Введение к работе
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.
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.
