化学-声学-热三场耦合的刻蚀均匀性自适应控制方法与流程

本发明属于湿法刻蚀，尤其涉及一种化学-声学-热三场耦合的刻蚀均匀性自适应控制方法。

背景技术：

1、湿法刻蚀是光学元件加工、半导体制造领域的核心工艺之一，通过刻蚀液与工件表面的化学反应实现材料的定量去除，配合兆声辅助可进一步优化刻蚀效果，广泛应用于高精度光学表面修形、半导体晶圆光刻后刻蚀、微结构加工等场景。随着高端光学系统、先进半导体制程的快速发展，对湿法刻蚀的均匀性、精度、批次一致性、运行稳定性提出了越来越严苛的要求，尤其是大口径光学元件、大尺寸晶圆的刻蚀，需将刻蚀5μm波前pv劣化量控制在≤30nm以内。现有湿法刻蚀控制技术存在以下核心缺陷：

2、1、大多采用单一化学场控制模式，或单场、两场独立控制模式，无法实现多参数的联动协同调节；出现化学场参数调整后，声场、热场未同步适配，导致刻蚀速率波动更大；同时现有方案刻蚀过程中无实时反馈与动态调整，无法应对刻蚀液浓度衰减带来的刻蚀速率偏差。

3、2、现有刻蚀设备的传感监测维度单一，无法实现三场参数毫秒级采集、调节精度不足；恒温系统冷无法有效对冲兆声换能器放热与刻蚀反应放热，导致刻蚀液温度波动大；兆声驱动系统频率跟踪精度不足，无法实时适配负载变化。

4、因此，研发一种能够实现化学-声学-热三场联动协同、全闭环自适应调节，多维度传感监测的刻蚀控制方法，解决现有技术的均匀性差、一致性低、精度不足、运行稳定性弱的问题，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种化学-声学-热三场耦合的刻蚀均匀性自适应控制方法，实现了三场参数的联动协同控制，替代传统的单场、两场独立调节模式。采用的技术方案为：

2、一种化学-声学-热三场耦合的刻蚀均匀性自适应控制方法，包括：

3、s1、模型构建：构建以化学场参数、声学场参数、热场参数为输入，以各分区的刻蚀速率为输出的刻蚀速率关联模型。

4、建立化学-声学-热三场耦合的刻蚀速率关联模型，根据工件的目标刻蚀要求，预设刻蚀全过程的目刻蚀标刻蚀参数、均匀性阈值；根据刻蚀目标调整兆声系统的频率、功率、匹配参数，以及驱动控制系统（是指控制参数调节的控制器，如：兆声发生器的调节精度控制）的pid控制增益；

5、步骤s1中：

6、化学-声学-热三场耦合的刻蚀速率关联模型，具体为：

7、以刻蚀液成分与浓度、刻蚀液ph值、刻蚀液循环流量为核心的化学场参数；

8、以兆声频率、兆声功率密度、扫频范围、分区声压、换能器阻抗为核心的声学场参数；

9、以刻蚀液整体温度、分区控温精度为核心的热场参数；

10、三者与刻蚀速率的量化关联模型；

11、通过comsol等多物理场仿真软件仿真模型进行数据拟合。

12、步骤s1中：

13、目标刻蚀参数包括目标刻蚀深度、目标刻蚀速率、刻蚀均匀性偏差（刻蚀均匀性控制：元件需要刻蚀5μm深度下保持高精度的波前指标基本不变（波前pv劣化量≤30nm），需要对刻蚀过程中的刻蚀速率空间均匀性进行严格控制）、工件表面粗糙度上限；所述刻蚀均匀性阈值要求刻蚀5μm波前pv劣化量≤30nm。

14、s2、参数预设与刻蚀启动：根据工件的目标刻蚀要求，设定目标刻蚀速率、目标刻蚀深度，并启动刻蚀流程。

15、在刻蚀槽内完成刻蚀液配置，按照预设的初始参数启动刻蚀流程，建立多传感阵列（在刻蚀槽内不同分区放置不同的检测传感器来形成传感器阵列）反馈的稳定化学场、声学场与热场环境。

16、步骤s2中：

17、刻蚀槽的尺寸为980mm×1000mm×250mm；

18、化学场中的刻蚀根据刻蚀元件进行成分选择，比如氢氟酸刻蚀液等，浓度1:8进行配比，ph值为2-7；

19、声学场中，兆声频率为≥0.90mhz，功率密度为≥6w/cm2，扫频范围±2khz，采用分区阵列式兆声换能器阵列，单区可独立调节功率；

20、热场中，刻蚀液整体温度在20-50℃，控温精度为±0.5℃，

21、刻蚀槽内设置分区加热与冷却单元，单区可独立调节温度，同时采用冷却管控制兆声换能器（利用冷却管对兆声换能器进行散热降温）散热，减少兆声频率的波动影响。

22、s3、数据采集与速率输出：

23、通过分属于化学场、声学场、热场的多类传感器实时采集刻蚀过程中的状态数据，所述状态数据包括化学场、声学场、热场的特征参数；

24、将采集到的特征参数输入所述刻蚀速率关联模型，输出当前的各分区的刻蚀速率，记作各局部刻蚀速率；

25、即通过多维度高精度传感器，实时采集刻蚀全流程的状态数据，将实时刻蚀数据与目标刻蚀参数（目标标刻蚀速率）对比，计算得到刻蚀均匀性的全局刻蚀速率偏差与局部刻蚀速率偏差（通过传感器同时计算全局刻蚀速率和局部刻蚀速率来反馈矫正刻蚀参数）；

26、数据采集模块通过modbus-tcp/ip 和opc ua协议实现分系统间的实时通信，采样频率最高达1ms，采集数据支持csv格式存储及pdf报告导出；

27、多维度高精度传感器包括温度传感器、流量计、ph值表、浓度计。

28、采集的实时状态数据包括：

29、工件刻蚀区域的刻蚀液实时温度、浓度、ph值、流量，兆声系统的实时频率、功率、声场强度与声场均匀性分布数据（通过音压计记录声场强度和刻蚀槽内不同区域的声压分布）；

30、获取的三个物理场的数据，用于刻蚀速率偏差的计算与修正。

31、步骤s3中：

32、plc通过内部总线和配套模块采集兆声波发生器输出的0-10v电压信号，采集流量计、ph值表、液体浓度计，以及刻蚀液与冷却液的温度数据；采集的数据同步传输至plc主控单元中的数据分析模块进行分析处理。

33、步骤s4、偏差计算与闭环调节：

34、根据各局部刻蚀速率，对各局部刻蚀速率取算术平均值，得到全局刻蚀速率；将全局刻蚀速率与目标刻蚀速率比较，得到全局刻蚀速率偏差；

35、将各局部刻蚀速率与全局刻蚀速率逐区域比较，得到各局部刻蚀速率偏差；

36、根据上述偏差的符号及大小，由所述刻蚀速率关联模型输出化学场、声学场、热场的调节量；plc主控单元依据该调节量分别调节化学场的特征参数、声学场的特征参数、热场的特征参数。

37、通过化学场的刻蚀液浓度、流量、ph值调控元件刻蚀速率；

38、通过声场的兆声频率、功率密度、扫频范围他调控界面刻蚀均匀性；

39、优化声场和化学浓度梯度分布均匀性；通过热场的温度调控修正局部刻蚀速率偏差，实现刻蚀均匀性的三场耦合自适应控制。

40、（1）当化学场刻蚀速率（利用刻蚀液刻蚀元件的刻蚀速率）与目标刻蚀速率的偏差超过阈值时，plc通过变频器调节循环泵输出流量，于此同时通过反馈的浓度与ph值参数调节刻蚀液浓度与ph值，修正刻蚀速率至目标范围；

41、循环过滤采用0.55kw过滤泵，依据传感器信号自动调节0-50l/min范围内的流量，流速稳定控制在1.5-2m/s，减少颗粒沉积；大流量循环泵，驱动酸液高速流过工件表面，消除局部浓度差异；

42、流体接口（循环泵流入刻蚀槽的入口）整合温度、压力、液位传感器接入plc，实现阀门开度的精准控制；plc通过流量计的实时读取值判断循环滤芯堵塞状态并触发更换提醒。

43、（2）当刻蚀液出现颗粒浓度升高时，提升循环流速，减少颗粒沉积，同步触发过滤泵的滤芯状态监测；

44、（3）当全局各子区域的刻蚀速率普遍出现波动、整体传质不均时，调节兆声的整体功率密度与扫频范围，通过空化效应匀化刻蚀界面的扩散边界层，提升全局传质均匀性，通过pid控制保障功率输出的稳定性；

45、（4）当单个或多个子区域出现局部刻蚀速率偏差时，对应调节该子区域的分区温度与兆声功率，刻蚀速率偏低的区域，小幅提升该区域的温度（温度调节步长0.5℃）与兆声功率，提升局部刻蚀速率；刻蚀速率偏高的区域，小幅降低该区域的温度与兆声功率，降低局部刻蚀速率，直至该区域的刻蚀速率偏差回落120nm以内；

46、（5）当刻蚀区域内出现声场强度分布不均匀，整体刻蚀速率波动时，plc调节兆声发生器的整体频率、功率密度与扫频范围，通过空化效应提升刻蚀均匀性。

47、兆声驱动系统通过并口通信实现兆声发生器与plc的通信交互控制，

48、pid主控单元控制兆声支持阶梯提升功率，避免突变引发振荡。

49、刻蚀过程中，高精度温控探头实时监测刻蚀液温度，当温度因兆声放热与反应放热超过阈值时，plc主控单元自动触发冷却回路（冷却装置），通过板式热交换器快速导出热量，使温度回落，避免温度波动导致的刻蚀速率失控。

50、s5、刻蚀过程实时监测刻蚀参数变化状态，参数异常进行自动化控制补偿；重复执行步骤s3-s4，直至工件的刻蚀参数达到目标要求，终止刻蚀流程。

51、步骤s5中：

52、实时通过兆声波输出的功率值和输入的期望值进行比较，监测兆声波的状态反馈，判定兆声波的工作状态和报警状态；

53、实时监测刻蚀液浓度、温度，参数超限时触发多级声光报警。

54、一种化学-声学-热三场耦合刻系统，包括plc主控单元、化学场、声学场、热场、多维度传感采集模块；

55、进一步地，所述plc主控单元分别与化学场、声学场、热场的多维度传感采集模块连接，用于执行全流程的控制与联动调节；

56、所述化学场包括依次连接的刻蚀槽、循环泵、过滤泵、调节阀、流量计，以及ph计和浓度计；

57、所述流量计用于测量循环流量，所述ph计用于检测刻蚀液的ph值，所述浓度计用于检测刻蚀液的浓度，三者均将检测信号上传至plc主控单元；plc主控单元通过一个独立的变频器调节循环泵的转速。

58、所述声学场包括兆声发生器、各区分的兆声换能器、阻抗分析仪、各分区的音压计；

59、其中，plc主控单元与兆声发生器连接以设定其输出频率、功率及扫频范围，从而调节所述兆声频率、功率密度和扫频范围；

60、兆声发生器通过多路同轴电缆分别连接至每一个分区的换能器，以驱动换能器产生兆声波；

61、所述阻抗分析仪并联连接于换能器两端，用于测量换能器在工作状态下的阻抗特性，并将测得的阻抗值上传至plc主控单元；

62、布置于刻蚀槽内各分区的音压计将各分区声压值上传至plc主控单元，以获取所述分区声压。

63、所述热场包括各分区内的温度传感器（温度传感器阵列）、各分区内的加热器、冷却盘管、热交换器、恒温冷水机；

64、其中，布置于各分区的温度传感器将温度信号上传至plc主控单元，以获取所述刻蚀液整体温度和各分区温度；

65、plc主控单元通过数字量输出端口控制各分区加热器的开关及冷却盘管进口电磁阀的通断，以实现所述分区控温精度；

66、plc主控单元通过modbus总线与恒温冷水机通信以控制其启停及出水温度设定，以维持刻蚀液整体温度稳定。

67、所述多维度传感采集模块用于刻蚀全流程的状态数据采集。

68、与现有技术相比，本发明的优点为：

69、1、本发明通过建立的三场参数的联动协同控制模型，替代传统的单场、两场独立调节模式；通过化学场定全局速率、声学场匀传质、热场修局部偏差的协同逻辑，可将大尺寸工件的刻蚀5μm波前pv劣化量控制在≤30nm以内。

70、2、本发明通过三场协同调节，可在保证刻蚀均匀性的前提下，降低刻蚀液的浓度波动与高温波动，同时避免兆声高功率长时间作用导致的工件表面损伤，在提升刻蚀精度的同时，可将工件表面粗糙度rq劣化量（刻蚀前后表面均方根粗糙度的差值）控制在≤0.2nm，单件刻蚀时间≤8h。