一种半导体化学品在线稀释配液控制方法及控制系统与流程

本发明涉及半导体，具体为一种半导体化学品在线稀释配液控制方法及控制系统。

背景技术：

1、在 12 英寸先进半导体制程的湿法清洗、刻蚀工序中，需要大量高精度、高稳定性工艺化学品，典型包括氢氟酸、四甲基氢氧化铵、氨水、磷酸等。药液浓度的微小波动将直接影响晶圆刻蚀速率、清洗均匀性，最终决定晶圆良率。先进半导体制程对配液浓度控制精度、供液连续性、设备安全联锁机制、故障溯源定位能力提出了极为严苛的技术要求。目前行业普遍采用高浓度化学品原液搭配纯水，在 fab 厂现场完成在线稀释配比制备目标工艺药液。

2、然而，在使用现有工艺进行在线稀释时存在以下问题：

3、1、传统 pid 控制为事后反馈模式，固有滞后性，易出现超调与震荡；通用自抗扰算法未结合配液工艺特性深度改造，无法适配管网压力波动、泵体老化、管路结垢等多源叠加扰动，现有设备浓度控制精度仅达 ±0.003%，无法满足先进制程 ±0.001% 的超高精度要求。

4、2、现有称重式配液设备采用原液、纯水串行分步投料模式，需全部投料完成后再混合检测，配液周期长；为预留投料、混合、补料修正余量，稀释罐需预留超大容积冗余，设备体积大、昂贵 pfa 防腐罐体耗材成本高；同时称重传感器易受车间振动、温度漂移干扰，投料过程无法实时监测浓度、无法实现实时闭环纠偏。

5、3、现有设备循环混合时间为固定参数，与每批次实际液位高度、化学品粘度、药液温度无关联，无法根据实时配液工况自适应动态调整，低液位高粘度工况易出现药液混合不充分问题，高液位低粘度工况存在无效长循环、能耗浪费、配液节拍拖沓的缺陷。同时，现有通用配液设备在切换不同化学品种类时，缺乏自动清洗程序和残留检测确认机制，管路死角和循环回路中的残留药液可能与新批次化学品发生交叉污染，影响药液纯度和配比精度，尤其对氢氟酸、磷酸等对杂质敏感的工艺化学品，微量交叉污染即可导致晶圆良率下降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供半导体化学品在线稀释配液控制方法，以解决背景技术中的问题。

2、本发明的第一方面提供一种半导体化学品在线稀释配液控制方法，包括：

3、s1、配方适配与前置联锁：选定目标化学品配方，加载与该配方绑定的全套工艺控制参数；校验原液存储液位与稀释罐液位的前置联锁条件，全部满足后启动配液流程；

4、s2、同步并流投料混匀：同步开启原液计量单元与纯水进水单元，实现原液与纯水同步并流投料，同时启动循环混匀回路；

5、s3、实时采样与温度校正：实时采集药液的原始电导率与温度数据，经温度校正得到对应浓度值；

6、s4、自抗扰复合闭环控制：采用由扩张状态观测器、前馈预判控制器与增量 pid控制器构成的复合控制架构，动态调节原液计量单元的输出流量，实现浓度高精度闭环调控；

7、其中，扩张状态观测器输出的总扰动估计值，与在线计算得到的泵体衰减量、管路流阻变化量交叉验证，动态修正控制增益；

8、所述前馈预判控制器的预判系数随配液工艺时序自适应切换，匹配不同阶段的控制需求；

9、所述扩张状态观测器的观测器增益参数、前馈预判控制器的预判系数由当前化学品配方自动匹配下发，适配不同化学品的介质特性；

10、s5、浓度校验与转料联锁：配液完成后进行浓度终检，浓度校验合格且稀释罐液位达标时，解除转料锁止并输出合格药液；浓度不合格则永久锁止转料回路。

11、在一种可能的实施方式中，所述扩张状态观测器输出的总扰动估计值，与在线计算得到的泵体衰减量、管路流阻变化量交叉验证，动态修正控制增益，包括：

12、采集当前批次的 pid控制器的输出数据、泵冲程数据、纯水累计流量数据及最终校正浓度数据；

13、通过物料衡算关系反向推演计量泵的实际输出系数；

14、将实际输出系数与出厂标定参数对比，计算得到泵体衰减量与管路流阻变化量；

15、根据泵体衰减量按比例动态修正扩张状态观测器的控制增益，使扰动补偿量匹配设备当前性能状态。

16、在一种可能的实施方式中，所述前馈预判控制器随工艺时序自适应切换预判系数，包括：

17、实时计算浓度偏差的一阶变化率与二阶变化率，其中一阶变化率满足e'(k)=e(k)-e(k-1)，二阶变化率满足e''(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2），e(k）为第k采样时刻目标浓度与校正后浓度的偏差；

18、当浓度偏差大于预设浓差阈值时，采用第一预判系数加快浓度趋近速度；

19、当浓度偏差小于或者等于浓差阈值时，采用第二预判系数抑制超调；

20、在转料前浓度校验阶段，采用零预判系数避免误调节。

21、在一种可能的实施方式中，所述扩张状态观测器的观测器增益参数、前馈预判控制器的预判系数由当前化学品配方自动匹配下发，适配不同化学品的介质特性，包括：

22、预存多套化学品配方各自对应的被控对象带宽；

23、根据当前选定的化学品配方，调取对应的被控对象带宽，按照如下关系计算得到适配该化学品的观测器增益参数：

24、β01=2ωc,β02=ωc2

25、式中，ωc，为被控对象带宽，β01、β02为观测器增益参数；

26、将计算得到的观测器增益参数与对应的预判系数同步下发至扩张状态观测器与前馈预判控制器。

27、在一种可能的实施方式中，所述步骤s3，包括：

28、预存与各化学品配方绑定的标定数据表；

29、根据实时采集的药液温度与原始电导率，通过双线性插值运算得到标准温度下的校正后浓度值；

30、当标定数据表数据异常或插值结果超出预设范围时，自动降级为线性温度补偿模式，并触发预警。

31、在一种可能的实施方式中，所述步骤s3还包括多传感器可信度融合过程，具体包括：

32、实时计算主、备两路传感器校正后浓度的差值，与设定差值阈值比较以进行数据一致性校验；

33、根据传感器数据稳定性、历史漂移量、自校验一致性、累计工作时长多维度指标，实时计算各传感器的可信度权重；

34、根据两路传感器的可信度权重进行加权融合，输出最终浓度值；

35、当单路传感器可信度权重低于设定权重阈值时，自动将其权重置零，切换为单传感器运行模式并触发预警。

36、在一种可能的实施方式中，所述步骤s4之后还包括：

37、当配液浓度经增量 pid 控制器调节稳定收敛后，触发自校验流程；

38、调取本批次原液累计投料量与纯水累计投料量，通过物料衡算关系计算得到理论浓度值；

39、将理论浓度值与传感器实测校正浓度值比对，计算传感器的零点漂移量与量程漂移量；

40、当漂移量小于告警阈值内时，进行漂移补偿，否则输出超限告警。

41、在一种可能的实施方式中，所述步骤s2包括：

42、实时采集当前批次的液位高度、药液粘度与介质温度；

43、根据采集的液位高度、药液粘度与介质温度，动态计算本批次的最优循环混合时长。

44、本发明的第二方面提供半导体化学品在线稀释配液控制系统，包括：

45、原液存储单元、稀释罐单元、投加计量单元、纯水进水单元、循环检测单元、转料输送单元以及 plc 控制单元；

46、所述 plc 控制单元集成有同步并流投料控制模块、多化学品配方适配模块、温度动态补偿模块、自抗扰复合控制模块及转料联锁控制模块；

47、所述多化学品配方适配模块用于存储并下发不同化学品配方对应的全套工艺控制参数；

48、所述同步并流投料控制模块用于同步启动投加计量单元与纯水进水单元，实现原液与纯水同步并流投入稀释罐单元，同时启动循环检测单元的循环混匀回路；

49、所述温度动态补偿模块用于接收循环检测单元采集的药液原始电导率与温度数据，经温度校正输出校正后浓度值；

50、所述自抗扰复合控制模块内置由扩张状态观测器、前馈预判控制器与增量 pid控制器构成的复合控制架构，用于动态调节投加计量单元的输出流量；所述复合控制架构针对半导体配液场景特有的多源扰动设置三层工艺深度耦合结构：

51、第一层为扰动估计与设备性能耦合结构，用于将扩张状态观测器输出的总扰动估计值与在线计算得到的泵体衰减量、管路流阻变化量交叉验证，动态修正控制增益；

52、第二层为前馈预判与工艺时序耦合结构，用于使前馈预判控制器的预判系数随投料初期、收敛阶段、浓度校验阶段的配液工艺时序自适应切换；

53、第三层为控制参数与化学品配方耦合结构，用于使扩张状态观测器的观测器增益参数、前馈预判控制器的预判系数由当前化学品配方自动匹配下发；

54、所述转料联锁控制模块被配置为：配液完成且浓度校验合格、稀释罐单元液位达标时，解除转料输送单元的转料锁止；浓度不合格时永久锁止转料输送回路。

55、在一种可能的实施方式中，所述循环检测单元输出的温度、浓度原始检测数据，同源同步分发至温度动态补偿模块、自抗扰复合控制模块及传感器在线自校验模块，分别用于浓度校正、扰动观测及漂移识别，保证各模块输入数据的时序一致性与介质一致性；

56、所述自抗扰复合控制模块输出的系统总扰动估计值，一路前向生成扰动补偿量，用于调节投加计量单元的输出流量；另一路反向输出至泵管路性能在线评估补偿模块，与采集得到的纯水流量、泵冲程实测数据进行交叉校验，分离辨识快变管网压力扰动与慢变设备劣化扰动；

57、所述泵管路性能在线评估补偿模块输出的设备性能衰减表征参数反馈输入至自抗扰复合控制模块，动态修正扩张状态观测器的内部控制增益，实现控制模型参数随设备实际运行状态的自适应更新；

58、所述多化学品配方适配模块输出的配方配置参数并行下发至自抗扰复合控制模块、温度动态补偿模块及异常工况分级处置模块，使观测器增益参数、浓度插值参数、故障判定阈值随目标化学品配方同步适配切换。

59、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

60、1、采用扩张状态观测器、前馈预判与增量 pid 结合的复合控制架构，通过扰动估计与设备性能耦合、前馈预判与工艺时序耦合、控制参数与化学品配方耦合的三层工艺深度耦合，有效抑制多源扰动影响，满足先进半导体制程的超高精度配液需求。

61、2、采用原液与纯水同步并流投料模式替代传统串行分步投料工艺，同步启动循环混匀与浓度实时闭环调控，实现投料、混匀、浓度纠偏并行作业；同时根据批次液位高度、药液粘度与介质温度动态计算最优混合时长，适配不同工况下的混匀需求。

62、3、通过动态适配的循环混合时长，解决了传统固定参数导致的高粘度工况混合不充分、低负荷工况无效能耗与配液节拍拖沓的问题；通过化学品切换时自动多级清洗、残留浓度检测确认的闭环防控机制，不同化学品种类切换时执行完整循环清洗与残留校验，同化学品不同浓度切换时执行快速冲洗优化，从根源消除管路残留带来的交叉污染风险，保障药液纯度与配比精度，适配多品类腐蚀化学品轮换生产的场景需求。