CC BY
54
УДК 681.5 ББК 32.965.7
А. Г. Мустафаев, Ш. Г. Магомедов, А. М. Савинова, А. Г. Мустафаев
УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
A. G. Mustafaev, Sh. G. Magomedov, A. M. Savinova, A. G. Mustafaev
MANAGEMENT OF TECHNOLOGICAL PROCESS OF INTEGRAL ELEMENT STRUCTURES FORMATION
Производство интегральных элементов является сложным многофакторным и многостадийным процессом. Современные технологические процессы формирования структур интегральных элементов обеспечиваются использованием низкотемпературных неравновесных импульсных и радиационно-стимулированных технологических операций. Решение задачи управления технологическими процессами основывается на понимании взаимосвязи между свойствами изделий, особенностями технологии их изготовления и характеристиками оборудования, с помощью которого реализуется эта технология. Предлагаемые подходы к управлению технологическими процессами позволяют исключить субъективный фактор и повысить эффективность систем управления. Показано, что основными технологическими операциями, существенно влияющими на выходные характеристики интегральных элементов при их производстве, являются ионная имплантация, отжиг, травление. Исследование и моделирование процессов на этих операциях позволят предложить рекомендации по управлению и разработать алгоритмы эффективного управления технологическими процессами формирования структур интегральных элементов.
Ключевые слова: технологический процесс, управление процессом, интегральные элементы, модель технологического процесса.
Production of integral elements is a complex multifactorial and multistage process. Modem technological processes of formation of integral elements structures are provided with the use of low-temperature non-equilibrium pulsed and radiation-induced technological operations. Solution of the problem of technological processes management is based on understanding of the relationship between the properties of products, particularities of their production technology and characteristics of the equipment with which this technology is realized. The developed approaches to the technological process control eliminate the subjective factor and increase the efficiency of management systems.
It is shown, that the main technological operations, significantly affecting the output characteristics of integral elements in their production are ion implantation, annealing, etching. The study and simulation of these operations will make recommendations on management and develop algorithms for effective management of technological process of formation of the structures of integral elements.
Key words: technological process, process control, integral elements, modeling of technological process.
Введение
Повышение эффективности производства при обеспечении определенного уровня качества изделий в условиях стабильного технологического процесса (ТП) рассматривается как научно-техническая проблема, решение которой особенно важно в производстве интегральных элементов (ИЭ).
Производство ИЭ представляет собой сложный многофакторный и многостадийный процесс [1]. Основные характеристики ИЭ, определяющие область их применения, создаются при формировании структур на стадии обработки. Современные ионно-фотонные технологические процессы формирования структур элементов обеспечиваются использованием низкотемпературных неравновесных импульсных и радиационно-стимулированных технологических операций (ТО). К таким прогрессивным ТО относятся: ионная имплантация, некогерентный отжиг, плазмохимическое и ионное травление.
Анализ технологических особенностей процессов формирования структуры ИЭ показал, что к точности и стабильности ТП и условиям их выполнения предъявляются особенно высокие требования. Все вышеперечисленное и большое разнообразие применяемых методов и приемов
обработки приводят к необходимости решения сложных задач управления ТП. Решение этих задач основывается на понимании взаимосвязи между свойствами изделий, особенностями технологии их изготовления и характеристиками оборудования, с помощью которого реализуется эта технология.
При создании ИЭ ионно-фотонные ТП в значительной степени определяют такие характеристики, как процент выхода годных (ПВГ) в производстве и надежность при эксплуатации. Повышение ПВГ требует целенаправленного автоматизированного управления ТП для достижения заданного уровня точности и стабильности работы ТО, однородности параметров выпускаемых изделий. Такое управление возможно на основе моделирования конкретного процесса и для конкретного типа изделий, а также оптимизации технических решений [2]. Однако управление процессами осложняется особенностями рассматриваемого ТП: групповой характер производства, многофакторность, длительность изготовления. Составной частью автоматизированной системы управления являются алгоритмы и программы функционирования, учитывающие особенности протекания исследуемого ТП формирования структур ИЭ на основе математического описания.
Решение различных проблем современного производства ИЭ на основе развития и использования математического моделирования ТП и оптимизации технических решений является актуальным направлением научных исследований [3]. Его развитие позволяет успешно решать задачи обеспечения оптимальных и устойчивых к разбросу параметров ТП и повысить технологичность выпускаемых изделий. Так, моделирование процессов в технологии ИЭ позволяет оптимизировать технологические режимы и достичь требуемых параметров изделий [4]. Кроме того, использование новых моделей и новых технических средств в производстве ИЭ дает возможность эффективно и оптимальным способом управлять ТП.
Постановка задачи и исследование
Повышение эффективности автоматизированного управления ТП формирования структур интегральных элементов путем моделирования и оптимизации технического обеспечения ТП для поддержания и стабильности выходных характеристик приборов обеспечивается постановкой и решением следующих задач:
— исследование процесса групповой обработки формирования структур как объекта управления;
— управление процессами формирования структурных слоев ИЭ;
— разработка алгоритма и структуры системы управления ТП отжига при формировании структур;
— моделирование процесса травления при формировании топологии ИЭ;
— реализация алгоритмов управления процессами формирования структур ИЭ в промышленных условиях.
Анализ показывает, что процесс производства ИЭ охватывает разнообразные по физическим принципам, методам контроля и технологическому оснащению методы обработки, причем характер связей между отдельными операциями во времени и пространстве весьма различны. Процесс производства ИЭ представляет собой систему, оптимальная организация которой имеет первостепенное значение для ее эффективного функционирования. Наиболее полно особенности структуры ИЭ и главные черты интегральной технологии отражаются обрабатывающей группой процессов. Группа процессов (обрабатывающая) объединяет все операции, необходимые для формирования структур ИЭ в групповых пластинах и контроля их функционирования.
Характер и последовательность операций, составляющих процессы этой группы, полностью определяются типом структуры ИЭ. Режимы обработки на отдельных операциях зависят от толщины, электрофизических свойств и областей структуры формируемых слоев.
Важными операциями являются те, с помощью которых непосредственно формируется структура ИЭ, т. е. ионная имплантация, отжиг, травление.
Несовершенство производственного процесса вызывает отклонения действительных значений качественных характеристик ИЭ от номинальных, поэтому качество ТП - важнейший из критериев, определяющий качество изделия.
Все ТП, влияющие на качество ИЭ, должны контролироваться. Однако только использование хорошо организованной системы контроля показателей качества материалов и ИЭ еще
не обеспечивают их высокое качество. Необходимо еще и управлять процессом производства, понижая влияние дестабилизирующих факторов. Этого можно достичь, располагая исчерпывающими сведениями о состоянии и возможностях производственных процессов.
Характеристики большинства ТП ИЭ таковы, что требуют четкого управления ими. В первую очередь это касается процессов формирования структур ИЭ. Необходимость управления ТП формирования структур диктуется необходимостью поддержания и обеспечения выходных характеристик ИЭ на заданном уровне.
Решение проблемы управления ТП при производстве ИЭ существенным образом влияет на эффективность ТП. Управление ТП позволяет создать алгоритмы выбора и корректировки режимов ТО, ориентированные на повышение процента выхода и улучшение однородности характеристик ИЭ в партии.
Увеличение сложности, степени интеграции и применение групповых методов изготовления приводят к определенным трудностям при управлении ТП производства ИЭ.
Полную модель ТП можно задать в виде последовательности частных моделей, описывающих отдельные операции (рис. 1).
ji‘ + 2)
Рис. 1. Структура модели на (I + 1)-й операции
На первом уровне строится зависимость параметров от режимов проведения данной операции и предыдущего состояния вектора b:
bi+i = G {bi ,Ti+1}>i = 0Л>...>n -1.
На втором уровне строится зависимость вектора контролируемых на данной операции переменных ai+1 от состояния после выполнения данной операции - вектора bi+1 и режимов измерения, задаваемых вектором ci+1.
Если считать значения параметров CN удовлетворяющими требованиям, предъявленным к ИЭ, целевыми, а их координаты - С, тогда задачу управления ТП производства ИЭ можно сформулировать как задачу управления некоторым объектом: для исходных состояний j-го объекта, определяемых на контрольной операции К0, и состояний, измеряемых на промежуточном контроле, требуется подобрать управление li (i = 1, ..., N), т. е. режимы проведения ТП, так, чтобы выходные характеристики CN минимально отличались от целевых.
Управляющими переменными ln являются величины, которые можно выбирать при управлении. Последовательность векторов l1, l2, ..., lN называют стратегией или алгоритмом управления.
В качестве управлений, т. е. таких переменных, которые контролируются и могут целенаправленно изменяться в ходе процесса, берутся режимы выполнения операций.
Минимум целевой функции L для (n - 1) шагового процесса имеет вид
n-1
fn-X (Cn ) = minLn-1 = min Xg ,
i=1
где ji - член, характеризующий собственные цели i-го этапа.
При n = 1 и n = 2 имеем минимумы целевой функции:
/ (С2 ) = Ш1И[к (С2; \х)] ,
11
/2 (Сз ) = Ш11П [72 (С2; /2 ) + / (С2 )] ,
12
где С2 = С2(Сз; /2).
Целевая функция соответственно при этом имеет вид:
к (С2; /1 ) = 71 (С2; /1),
к2 (С3; 12 ) = Т2 (С3; 12 ) + А (С2; 11 ) .
Технологический процесс может быть представлен математической моделью, основу которой может составлять описание процесса преобразования облика входных объектов в выходные под влиянием технологических воздействий с учетом свойств объекта. Входные данные - это описание топологии слоев изготовления ИЭ, режимов их изготовления и критериев управления.
Анализ показывает, что независимо от физических механизмов выполнения основных ТО существенными факторами структурообразования ТП являются способы формирования слоев ИЭ.
Технологическая задача - формирование с высокой точностью структурных слоев ИЭ -в современных производственных системах решается применением эффективных алгоритмов управления, при которых оцениваются как отклонения технологических режимов процессов в каждой производственной системе, так и отклонения параметров изделий.
Технологический процесс формирования структурных слоев может быть структурно представлен в виде отдельных блоков (рис. 2).
В этом случае
/п (Сп+1 ) = Ш/1П [7п (Сп+1; 1п ) + Л-1 (Сп )], п = 1 2 ...,N - 1.
п
Точность моделирования в значительной степени влияет на эффективность управления ТП.
Очистка Эпитаксия Окисление
і к і г к 1 т к 1 Г
Тр а н сп о рт но - н ак о пит ел ьные о пе р а ци и
і к і Г к 1 Г к 1 Г
Травление И м плантация Диффузия
Рис. 2. Схема формирования структурных слоев
Ошибка управления ТП зависит от погрешности управлений и погрешности моделирования процессов, определяемых характером производства ИЭ.
Максимальную ошибку управления можно определить соотношением
тах
/о° К)-/° С+1)'
N
= тах X
П=1
дЬп
С
п+1
(Iа л I)
+
+
д/п-1
дСп
С 0
(1ас»1 )
+
д/п
дС,
П+1
С
п+1
(|АСп+1 |) Амакс,
где Ар1п - погрешность реализации режимов и задания координат; /° - конечные отклонения от цели; /° - ожидаемые отклонения в начале процесса.
т
\
о
т
т
Г
Л
Г
Л
о
Тогда в качестве критерия производственного соответствия можно записать условие
/0 (С )- /0 (С° +1 )<АМакС .
Схема автоматизированного управления ТП, обеспечивающая номинальные выходные характеристики ИЭ (рис. 3), включает управляемые и контролируемые входные параметры {х7}, 7 = 1, ..., к, выходные параметры структур {у}, 7 = 1, ..., п и управляющие сигналы {Ах7}, 7 = 1, ..., к, вырабатываемые системой на основании информации, полученной от контроля при измерении выходных параметров у7.
Информация о параметрах управляющего процесса представляется в виде
(10)
І=1
І=1
1=1
где I - текущее значение параметра.
На основании текущих значений факторов х() прогнозируется ожидаемое значение выходного параметра у(). Если у () не соответствует заданному значению, то вырабатывается управляющее воздействие Ахг(0. В зависимости от величины и знака управляющего сигнала
к
осуществляется изменение входных параметров ^ хг1(^) таким образом, чтобы совокупность
г=1
х7(^ определила у7(0, близкое к заданному значению у7.
Рис. 3. Схема автоматизированного управления технологическим процессом
Информация о параметрах у7 воспринимается датчиками, преобразующими величины, в сигнал необходимого вида. При этом получение, обработка и отображение информации о качестве ТП формирования структур ИЭ и ее реализация обусловлены необходимостью адаптации системы контроля и управления к конкретному ТП, из-за различной структуры и состава информационных потоков, сигналов управления, а также соответствующего математического и аппаратного обеспечения.
Предлагаемые подходы к управлению ТП позволяют исключить субъективный фактор и повысить эффективность систем управления.
Заключение
Проведенные исследования и анализ показали, что основными ТО, существенно влияющими на выходные характеристики ИЭ при их производстве, являются ионная имплантация, отжиг, травление. Исследование и моделирование процессов на этих операциях позволят разработать рекомендации по управлению и алгоритмы эффективного управления ТП формирования структур ИЭ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крапухин В. В., Соколов И. А., Кузнецов Г. Д. Физико-химические основы технологии полупроводниковых материалов. - М.: Металлургия, 1995. - 495 с.
2. Бубенников А. Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем. - М.: Высш. шк., 1989. - 320 с.
3. Современные информационные технологии в наноэлектронике: прямое компьютерное моделирование процессов производственного цикла создания новых полупроводниковых материалов / Г. А. Т ар-навский, С. Б. Жибинов, А. В. Алиев, А. Г. Т арнавский // Инфосфера. - 2007. - № 35. - С. 48-50.
4. Modeling of ultrahighly doped shallow junctions for aggressively scaled CMOS / H. W. Kennel, S. M. Cea, A. D. Lilak et al. // Electron Devices Meeting. - 2002. IEDM '02.Digest. International. - P. 875-878.
Статья поступила в редакцию 15.02.2012, в окончательном варианте - 1.03.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Мустафаев Арслан Гасанович - Дагестанский государственный технический университет, Махачкала; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»; arslan_mustafaev@mail.ru.
Mustafaev Arslan Gasanovich - Dagestan State Technical University, Makhachkala; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Software of Computers and Automated Systems"; arslan_mustafaev@mail.ru.
Магомедов Шамиль Гасангусейнович - Дагестанский государственный технический университет, Махачкала; канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»; msgg@list.ru.
Magomedov Shamil Gasanguseinovich - Dagestan State Technical University, Makhachkala; Candidate of Technical Sciences; Senior Lecturer of the Department "Software of Computers and Automated Systems"; msgg@list.ru.
Савинова Анастасия Михайловна - Дагестанский государственный технический университет, Махачкала; ассистент кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»; msgg@list.ru.
Savinova Anastasia Mikhailovna - Dagestan State Technical University, Makhachkala; Assistant of the Department "Software of Computers and Automated Systems"; msgg@list.ru.
Мустафаев Абдулла Гасанович - Кабардино-Балкарский государственный университет, Нальчик; канд. техн. наук; старший преподаватель кафедры «Компьютерные технологии и интегральные микросхемы»; arslan_mustafaev@mail.ru.
Mustafaev Abdulla Gasanovich - Kabardino-Balkarian State University, Nalchik; Candidate of Technical Sciences; Senior Lecturer of the Department "Computer Technologies and Integral Circuits"; arslan_mustafaev@mail.ru.
