Повышение эффективности управления технологическим процессом формирования структур интегральных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Мустафаев Марат Гусейнович

Владикавказ - 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Кабардино-Балкарский государственный университет”.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Кармоков А.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Каргин Н.И.

доктор технических наук, с.н.с. Сорокер Л.В.

Ведущая организация: Воронежский государственный технический университет

Защита состоится «13» мая 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.246.01 в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственный технологический университет) по адресу: 362021, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Отзывы на автореферат направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГМИ (ГТУ).

Автореферат разослан 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.246.01 к.т.н., доцент А.Ю. Аликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности производства при обеспечении определенного уровня качества изделий в условиях стабильного технологического процесса (ТП) рассматривается как важная научно-техническая проблема, решение которой особо важно в производстве интегральных элементов (ИЭ).

Производство ИЭ представляет собой сложный многофакторный и многостадийный процесс. Основные характеристики ИЭ, определяющие область их применения, создаются при формировании структур в обрабатывающей фазе. Современные ионно-фотонные технологические процессы формирования структур элементов обеспечиваются использованием низкотемпературных неравновесных импульсных и радиационно-стимулированных технологических операций. К таким прогрессивным технологическим операциям 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 особо высокие требования. Все вышеприведенное 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 технологических операций (ТО), однородности параметров выпускаемых изделий. Такое управление возможно на основе моделирования конкретного процесса и для конкретного типа изделий, а также оптимизации технических решений. 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 технологических процессов и оптимизации технических решений является актуальным направлением научных исследований. Развитие его 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. Кроме того, использование новых моделей и новых технических средств в производстве ИЭ дает возможность эффективно и наиболее оптимальным способом управлять ТП. Рассматриваемые в работе технические решения наиболее актуальны для формирования структуры ИЭ и позволяют повысить качество и надежность изделий в целом.

Настоящая работа соответствует приоритетному направлению развития науки, технологии и техники РФ, критической технологии “технологии создания электронной компонентной базы” и выполнена в соответствии с ФЦП “Национальная технологическая база” на 2007-2011 годы и проведением научно-исследовательских работ кафедры “Материалы и компоненты твердотельной электроники”.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности автоматизированного управления технологическим процессом формирования структур интегральных элементов путем моделирования и оптимизации технического обеспечения технологического процесса для поддержания и стабильности выходных характеристик приборов.

Задачи исследования. Достижение цели обеспечивается постановкой и решением следующих задач:

-исследование процесса групповой обработки формирования структур как объекта управления;

-управление процессами формирования структурных слоев интегральных элементов;

-разработка алгоритма и структуры системы управления технологическим процессом отжига при формировании структур;

-моделирование процесса травления при формировании топологии интегральных элементов;

- реализация алгоритмов управления процессами формирования структур интегральных элементов в промышленных условиях.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использованы методы математического моделирования, системного анализа, имитационного компьютерного моделирования, оптимизации, математической статистики. Экспериментальные исследования проводились на стендах, в лабораторных условиях и на промышленном процессе.

На защиту выносятся:

1. Математические описания основных процессов групповой обработки, протекающих в технологической схеме формирования структур интегральных элементов.

2. Автоматизированная система управления процессом отжига пластин кремния, обеспечивающая режим плавного управления мощностью светового потока, временную синхронизацию протекающих процессов и позволяющая реализовать с высокой воспроизводимостью температурно-временные режимы импульсного отжига.

3. Алгоритмы управления ионно-фотонными процессами групповой обработки формирования структур интегральных элементов, обеспечивающие получение структур с заданными параметрами и улучшение однородности характеристик приборов.

4. Модель и алгоритмизация процесса травления, при помощи которого формируется топология создаваемых ИЭ и обеспечивается воспроизводимость рельефов.

5. Принципы получения и формирования ионных пучков, позволяющие повысить эффективность управления процессом имплантации и возможность реализации интенсивных пучков ионов практически любых твердых веществ.

Научная новизна решения поставленных задач:

1. Предложены формализованные описания основных процессов групповой обработки, протекающих при формировании структур ИЭ, на основе математических зависимостей и соотношений, ориентированных на использование их при управлении на базе современных программно-технических средств и информационных технологий.

2. Установлена возможность формирования с высокой степенью точности структурных слоев ИЭ путем формализации процессов и разработки алгоритмов эффективного управления ионно-фотонными ТП, которые обеспечивают получение структур с заданными параметрами и направлены на повышение процента выхода и улучшение однородности характеристик приборов в партии.

3. Предложены модель и алгоритм моделирования процесса сухого травления с учетом основных параметров режима травления, обеспечивающие воспроизводимость рельефов.

4. Предложены математические модели процесса формирования структур ИЭ, которые могут быть использованы при анализе экспериментальных данных. На основе их получены расчетные зависимости, отражающие основные закономерности влияния параметров ТП на характеристики структур. Разработаны эффективные алгоритмы управления режимами ионной импульсной имплантации и отжига некогерентным излучением.

5. Разработана автоматизированная система управления процессом отжига пластин, позволяющая с высокой точностью и воспроизводимостью реализовать температурно-временные режимы импульсного отжига полупроводниковых пластин по заданной программе.

Практическая ценность результатов работы:

1. Разработанная система управления процессом имплантации и отжига позволяет повысить точность протекания процесса групповой обработки формирования структур, и добиться стабильности показателей качества за счет эффективного управления процессами имплантации и отжига некогерентным излучением.

2. Разработанные системы и алгоритмы управления процессом импульсной ионной имплантации, отжига и травления опробованы в условиях производства, позволяют повысить процент выхода годных ИЭ, снизить энергозатраты и продолжительность термообработки.

3. Алгоритмизация технологического процесса позволяет оптимизировать технологические режимы для достижения требуемых параметров приборных структур. Кроме того, позволяет эффективно и наиболее оптимально управлять технологическим процессом формирования структурных слоев.

4. Моделирование технологических операций формирования структур ИЭ позволяет проводить целенаправленный поиск технологических параметров для осуществления оптимальной технологии изготовления приборов. управление отжиг травление интегральный

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований, результатами вычислительных экспериментов; соответствием теоретических и экспериментальных исследований; работоспособностью предложенных алгоритмов.

Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Внедрение результатов. Разработанные алгоритмы и системы управления технологическими процессами импульсной ионной имплантации, отжига некогерентным излучением, сухого травления внедрены на ОАО “НЗПП” и в учебном процессе Кабардино-Балкарского государственного университета. Экономический эффект от использования разработанных технологий составляет 490 тысяч рублей в год.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- VI Международной научной конференции “Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии”, Кисловодск, 2006;

- IV Международной научно-практической конференции “Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития”, Томск, 2007;

- VII Международной научной конференции “Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии”, Кисловодск, 2007;

- Всероссийской научно-технической конференции с международным участием “Современные проблемы радиоэлектроники”, Красноярск, 2009;

- Х международной научно-методической конференции “Информатика: проблемы, методология, технологии”, Воронеж, 2010;

- VII Всероссийской научно-технической конференции “Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях”, Бийск, 2010;

- VI Международной научно-практической конференции “Электронные средства и системы управления”, Томск, 2010;

- II Международной научно-практической конференции “Прогрессивные технологии и перспективы развития”, Тамбов, 2010;

- Международной научно-технической конференции “Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения”, Москва, 2010;

- Международной научно-технической конференции “Микро- и нанотехнологии в электронике”, Нальчик, 2010.

Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, 6 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Работа изложена на 139 страницах и включает 37 рисунков, 7 таблиц. Список использованной литературы содержит 121 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы: показана актуальность решаемой задачи, сформулированы цели и задачи исследования, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, дана информация об апробации работы.

Первая глава посвящена анализу технологического процесса производства интегральных элементов. Показано, 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 их контроля на функционирование.

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 из них, с помощью которых непосредственно формируется структура ИЭ, то есть 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 гарантируют обеспечения высокого их качества. Необходимо еще и управлять процессом производства, понижая влияние дестабилизирующих факторов, что можно достичь, располагая исчерпывающими сведениями о состоянии и возможностях производственных процессов.

Характеристики большинства ТП ИЭ таковы, что требуют четкого управления ими. Особенно это относится к процессам формирования структур ИЭ. Необходимость управления ТП формирования структур диктуется поддержанием и обеспечением выходных характеристик ИЭ на заданном уровне.

Вторая глава посвящена проблеме управления ТП при производстве ИЭ. Решение этого вопроса существенным образом влияет на эффективность ТП. Управление ТП позволяет создать алгоритмы выбора и корректировки режимов технологических операций, направленные на повышение процента выхода и улучшения однородности характеристик ИЭ в партии.

Увеличение сложности, степени интеграции и применение групповых методов изготовления приводит к определенным трудностям при управлении ТП производства ИЭ.

Полную модель ТП можно задать в виде последовательности частных моделей, описывающих отдельные операции (рис. 1).

Рисунок 1 - Структура модели на (i+1)-й операции

На первом уровне строится зависимость параметров от режимов проведения данной операции и предыдущего состояния вектора b:

. (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.

Считая значения параметров СN, удовлетворяющие 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 СjN 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:

, (2)

где гi - член, характеризующий собственные цели i-ого этапа.

При n=1 и n=2 имеем минимумы целевой функции

, (3)

, (4)

где С2 = С2(С3; l2).

Целевая функция соответственно при этом имеет вид:

, (5)

. (6)

ТП 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 достигается применением эффективных алгоритмов управления, при которых оцениваются как отклонения технологических режимов процессов в каждой производственной системе, так и отклонения параметров изделий.

ТП формирования структурных слоев может быть структурно представлен в виде отдельных блоков (рис. 2).

В этом случае

. (7)

Точность моделирования в значительной степени влияет на эффективность управления ТП.

Рисунок 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:



, (8)

где pln - погрешность реализации режимов и задания координат, - конечные отклонения от цели, - ожидаемые отклонения в начале процесса.

Тогда в качестве критерия производственного соответствия можно записать условие:

. (9)

Схема автоматизированного управления ТП, обеспечивающая номинальные выходные характеристики ИЭ (рис.3), включает управляемые и контролируемые входные параметры {xi}, i=1, …, k, выходные параметры структур {yi}, i=1, …, n и управляющие сигналы {Дxi}, i=1,…, k, вырабатываемые системой на основании информации, полученной от контроля при измерении выходных параметров yi.

Информация о параметрах управляющего процесса представляется в виде

, (10)

где t - текущее значение параметра.

На основании текущих значений факторов xi(t) прогнозируется ожидаемое значение выходного параметра yi(t). Если yi(t) не соответствует заданному значению, то вырабатывается управляющее воздействие Дxi(t). В зависимости от величины и знака управляющего сигнала осуществляется изменение входных параметров , таким образом, чтобы совокупность xi(t) определила yi(t), близкое к заданному значению yi.

Рисунок 3 - Схема автоматизированного управления технологическим процессом

Информация о параметрах yi 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 обеспечений.

Предлагаемые подходы управления ТП позволяют исключить субъективный фактор и повысить эффективность систем управления.

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 позволит выработать рекомендации по управлению и разработать алгоритмы эффективного управления ТП формирования структур ИЭ.

Третья глава посвящена вопросам автоматизированного управления процессом формирования структуры ИЭ с использованием метода ионной имплантации (МИИ). Рассматриваемые ТП представляют собой сложные объекты, входные и выходные переменные которых, а также параметры, характеризующие внутреннее состояние объекта, зависят от многочисленных факторов, которые необходимо учитывать в процессе совершенствования управления ТП.

В настоящее время имеет место непрерывное расширение сферы применения МИИ и неослабевающий интерес со стороны специалистов в области технологии производства полупроводников и ИЭ. С целью расширения возможности и повышения эффективности МИИ в работе предложены новые принципы получения и формирования ионных пучков.

Основным направлением в развитии источников ионов является повышение эффективности управления процессом. Так реализация лазерного источника позволяет получать достаточно интенсивные пучки ионов практически любых твердых веществ. Применение импульсного лазера с модулированной добротностью и оптической системой для фокусировки луча обеспечивает создание универсальной по номенклатуре получаемых ионов установку.

В разработанной установке импульсной ионной имплантации (ИИИ) (рис. 4) применяется лазерный источник ионов, изготовленный на базе лазера ЛТИ-5 (6), обеспечивающий получение энергии в импульсе до 20 мДж. Особенностью установки является отсутствие сепарации и сканирования ионного пучка, а также возможность имплантации ионов любых твердых веществ, что значительно снижает материало- и энергоемкость.

Работа блоков в составе установки координируется блоком управления (15). В блоке управления используется контроллер, работающий в реальном масштабе времени под управлением рабочих программ.

Управление имеет своей целью обеспечение эффективности процесса путем направленного изменения режимов работы технологического оборудования и согласованного действия всех подсистем, входящих в его состав (рис. 5 (где U - напряжение генератора)). Разработанная система ИИИ удовлетворяет требованиям современной технологии ИЭ.

1 - мишень; 2 - ионизационная камера; 3 - оптическая система; 4, 7 - электрод; 5 - мелкоструктурная сетка; 6 - лазер; 8 - приемная кассета; 9 - привод приемной кассеты; 10 - пластина кремния; 11 - датчик тока; 12 - блок измерения дозы; 13 - откачной пост; 14 - генератор высокого напряжения; 15 - блок управления; 16 - вакуумная камера.

Рисунок 4 - Блок-схема установки импульсной ионной имплантации с программным управлением.

Проведенный анализ и исследования процесса ИИИ при формировании структур ИЭ показали, что профили распределения концентрации внедренных ионов в кремний достаточно точно описываются функцией Пирсона, которая имеет вид:

, (11)

Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма управления процессом импульсной ионной имплантации

где функция f(x) удовлетворяет соотношению: .

Константы a0, b0, b1, b2 характеризуются четырьмя центральными моментами и задаются следующими выражениями:

, (12)

, (13)

, (14)

где , ДRp - дисперсия среднего проективного пробега.

Для распределения Пирсон IV справедливо следующее соотношение:

, . (15)

Эффективное управления процессом ИИИ на основе разработанной установки обеспечивает получение структур ИЭ с задаваемыми параметрами (рис.6 и 7).

Рисунок 6 - График зависимости поверхностного сопротивления кремния, имплантированного ионами бора (а) и мышьяка (б) от дозы ионов при различных энергиях (1 - 1 кэВ, 2 - 5 кэВ, 3 - 10 кэВ)

Рисунок 7 - График зависимости глубины залегания p-n-перехода в кремнии, легированном ионами бора (1) и мышьяка (2) от дозы ионов при температуре отжига 1000оС

Схема функционирования системы управления ТП показана на рис. 8.



Рисунок 8 - Схема функционирования автоматизированной системы управления технологическим процессом

Реализация новых принципов формирования ионных пучков и эффективных алгоритмов управления ТП позволяет достичь процент выхода годных ИЭ серии 131 на операции функционирования 84,0% при плановом 58,6%. Процент выхода по статическим и динамическим параметрам после сборки микросхем составил соответственно 96,6% и 94% против плановых 92,6% и 92,8%.

Четвертая глава посвящена исследованию вопросов моделирования ТП отжига некогерентным излучением. В последнее время моделирование режимов термообработки становится особенно актуальным в связи с широким использованием коротких импульсных тепловых воздействий.

Отжиг путем воздействия на кремниевую пластину некогерентного излучения применяется в технологии формирования тонких ионно-легированных слоев ИЭ и должен обеспечить максимальный отжиг радиационных дефектов и активацию внедренной примеси. Реализация процесса отжига некогерентным излучением обеспечивается при определенной плотности потока мощности и длительностях воздействия.

Механизмы взаимодействия интенсивного импульса света с полупроводниковым кристаллом являются достаточно сложными и зависят как от характеристик падающего света, так и от химического, структурного и фазового состава облучаемого материала. При этом получить строгое математическое описание процесса взаимодействия света с твердым телом даже для частного случая достаточно сложно.

Решение уравнения теплопроводности для малых времен импульса некогерентного излучения численными методами с пренебрежением контактного теплообмена с допущениями, что основными механизмами передачи тепла являются излучение и теплопроводность, отсутствует принудительная конвекция, а естественная пренебрежимо мала, поверхность пластины облучается равномерно и отсутствует теплообмен излучения, при граничных условиях:

, (16)

и начальном условии:

, (17)

имеет вид:

, (18)

где - коэффициент температуропроводности, k - постоянная Больцмана, С - теплоемкость кремния, р - плотность кремния, d - толщина пластины, W - плотность поглощенного потока мощности излучения, z - координата глубины.

Моделирование процесса нагрева пластины при отжиге заключается в определении температурного распределения в полупроводниковой пластине при термообработке ее некогерентным светом для реально используемых потоков мощности и времен импульса. Определить температурное распределение в пластине можно с помощью уравнения теплового баланса

, (19)

где - коэффициент, равный отношению площади поверхности, с которой излучается тепло (Sизл), к площади поверхности, на которую падает световой поток (Sобл), W0 - плотность падающего потока мощности, R - интегральный коэффициент отражения, учитывающий спектральное распределение падающего потока отражательной способности обрабатываемой поверхности, f(t) - функция формы и длительности импульса, (д - постоянная Стефана-Больцмана, епр - приведенная излучательная способность облучаемого материала и стенок рабочей камеры), Т0 - температура окружающей среды.

Решение уравнения теплового баланса с учетом зависимости С(Т) находим интегрированием во время действия светового импульса (f(t)=1):

. (20)



Остывание образца после окончания импульса излучения (f(t)=0) описывается выражением:

, (21)

где Тстац - температура достижения стационарного режима.

На основании отмеченного был разработан алгоритм (рис. 9), позволяющий определить тепловой режим кремниевой пластины.

Алгоритм предоставляет возможность определения зависимости температуры кремниевой пластины от плотности потока мощности облучения в любой момент времени процесса отжига, а также оценить изменение температуры пластины после прекращения воздействия на нее светового потока (рис. 10).

Учитывая факт малой длительности процесса и высокой скорости нарастания температуры, эффективность управления процессом отжига достигается только при использовании автоматизированных управляемых систем отжига.

Для обеспечения эффективного управления процессом отжига пластин разработана автоматизированная система компьютерного управления (рис. 11), состоящая из компьютера с дисплеем и блока контроля, который включает аналого-цифровой преобразователь (АЦП), усилитель постоянного тока и усилитель сигнала, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), вакуумметр и блок питания. Управление происходит от компьютера командами, которые формируются интерфейсным модулем (Б).

Разработанная эффективная система управления процессом отжига позволяет с высокой точностью и воспроизводимостью реализовать необходимые температурно-временные режимы импульсного отжига полупроводниковых пластин и обеспечивает максимальный отжиг радиационных дефектов и активацию внедренной примеси. Реализация системы управления ТП и алгоритмизация процесса отжига позволяет повысить качество и процент выхода ИЭ.

Пятая глава посвящена рассмотрению вопросов моделирования ТП сухого травления. Одним из важнейших направлений плазменной технологии в микроэлектронике является так называемое “сухое” травление (плазменное и ионное), при помощи которого формируется топология создаваемой ИЭ. Для этого по рисунку, изготовленному методами литографии на кремниевой пластине с заранее произведенными рабочими слоями, в химически активной плазме производится селективное удаление немаскированных участков микроэлектронной структуры.

Сухое травление SiO2 осуществляется главным образом при вскрытии контактных окон, являющихся обычно наименьшими элементами приборов и характеризующихся наибольшим отношением толщины стравливаемой пленки к размеру элемента. Вскрытие контактных окон - сложный процесс, для осуществления которого требуются высокие анизотропия и селективность травления.

В результате приходится методом проб и ошибок в ходе нескольких итераций технологического цикла подбирать нужные параметры процесса травления. С целью оптимизации параметров процесса травления и сокращения материальных затрат в работе предложена алгоритмизация данного процесса.

В отношении моделирования процессы травления представляют собой в значительной степени геометрические задачи.

Моделирование процесса изотропного травления рассмотрено на примере локального травления системы подложка - маска. В соответствии с алгоритмом модели струны аппроксимируют поверхность исходного профиля набором точек, соединенных между собой прямыми отрезками. В данном случае, учитывая симметричность профиля, достаточно его представить с помощью трех точек. 

Рисунок 9 - Блок-схема алгоритма определения температурного распределения процесса отжига кремниевой пластины



Рисунок 10 - График зависимости изменения температуры кремниевой пластины в процессе отжига от плотности потока мощности облучения (1 - 40 Вт/см2, 2 - 50 Вт/см2, 3 - 60 Вт/см2)

Рисунок 11 - Блок-схема автоматизированной системы с компьютерным управлением процессом отжига кремниевой пластины

Уравнение расчета координат в процессе травления запишутся в виде:

, ,

, , (22)

, ,

где x0i, y0i - начальные координаты точек; Vм - скорость травления маски; t - время процесса; Vx - скорость травления нитрида кремния по оси x:

, (23)

где б - угол наклона маски, определяется технологией предшествующих процессов.

При моделировании изотропного травления все точки струны двигаются в направлении потока травящих частиц, со скоростью пропорциональной косинусу между направлением потока и нормалью к поверхности. Это локальный угол определяется как среднее значение между углами ориентации примыкающих к точке отрезков.

Скорость травления моделируется в соответствии с эффективностью распыления по формуле:

, (24)

где i0 - плотность тока первичных ионов на мишени; с - плотность мишени; e - заряд электрона; M2 - относительная атомная масса мишени; и - угол между направлением потока ионов и нормалью к поверхности мишени; f - фактор, определяемый соотношением масс сталкивающихся частиц; S0 - коэффициент распыления.

Движение всех точек слоя поликремния рассматривается вдоль линий, параллельных направлению потока ионов. Уравнения движения точек представляются в виде:

,

,

где Vi - скорость движения i-й точки; yi-1 - предыдущие значение координаты i-й точки по глубине.

Если в процессе движения координаты yi точек 1-3 превышают значения y0, то для них полагают:

,

.

Блок-схема алгоритма моделирования процесса сухого травления представлена на рис. 12. Алгоритмизация процесса позволяет оценить профили объектов, которые получены в процессе травления.

В результате проведенного моделирования были получены профили травления структуры Si3N4 - SiO2, изображенные на рис. 13, и Si3N4 - Si, изображенные на рис. 14, для процессов изотропного и анизотропного травлений соответственно.

Таким образом, профили, полученные в результате моделирования, адекватно отражают технологический процесс сухого травления.

Разработка и реализация алгоритмов эффективного управления процессами формирования структур ИЭ позволяет повысить их качество и надежность. Эффективность разработанных стратегий и алгоритмов управления оценивалась по результатам проведенных экспериментов.



Рисунок 12 - Блок-схема алгоритма моделирования процесса сухого травления при формировании топологии интегральных элементов

Рисунок 13 - Профили травления структуры Si3N4 - SiO2, полученные в результате моделирования

Рисунок 14 - Профили травления структуры Si3N4 - Si, полученные в результате моделирования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научная задача повышения эффективности управления технологическим процессом формирования структур интегральных элементов.

Основные теоретические и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработаны и исследованы формализованные описания основных процессов групповой обработки, протекающих при формировании структур ИЭ, ориентированных на использование их при управлении на базе современных программно-технических средств и информационных технологий.

2. Разработан алгоритм эффективного управления процессом ИИИ на основе разработанной установки, который позволяет получать структуры ИЭ с заданными параметрами. Реализация алгоритмов эффективного управления ТП обеспечивает формирование с высокой точностью структурных слоев ИЭ, повышение процента выхода и улучшение однородности характеристик ИЭ в партии.

3. Сравнительный анализ расчетных и экспериментально измеренных концентрационных профилей ионов бора и мышьяка, имплантированных в кремний, показал, что математическая модель позволяет достаточно хорошо прогнозировать концентрации внедренных ионов при различных дозах и энергиях. Выявленные различия расчетных и экспериментально измеренных профилей могут быть обусловлены процессом ионного перемешивания. Представленные результаты исследования ИИИ позволяют сделать выводы об особенностях использования и рекомендации для эффективного проведения соответствующего технологического процесса.

4. Разработан алгоритм эффективного управления процессом отжига некогерентным излучением, предоставляющий возможность определения зависимости температуры кремниевой пластины от плотности потока мощности облучения в любой момент времени процесса отжига, а также оценить изменение температуры пластины после прекращения воздействия на нее светового потока. Для обеспечения эффективного управления процессом отжига пластин разработана автоматизированная система управления, позволяющая с высокой точностью и воспроизводимостью реализовать необходимые температурно-временные режимы импульсного отжига полупроводниковых пластин.

5. Разработан алгоритм моделирования процесса сухого травления с учетом основных параметров режима травления, обеспечивающий воспроизводимость рельефов с высокой точностью и оптимизацию параметров процесса.

6. Установлены зависимости электрофизических свойств ионно-имплантированных слоев кремния от дозы облучения и температуры отжига. Определены оптимальные режимы процесса ионной имплантации (5·109 Вт/см2, 20 кэВ, 1,5·1015 см-2) и отжига (1100оС, 10с), обеспечивающие повышение процента выхода ИЭ. Научно обоснованы и экспериментально осуществлены оптимизация процессов управления ИИИ, отжига некогерентным излучением и плазменное травление при формировании структур ИЭ.

7. Повышение эффективности управления ТП формирования структур ИЭ и воспроизводимости их параметров обеспечивается разработкой эффективных стратегий и использованием новых технических решений. Это позволяет повысить стабильность ТП, качество и надежность ИЭ.

8. Результаты исследований внедрены на ОАО “НЗПП” и используются в учебном процессе Кабардино-Балкарского государственного университета. Экономический эффект составляет 490 тысяч рублей в год.



ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК

1. Мустафаев М.Г. Системный подход к обеспечению качества изделий [Текст] / Мустафаев М.Г. // Автоматизация и современные технологии. - 2007. - №1. - С.43-45.

2. Мустафаев М.Г. Управление и регулирование технологической системы производства элементов и компонентов [Текст] / Мустафаев М.Г. Мустафаев Г.А. // Приборы. - 2007. - №11. - С.44-47.

3. Мустафаев М.Г. Повышение эффективности управления технологической системы при создании элементов и компонентов РЭС [Текст] / Мустафаев М.Г., Мустафаева Д.Г. // Вопросы радиоэлектроники. - 2009. - №1. - С.70-73.

4. Мустафаев М.Г. Обеспечение надежности элементов и компонентов радиоэлектронных систем [Текст] / Мустафаев М.Г., Кармоков А.М. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т.5. - №1. - С.127-130.

5. Мустафаев М.Г. Некоторые методологические принципы совершенствования управления технологической системой при создании изделий [Текст] / Мустафаев М.Г., Мустафаева Д.Г. // Известия ВУЗов. Технические науки. Северо-Кавказский регион. - 2009. - №3. - С.3-5.

6. Мустафаев М.Г. Обеспечение качества и надежности пленочных приборных структур [Текст] / Мустафаев М.Г., Мустафаев Г.А. // Приборы. - 2010. - №10. - С.49-53.

В других журналах и сборниках научных трудов

7. Мустафаев М.Г. Ионно-лучевая технология при исследовании и создании структур [Текст] / Мустафаев М.Г. // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: материалы VI Международной научной конференции. - Кисловодск. - 2006. - С.87-88.

8. Мустафаев М.Г. Система обеспечения качества сверхбольших интегральных схем [Текст] / Мустафаев М.Г., Мустафаев А.Г. // Электронная промышленность. - 2007. - №1. - С.29-32

9. Мустафаев М.Г. Совершенствование управления производством и его эффективность [Текст] / Мустафаев М.Г., Мустафаев М.Г. // ИТР. - 2008. - №9. - С.11.

10. Мустафаев М.Г. Некоторые проблемы при создании микроэлектронных приборных структур [Текст] / Мустафаев М.Г. // Современные проблемы радиоэлектроники: сборник научных трудов. - Красноярск. - 2009. - С.263-266.11. Мустафаев М.Г. Контроль и управление технологическим процессом при производстве изделий [Текст] / Мустафаев М.Г. // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: материалы 7-й Всероссийской научно-технической конференции. - Бийск. - 2010. - С.61-62.

12. Мустафаев М.Г. Моделирование процесса отжига при производстве приборных структур [Текст] / Мустафаев М.Г. // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: материалы 7-й Всероссийской научно-технической конференции. - Бийск. - 2010. - С.64-66.

13. Мустафаев М.Г. Совершенствование управления технологической системой при производстве изделий [Текст] / Мустафаев М.Г. // Электронные средства и системы управления: материалы VI Международной научно-практической конференции. - Томск. - 2010. - С.113-114.

14. Мустафаев М.Г. Оптимизация процесса формирования структурных слоев интегральных элементов [Текст] / Мустафаев М.Г. // Прогрессивные технологии и перспективы развития: материалы II Международной научно-практической конференции. - Тамбов. - 2010. - С.208.

15. Мустафаев М.Г. Управление процессом импульсной ионной имплантации [Текст] / Мустафаев М.Г., Мустафаев Г.А. // Микро- и нанотехнологии в электронике: материалы Международной научно-технической конференции. - Нальчик. - 2010. - С.46-47.

Размещено на Allbest.ru