引言

在半導(dǎo)體制造工序的硅晶圓的清洗中，RCA清洗法被很多企業(yè)使用。RCA清洗方法是清洗硅片的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法，其中清洗溶液的溫度控制對(duì)于穩(wěn)定的清洗性能很重要，但它涉及困難，許多清洗溶液顯示非線性和時(shí)變的放熱化學(xué)反應(yīng)，由于清洗系統(tǒng)具有處理腐蝕性清洗溶液的特殊設(shè)備，系統(tǒng)具有長(zhǎng)而波動(dòng)的時(shí)間滯后等。在這里，我們首先提出了一個(gè)系統(tǒng)的熱模型，其中通過(guò)DSC(差分掃描量熱法)方法，我們分析了清洗溶液的放熱化學(xué)反應(yīng)，如SPM(硫酸/過(guò)氧化氫混合物)、APM(氨/過(guò)氧化氫混合物)和HPM(鹽酸/過(guò)氧化氫混合物)。

為了控制解的溫度，我們使用自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器，其中使用自適應(yīng)方法來(lái)處理非線性和時(shí)變的放熱反應(yīng)，預(yù)測(cè)方法是為了克服時(shí)間滯后上的問(wèn)題。進(jìn)一步，設(shè)計(jì)了限制超調(diào)和消除穩(wěn)態(tài)誤差的目標(biāo)軌跡，并引入了一種新的虛擬采樣方法，以減少所需的內(nèi)存大小和計(jì)算時(shí)間。我們展示了該熱模型的有效性，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的控制，驗(yàn)證了該控制器的性能。

實(shí)驗(yàn)

如圖1(a)所示，這里的計(jì)算使用開始控制的t=454秒以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行，需要注意的是，之前的圖中的數(shù)據(jù)沒有意義。另外，在t=5000秒時(shí)，作為干擾，強(qiáng)制改變了液體溫度和液體的性質(zhì)。這是為了調(diào)查與此相同程度的溫度下降(約4℃)在硅晶圓浸入清洗液時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)答。為了進(jìn)行比較，在同圖(b)中顯示了以前在實(shí)機(jī)中使用的PID控制器的控制結(jié)果。該修正PID為了更快地使液溫上升，在控制開始后的一段時(shí)間內(nèi)操作量變?yōu)樽畲螅笕绻簻剡M(jìn)入設(shè)定值的某個(gè)附近內(nèi)，就開始PID控制。在此，PID的各增益的值不能用通過(guò)自動(dòng)調(diào)諧，求得的值很好地控制，從該值出發(fā)，反復(fù)試驗(yàn)所得。

圖1(a)T1=2100和T2=6000控制的SPM響應(yīng)，(b)KP=0.12、KI=0.000042、KD=0.10修改的PID控制器

結(jié)果和討論

將提案算法編入實(shí)機(jī)，對(duì)SPM進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。根據(jù)用戶的要求，在實(shí)機(jī)的工作環(huán)境中，有可能改變硫酸和過(guò)氧化氫水的混合比，有可能改變控制開始時(shí)間，有可能清洗配管內(nèi)的情況，也有可能不清洗配管內(nèi)的情況，在各種情況下，SPM混合后的水化熱導(dǎo)致初期發(fā)熱發(fā)生變化。

另外，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是簡(jiǎn)易的，室溫和濕度等不太穩(wěn)定，這些會(huì)對(duì)模型的熱傳遞率κO(為了模型簡(jiǎn)略化，在該值中包含了蒸發(fā)產(chǎn)生的散熱等)產(chǎn)生影響。基于以上的理由，在該實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)中，將這些變動(dòng)值設(shè)定為模型進(jìn)行模擬，設(shè)定了具有一定程度安全富余的控制參數(shù)值。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在此，操作量p在控制開始后的一段時(shí)間內(nèi)保持最大值，但一旦(t=716秒附近)變小，之后又回歸到最大值。在此，p變小是因?yàn)樵谠搶?shí)驗(yàn)中，在混合后的水化熱發(fā)生結(jié)束之前，即在液溫與室溫(23.7℃)相同時(shí)開始控制，因此由于水化熱而急劇上升的液溫比目標(biāo)軌道高。

圖2APC控制的T1=2614和T2=2400對(duì)真實(shí)RCA系統(tǒng)的響應(yīng)

但是，如果直接使用控制開始時(shí)設(shè)定的目標(biāo)軌道的話，到整定為止的時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，所以如果液溫比目標(biāo)軌道高出某一溫度以上的話，就會(huì)判斷產(chǎn)生了水化熱的現(xiàn)象，使目標(biāo)軌道初始化，這樣就會(huì)發(fā)生向最大輸入的回歸。液溫在達(dá)到θB=130℃之前其上升變得緩慢，之后再次變快。這個(gè)變得緩慢的部分是因?yàn)槟繕?biāo)軌道抑制放熱反應(yīng)的機(jī)構(gòu)起作用的緣故，再次變快的部分是因?yàn)楣潭ㄆ畹男拚龣C(jī)構(gòu)起作用的緣故。這些影響作為t=2135～3000秒的區(qū)間中的操作量p的小山狀的變化也表現(xiàn)出來(lái)。

另外，不能得到順利控制該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的修正PID控制器的參數(shù)值，這是因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)如上所述發(fā)生變動(dòng)，而且對(duì)于非線性時(shí)變系統(tǒng)，確定PID增益的方法非常困難。

總結(jié)

在本文中，提出了基于RCA清洗系統(tǒng)的熱模型以及適應(yīng)識(shí)別和預(yù)測(cè)控制的清洗液的溫度控制法，通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了其性能。通過(guò)使用提出的熱模型進(jìn)行模擬，回避了手工操作的實(shí)際液體處理所伴隨的危險(xiǎn)性和非再現(xiàn)性等，敘述了可以近似地求出清洗系統(tǒng)的舉動(dòng)。另一方面，對(duì)于非線形時(shí)變系，逐步確定線形參數(shù)的本文的適應(yīng)法，在最初的幾次試行的控制中，控制性能得到了改善，確認(rèn)了其有效性，但是在各試行中，適應(yīng)速度趕不上放熱反應(yīng)，洗凈槽溫度發(fā)生了容許誤差范圍以上的超調(diào)。因此，導(dǎo)入了使目標(biāo)軌道逐漸接近設(shè)定值的方法，該方法決定目標(biāo)軌道的參數(shù)的選定很重要，需要充分考慮動(dòng)作條件等進(jìn)行設(shè)定。

審核編輯：湯梓紅