原子層沉積系統(tǒng)設計及其溫度的模型預測控制研究.pdf

1、原子層沉積(ALD)是一種納米薄膜制備工藝技術，通過自限制性的前驅(qū)體交替飽和反應來獲得厚度可控、均勻一致的薄膜，其可作為電子器件中的隔水隔氧層、晶體管柵極電介質(zhì)層和太陽能電池的表面鈍化層等，故而ALD技術廣泛應用于微電子、太陽能電池、柔性電子等領域。溫度是影響薄膜沉積質(zhì)量和效率最重要的因素之一，而現(xiàn)有的常規(guī)控制方法在面對外界干擾條件下，溫度穩(wěn)定性較差，穩(wěn)定調(diào)整時間較長，溫度波動過大，最終直接影響沉積薄膜的微觀表面形貌。而模型預測控制(M

2、PC)能夠在外界干擾下通過滾動優(yōu)化和輸出校正改善系統(tǒng)暫態(tài)性能，具有處理時滯、約束的能力和對數(shù)學模型要求低等特性，其在自動控制領域和溫度控制領域得到很多成功的應用。
　　本文以模型預測控制算法作為理論基礎，以時間隔離原子層沉積系統(tǒng)及空間隔離原子層沉積系統(tǒng)為研究對象，以控制兩種不同原子層沉積體系的反應溫度為目標，以提高薄膜沉積效率及沉積優(yōu)良納米薄膜質(zhì)量為最終目的。主要研究內(nèi)容如下：
　　建立基于輻射加熱T–ALD系統(tǒng)的傳遞函數(shù)式

3、MPC模型，并引入干擾項和約束處理優(yōu)化CARIMA模型來滿足更為精確的模型需求和實踐應用。此外建立基于常壓連續(xù)運動S–ALD系統(tǒng)的狀態(tài)空間式MPC模型，引入Kalman濾波器進行狀態(tài)觀察和預估，以此求解最優(yōu)控制量。
　　研制傳導加熱原子層沉積系統(tǒng)，并提出將光譜橢圓偏振儀集成于該系統(tǒng)中，由在線原位測量薄膜厚度來揭示不同類型的薄膜生長規(guī)律；由此基礎上改進設計輻射加熱T–ALD薄膜制備裝置。提出基于MPC算法的T–ALD閉環(huán)溫度控制方法

4、，揭示氣流干擾、前驅(qū)體脈沖干擾和樣品裝卸載干擾條件下，基于MPC溫度控制系統(tǒng)具有良好穩(wěn)定性和魯棒性的規(guī)律。對比常規(guī)PID控制和開環(huán)控制，基于MPC溫度控制系統(tǒng)在樣品裝卸載干擾時溫度穩(wěn)定調(diào)整時間分別縮短5.8分鐘和8分鐘，就薄膜沉積工藝效率來說，分別提高25％和35%；而在沉積薄膜表面形貌上，基于MPC溫度系統(tǒng)下的薄膜均勻一致性分別提高59%和63%。
　　提出采用模塊化噴頭結(jié)構方法來研制常壓S–ALD薄膜制備裝置，并以此來闡明噴頭

5、尺寸參數(shù)、微間隙帶氣流、前驅(qū)體分布等對原子層沉積工藝的影響。提出基于MPC算法的S–ALD閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)方法，揭示氣流階躍干擾、襯底運動干擾條件下，基于MPC控制系統(tǒng)的溫度響應規(guī)律。對比常規(guī)PID控制，基于MPC溫度控制系統(tǒng)在沉積二元化合物薄膜時，在兩種不同的襯底運動方式下，溫度波動分別降低20%和14%，并且薄膜表面微觀形貌提高30%；而在沉積層疊狀薄膜時，在襯底來回切換時，溫度穩(wěn)定調(diào)整時間分別節(jié)約67%和65%，進而提高了層疊狀薄

6、膜制備效率。
　　利用S–ALD系統(tǒng)來制備層疊狀ZnO/TiO2薄膜，闡明層疊狀薄膜中ZnO的XRD峰值在相同薄膜厚度條件下，隨子層數(shù)量的增加而逐漸下降的現(xiàn)象，揭示出由ZnO/TiO2子層數(shù)量決定的微結(jié)構可以改變薄膜整體的透光性和折射率的規(guī)律。
　　本文研制真空時間隔離和常壓空間隔離原子層沉積系統(tǒng)，并基于模型預測控制算法來實現(xiàn)ALD裝置的溫度控制，后續(xù)將著重研究更加高效大規(guī)模的S–ALD系統(tǒng)和面向柔性電子領域的卷到卷ALD系