствами.

Среди устройства отображения наибольгпее распространение находят дисплеи, видеомониторы, мнемосхемы. В последние годы начинают появляться устройства акустического ввода и вывода информации: анализаторы и синтезаторы речи.

Самыми простейщими устройствами отображения информации в микропроцессорных системах управления являются мнемосхемы, на которых с помощью ламп накаливания или светодиодов отображаются состояния устройств и механизмов установки. На рис. 3.11 приведена мнемосхема газовой системы реактора диффузионного оборудования. При подаче на мнемосхему оъ микро-