半导体生产过程的Run—to—Run控制技术综述

半导体生产过程的Run—to—Run控制技术综述 半导体生产过程的Run—to—Run控制技术 综述 第42卷第8期 2008年8月 浙江大学(工学版)JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)VoI_42NO.8 Aug.2008 DOI:10.3788/].issn.1008—973X.2008.08.022 半导体生产过程的Run—to—Run控制技术综述 王树青,张学鹏,陈良 (浙江大学工业控制技术国家重点实验室,浙江杭州310027) 摘要:Runto—Run通过对历史批次过程数据的统计分析改变下一批次的制程 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 (recipe),解决间歇过程尤其 是半导体生产过程中在线测量手段缺乏造成实时过程控制难以实施的问题,从而降低批次间产品的品质差异.这 一 方法是统计过程控制和实时控制的折中,提供了一个提升产品质量,改善总体设备效能的框架.介绍了Run—to— Run控制的产生背景,阐述了RuntoRun控制器的一般结构,重点介绍了3类主要的Runto—Run控制算法,对各 种Run-to—Run控制算法进行了评价,并介绍了它们在关键单元操作中的应用,最后探讨了未来的研究方向. 关键词:Runto-Run控制;间歇过程;半导体生产;统计过程控制 中图分类号:TN919.8文献标识码:A文章编号:1008—973X(2008)08—1393—06 ReviewonRun—?to-Runcontrolinsemiconductormanufacturing WANGShu—qing,ZHANGXue—peng,CHENLiang (NationalLaboratoryofIndustrialControlTechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou310 027,China) Abstract:Run—to— Runcontrolupdatestheprocessrecipebyusingthehistoricalprocessdata.Itovercomes thedifficultiesincarryingoutreal—timeprocesscontro1duetothe1ackofsuitablein— situmeasurementsin batchprocessespeciallyinsemiconductormanufacturing.Asacompromisebetweenstatisticalprocesscon— tro1andreal—timecontro1,Run—to— Runcontro1providesaframeworktoenhancetheproductqualityand overal1equipmenteffectiveness.ThisworkintroducedthebackgroundofRun_to— Runcontro1insemicon— ductormanufacturingandthecommonstructuresofRun—to— Runcontrollers,emphasizedonthreekindsof Run—to— Runcontrolalgorithms,evaluatedtheperformanceofthesealgorithms,andintroducedtheapplica— tionsofthesealgorithmsonkeyunitoperations,finallydiscussedthefuturedevelopment. Keywords:Run—to— Runcontrol;batchprocess;semiconductormanufacturing;statisticalprocesscontrol 在问歇生产过程中,由于对一些重要的品质指 标参数缺乏在线测量手段,无法实施对产品质量的 实时监控].同时,生产设备的特性会随着时间推 移发生漂移,如果采用固定制程方案(recipe)进行生 产控制,往往导致不同批次的产品品质存在较大差 异.在半导体生产,制药,精细化工等行业中,小批 量,多品种,高附加值的生产模式能够快速,灵活地 响应市场需求,获得了越来越多的认可.如何保证不 同批次之间产品品质的一致性成为生产厂家和控制 学者关注的课题. Run—to—Run(RtR,R2R)控制,亦称为Run—by— Run(RbR)控制,是一种针对间歇过程的优化控制 方法,根据对历史批次信息的反馈评估与分析,更新 过程模型并调整制程方案从而降低批次间的产品差 异.Run—to—Run控制最先在半导体生产过程控制中 提出,结合了统计过程控制(statisticalprocesscon— trol,SPC)和反馈控制,能够降低次品率,延长设备的 使用周期和提升设备总体效能[3].随着半导体产品特 征尺寸的不断降低,Run-to-Run控制被广泛应用到实 际生产过程中,具有Run-to-Run控制能力的半导体 收稿日期:2007—04,25.浙江大学(工学版)网址:WWWjournalszju.edu.cn/eng 基金项目:国家自创新研究群体科学基金资助项目(60421002). 作者简介:王树青(1939一),男,浙江仙居人,教授,从事工业过程控制,故障诊断等研 究.E-mail:sqwang@iipc.zju.educn 浙江大学(工学版)第42卷 生产设备已经成为新一代生产线的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 . 本文首先分析了在间歇生产过程中实施Run— to-Run控制的背景和必要性,在介绍Run—to—Run 控制结构的基础上,分析并比较了几类主要的Run— to—Run控制算法,介绍了Run—to—Run控制在半导 体生产的关键单元操作中的一些应用实例,最后探 讨了未来的研究方向. 1Run—to—Run控制的产生背景 传统的半导体生产过程控制手段主要是固定制 程方案的单变量常规控制,比如温度,压力等环境参 数的定值控制,并配合产品的离线检测.对于固定制 程方案的生产方式来说,当生产设备的特性因为老 化或者维护产生漂移时,如果仍然按照原来的生产 工艺进行生产,将会影响产品的成品率.随着特征尺 寸的降低,设备特性的漂移对产品成品率的影响越 来越严重.为了保证成品率及控制成本,先进过程控 制技术被越来越多地用于消除设备特性漂移带来的 影响.然而在半导体生产过程中实施先进控制往往 比较困难,其制约条件包括如下几方面. 1)缺乏实时测量数据.难以实现半导体生产过 程实时控制的一个根本原因是缺乏实时传感器(in— situsensor)l_4j.尽管目前已经有一些针对半导体生 产过程的实时传感器,例如测量薄膜厚度的分光仪 等,大量的过程数据仍然需要在当前批次加工结束 后才能采样得到,这不可避免地引入了时滞.对快速 热处理等过程来说,缺乏实时传感器意味着实时控 制无法实现. 2)在半导体生产过程中存在突变漂移(shift)和 缓变漂移(drift).以化学气相沉积(chemicalvapor deposition,CVD)过程为例,化学蒸气会逐渐沉积在 反应器的器壁上形成缓变漂移,当沉积物达到一定 程度时需要实施清洗,清洗后的设备会形成阶跃扰 动,这就是突变漂移.除了设备会产生过程偏差以外, 在生产过程中晶圆的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面质量也会产生偏差,比如进 料晶圆的薄膜厚度和均一度往往受前道工序的影响. 3)半导体生产的多品种,小批量特性.半导体生 产是一系列的间歇过程,每个间歇操作都有相应的 生产工艺,即在每批次生产过程中设备的控制器设 定值和其他工艺参数.同一设备可能用于不同的工 序或者生产不同的产品,这意味着生产工艺必须频 繁改变.传统控制采用固定生产工艺的PID控制方 式,这显然不能满足现代生产的需要. 在制药,精细化工等行业,间歇或半间歇的生产 方式由于能够灵活地的响应市场需求,被广泛地采 用.为了增加产品的附加值,需要不断地提高产品的 纯度或精度,但当产品的精度和纯度要求提高时,传 统的控制手段就无法满足需求,为此同样要求对生 产过程实施先进控制. SPC是先进过程控制的一种,从2O世纪8O年 代中期开始被引入到半导体生产过程控制领域.通 过对生产过程中的工艺参数质量数据进行统计分析 和描图,实现对产品质量的实时监控和预测,从而达 到发现异常,及时改进,减少波动,保证工艺过程稳 定,提升产品总体质量之目的.目前SPC的技术已 经比较成熟,半导体生产过程的SPC解决方案已经 得到广泛应用,SPC已经成为表征半导体产品质量 的内在依据.尽管SPC能够检测和识别生产过程是 否正常运行,却不能提供相应的控制手段,需要的控 制行为仍然由现场 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师来实施.这种对人为经验 的极大依赖很大程度上制约了半导体生产技术的进 一 步发展. Run—to—Run控制正是为了克服上述制约提出 的.Ingolfsson等人L5利用指数加权移动平均(ex— ponentiallyweightedmovingaverage,EWMA)处 理历史批次数据并反馈控制来补偿半导体生产过程 的扰动和漂移.Run—to—Run控制是优化控制(或者 监督控制)和实时控制的统一L3],它结合了SPC和 反馈控制,通过对前面批次制程中产品特性的检测 数据进行统计分析,自动地改进生产过程的制程方 案,达到优化控制并提高产品质量的目的.半导体的 生产是分批,分工序进行的,每道工序是一个单元操 作,一般包括3个层次:设备控制器实现生产过程的 实时控制;过程控制器调整设备控制器的参数,克服 过程扰动,保证加工过程稳定;Run-to—Run控制器 根据历史信息实现生产工艺的自动更新.图1给出 了半导体生产过程先进控制的三层结构l_2j. 2Run—to—Run控制的结构 Run—to—Run控制的基本思想是:虽然当前批次 的实时测量数据无法获得,但是不妨利用前面批次 的信息来指导当前批次的生产.在半导体生产过程 中,Run—to—Run控制器利用前面批次的信息来计算 补偿值,在新批次的晶圆送入加工设备之前更新设 备的生产工艺和过程模型.典型的Run—to—Run控 制器结构如图2所示. Run—to—Run控制有很多的形式,但是基本结 构都是一样的,主要包括3个部分:过程模型,状态 第8期王树青,等:半导体生产过程的Run—toRun控制技术综述 实时过实时过 图1半导体生产过程先进控制的层次结构 Fig.1Hierarchicalpartitioningofadvancedcontrolin semiconductormanufacturing 优化控制实时控制 对比次 批次 图2Run-to-Run控制器结构 Fig.2StructureofRun—to—Runcontroller 观测器,控制律.不同的建模方法,观测器设计和控 制算法构成了不同的Run—to—Run控制器,这些控 制器的适用对象,复杂程度各不相同. 1)过程模型.Run—to—Run控制是基于模型的控 制,由于在线传感器的匮乏,一些重要的指标参数无 法在线测量,模型可以用来关联可测参数与指标参 数,给控制律提供更新制程方案的依据.准确的模型 是Run—to—Run控制能够成功的基础,不同的建模 方法可以得到不同精度的模型,目前最常用的是基 于输入,输出的数据建立线性回归和曲面响应模型 (responsesurfacemodel,RSM). 2)状态观测器.由于历史批次反馈得到的信息 包含各种噪声,为了确保输出噪声不被放大,需要通 过滤波器来尽可能地获取过程的真实状态.观测器 的构造方法有很多种,简单的如一个EWMA矩阵, 复杂的如Kalman滤波器. 3)控制律.控制律是Run—to—Run控制器用来 调整制程方案的算法.控制算法的选择对整个控制 器极为重要.最简单的控制律是对模型进行逆运算, 复杂的如非线性优化估计等. 3主要的Run—to—Run控制器类型及 比较 目前已经提出了多种Run—to—Run控制器,根 据控制算法的不同,主要可以分为3类:EWMA控 制器类,优化自适应品质控制器(optimizingadap— tivequalitycontroller,OAQC)类,模型预测控制器 (modelpredictivecontroller,MPC)类.(虽然EW— MA控制器和PCC(predictorcorrectorcontro1)同 属一类,但是为了清楚起见将分开介绍). 3.1EWMA控制器 EWMA控制器是使用最广泛的Run—to—Run 控制器.虽然EWMA控制器很早就被用于统计过 程,但是直到2O世纪90年代初才被引入到半导体 过程控制.EWMA控制器可以有效地补偿半导体 生产过程的光滑漂移和扰动.EWMA控制器的结 构如图3所示,它采用如下线性模型: y()一KU()+E(n).(1) 式中:为时间序列(批次),Y为P×1的模型输出 向量,K为P×q的定常增益矩阵,【,为q×1的输入 向量,s为P×1的模型失配向量或扰动序列.利用 式(1)进行第+1步估计iT(+1),记作(+ 1),则 g(n+1)一K【,()+s().(2) EWMA控制器只更新模型中的扰动序列: ;(+1)一Wg()+(I—w);().(3) 式中:w为指数加权因子(exponentialweighting factor)矩阵,w—diag([叫",7.U]),0<叫<1.0, i=1,…,P;I为单位矩阵.EWMA控制器的控制策 略表述为 【,(+1)一[T一;(+1)]K_..(4) 式中:T为过程设定值.在EWMA控制器中w的选 取非常重要:如果过程具有较小的确定性漂移和较 大的正常波动,加权因子应取较小的值;如果输出的 偏差是高度相关的,加权因子应取较大的值;对具有 缓变漂移的半导体生产过程,加权因子的范围为 0.1,0.3c. 当扰动序列s满足下列条件时,可以证明 EWMA控制器是一个优化控制器l_]]: s(+1)一s()+口(+1)一(I—W)口().(5) 式中:口()为白噪声序列,s为集成时间序列模型. 在一定条件下,EWMA控制器在理论上等同 于一个离散PI控制器,这也是EWMA控制器可以 补偿过程漂移和扰动的根本原因. 浙江大学(工学版)第42卷 图3EWMA控制器结构 Fig.3StructureofEWMAcontroller 3.2PCC PCC是EWMA控制器的扩展,是由Good等 人.提出的.相比于EWMA控制器,PCC使用 2个加权矩阵w,w分别处理噪声和过程漂移,如 图4所示. ,(;r/+1)一W1,()+(J—W1),(),(6) 西(+1)一wEs(n)一三()]+(J—w)西(),(7) 三(+1)一,()+西().(8) 由于引入了第2个加权矩阵来预报估计误差,PCC 具有更好的渐进性能l7]. 图4PCC结构 Fig.4StructureofPCC 3.3MPC MPC在连续过程的先进控制中获得了广泛的 应用,它同样可以移植到半导体生产的过程控制中. 基于MPC的Run—to—Run控制器可以提供直接的 多变量控制,这是它最大的优势.与其他Run—to— Run控制器相比,MPC优点还包括:可以直接扩展 到高阶动态系统,可以处理含有时滞的系统(这对半 导体过程控制尤其重要,因为实时测量数据无法得 到时滞总是存在),可以方便地处理输入,输出约束. 目前基于MPC的Run-to-Run控制方法还局限 于线性模型预测控制(1inearmodelpredictivecontrol, LMPCfl.LMPC采用线性状态空间模型和二次型目 标函数,需要注意的是时间序列志表示批次. +1=Axk+Bu,(9) = Cx,(10) J一吨n?(毛抖+uL,Ru+ AnT ,S?"抖,),(11) U.,一Eu,U+1,…,U+N一1].(12) 式中:A,B和C为系统的常系数矩阵,Q,S为对称 半正定加权矩阵,R为对称正定加权矩阵,Uv通过 目标函数求得,N为预测时域.输入,输出满足线性 约束. 为了描述过程的随机特性并补偿模型的截断误 差,设计了用于状态估计的观测器,基于LMPC的 Runto—Run控制器表述为 Lpk+]一f_L,0II+L0I,1JLp(13) I-C0]r] 一lo西J'4 式(13),(14)是式(9),(10)的增广向量形式.式中: 为状态向量与观测值的偏差,表征原始模 型的截断误差.令…西分别表示,P的提 前,步估计,则增广的滤波方程表示为 [X… k+llk ^ ]一[A.][:]+[]Uk0I+[三]?…,一l儿一J十loJ十lLJ' (一Cj一1一P{一1).(15) 式中:L为观测器增益,一般可以通过试差法得到. 事实上,Run—to—Run控制器与MPC非常相似, Run—to—Run控制可以看作一种结合SPC和反馈控 制的模型预测控制,借鉴了MPC中的预测模型,滚 动优化,反馈校正等思想,因而基于MPC的Run- to—Run控制可以提供更好的控制品质.Bode等人 指出基于LMPC的Run—to—Run控制可以有效地减 少测试晶圆数目和缩短设备的维护时间,实施制程 方案的自动更新,最大限度地提高产量. 3.4OAQC 上述EWMA控制器,PCC都只适用于线性过 程,对于非线性过程,OAQC具有更好的性能[9. OAQC的结构如图5所示,它主要包含递归最/1~_2 乘(recursiveleastsquare,RLS)估计器和非线性约 束优化器2部分. 腼 RLS 估计器 I ——L 非线性 优化器 一… 图50AQC结构 Fig.5StructureofOAQC 垫倭 束 第8期王树青,等:半导体生产过程的Run—to—Run控制技术综述 OAQC的基本思想是提供非线性回归模型 (Hammerstein模型)的在线估计.过程用一个二阶 模型来估计: 一 +T+三.(16) 式中:为p×[2q+q(q一1)/2]的参数矩阵,z— In,比,甜M](i<j)为2qq-q(q--1)/2维的向量, 』(=f为×d的参数矩阵,为d维的时间序列,三为 维的扰动时间序列.在半导体生产的各个批次之 间,参数,和三都可以通过RLS估计器自动 整定. OAQC本质上是基于最小二乘估计(1east squareestimation,LSE)的方法.与EWMA控制 器,PCC相比,基于LSE的Run—to—Run控制器具有 更强的跟踪性能.LSE方法还包括基于Kalman滤 波的方法["].此外Wang等人[1提出了基于RLS 的Run—to—Run控制和时滞补偿算法. 上述4类Run—to—Run控制算法的适用对象和 算法复杂度的比较如表1所示. 表1Run—t~Run控制器的比较 Tab.1EvaluatesofRun—to_Runcontrollers 除了上述几种主要的控制算法,还有其他一些 Run-to-Run控制算法,如Set-valued控制器,基于 神经网络的Run—to-Run控制器?,基于内模控制的 Run-to-Run控制器,KIRC(know1edge—basedinter— activeRun-to-Runcontroller)E等. 4Run—tO—Run控制器的应用现状 Run—to—Run控制在问歇生产过程中有着广阔 的应用前景,目前主要在半导体生产过程中实施.半 导体生产是由一系列间歇,半间歇的单元操作组成 的,其核心单元操作包括CVD,化学机械抛光 (chemicalmechanicalpolishing,CMP),平版印刷 (1ithography),刻蚀(etch),快速热处理(rapidther— malprocessing,RTP)等. 在CMP过程中,晶圆正面向下压在铺有一层 抛光垫的抛光台上进行打磨,同时辅以抛光液,通过 化学反应和机械抛光双重作用去除晶圆上凸出的沉 积层.CMP过程最重要的2个质量指标是抛光速率 (removalrate)和平整度(nonuniformity),而这2个 参数只能通过离线测量得到.另一方面,由于CMP 涉及复杂的化学反应和机械抛光,无法建立精确的 机理模型,同时随着时间的变化,该单元操作的一些 重要参数如抛光垫的剩余厚度,抛光液内研磨微粒 的分布都会发生变化,在开环控制下抛光速度与均 匀性将会渐渐发散.Boning等人[1将EWMA控制 器用于单晶圆的CMP过程,利用线性化后的模型, 有效补偿了过程漂移并实现了制程方案的自动更 新.Edgar等人[1在超微公司(AMD)的晶圆制造厂 将基于MPC的Run—to—Run控制方法用于CMP过 程,在降低成本的同时实现了产量最大化.针对 CMP过程无法精确建模的特性,Zhang等人[】提 出了一种新的基于DHOBE(Dasgupta—Huangopti— malboundedellipsoid)的Run—to—Run控制器并将 该方法与EWMA和OAQC方法进行比较,指出在 某些情况下该方法有更好的效果.Castillo等人[9针 对线性和非线性的CMP过程,采用OAQC,实现了 多输人多输出过程的优化控制. 刻蚀是半导体生产的另一道重要工序.刻蚀工 艺涉及复杂的化学及物理过程,并且具有时间漂移 特性.随着半导体器件特征尺寸的缩小,对刻蚀过程 实施更加精确的控制变得越来越重要.多晶硅栅极 刻蚀过程非常重要,但是设备老化带来了频繁的过 程缓变漂移.Butler等人[2..采用PCC,实现了监督 控制,可以及时更新制程方案,消除设备老化的影 响.Moyne等人[2妇针对等离子刻蚀,利用模糊逻辑 提出了一种自适应多分支的Run—to—Run控制算 法,有效地补偿了过程的突变和缓变漂移.Chemali 等人[2将Run—to—Run控制与实时控制相结合,利 用KIRC有效地减小了反映等离子刻蚀过程的刻蚀 深度的偏差.在多晶硅栅极刻蚀过程中,过程漂移会 使目标跟踪存在滞后.Bulter等人[7指出只要合理 地选择PCC的w,w,可以实现对滞后完全补偿. 平版印刷在半导体生产过程中起到关键作用. 平版印刷时的关键尺寸(criticaldimension,CD)直 接决定了半导体器件的技术水平.Bode等人l_8设计 了基于LMPC的Run—to—Run控制器来监控平版印 刷时层叠(overlap)的性能,该技术大大降低了 AMD的多家晶圆制造厂的生产成本.Chemali等 人l_2设计了3个不同的Run—to—Run控制器来监控 平版印刷过程中包括CD在内的多个参数,提高了 产品的成品率. 此外,Run—to—Run控制在半导体生产的应用还 包括:将基于EWMA的Run—to—Run控制器应用于 l398浙江大学(工学版)第42卷 德州仪器晶圆生产的CVD过程,实现了对沉积厚 度的优化控制.;将基于内模控制的Run—to—Run 控制器应用于半导体生产的CVD过程,使转化速 率提高了近5O. 5Run—to—Run控制的发展方向及 应用领域的拓展 受半导体技术水平的驱动,Run—to—Run控制技 术已经成为半导体企业利润增长的主要源泉.目前 在美国,日本,韩国和台湾等半导体产业发达的地 区,Run-to—Run控制得到了学术界和产业界的广泛 认同.目前国内的半导体生产厂越来越多,大陆地区 已经成为全球范围内重要的半导体生产中心,而国 内关于半导体生产过程控制的研究还处在起步阶 段,这与中国作为半导体生产中心的地位是不相符 的.中国在半导体行业的竞争力不能只是依靠廉价 的成本,也需要掌握这方面的核心技术.本文分析了 Run-to-Run控制的产生背景,结构,对各种控制算法 进行了分类和比较,并介绍了Run-to-Run控制在半 导体生产实践中的应用,希望引起国内学者的关注. 另一方面,希望通过分析更为一般的间歇过程特点, 探讨Run-to-Run控制在一般间歇过程中的应用. 针对半导体工业未来的机遇和挑战,Run-to— Run控制潜在的研究方向包括:1)实时传感器的研 究.环境参数的实时检测能够更好地预测质量指标 的变化,实时传感器技术的进步将提高Run-to—Run 控制器的性能.目前有较多关于软测量技术的研究, 基于软测量技术的实时传感器研究将占有一席之 地.2)Run—to-Run控制算法的改进.Run-to-Run控 制是间歇生产过程特有的控制方法,它在批次之问 是优化控制器,在批次内是实时控制器,目前大多数 控制器只适用于线性和轻微非线性过程,对强非线 性过程无能为力.可以预见,针对各种非线性对象的 Run—to—Run控制器是未来的研究热点.3)基于 Run—to—Run控制和统计过程监控的厂级先进控制. 目前的Run—to—Run控制还局限于单道工序,随着 系统集成理论和技术的发展,工序之间甚至整个生 产过程的监控,优化和控制是未来的发展方向. 参考文献(References): [1]CAMPBELLWJ,FIRTHSK,TPPRACAJ,eta1.A comparisonofrun—to—runcontrolalgorithm[c]//Pro? ceedingsofAmericanControlConference.Anchorage: IEEE,2002:2I5O一2i55. 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