用于微电子学器件生产的逐次运行控制器

                        发明背景

1)发明的领域

本发明的领域涉及微电子线路生产，更具体而言，涉及控制微电子线路生产加工的方法和器械。

2)背景

微电子线路和/或元件，例如由半导体晶片制成的线路/或元件的质量，直接依赖于其生产中的加工一致性。更具体而言，这种线路和/或元件的生产要求可重现性的刻蚀、沉积、扩散和清洁加工。不能把加工持续控制在定义的制造公差以内将导致生产设施的减产及效益的降低。

一个典型的情况是，制造加工呈现缓慢的漂移，这种漂移使得产品的性质从一批到另一批有所改变。这些效应常常是由于一个或多个加工工具在不同批产品的加工时间内操作的微量变动引起的。此外，在大规模操作中，为了加工并行批量的产品，多个同类型的加工工具可能都执行同样的加工操作。通常采用同一个加工工作程序(processing recipe)同时控制多个类似加工工具的操作。然而，和其它一些类似加工工具加工的产品相比，一个具体工具加工时对工作程序参数的响应方式，使较小的变动可以剧烈地影响最终产品的性能。

传统上，这个问题一直由操作人员采用统计加工控制(SPC)概念人为处理。更具体而言，操作人员对个别工具执行加工工作程序生产出的产品进行监督，并纠正下一轮产品的工作程序。可是在许多情况下，可以列出几百种加工工作程序。这样一来，对加工漂移进行监督并对工作程序进行人工调节可能很费时间，容易产生误差，且准确度差。

在商售的或内部开发的SPC软件包中，一个常见的监视批加工的方法是利用x-bar/s或x-bar/r绘图。在正常情况下，分散的加工数据通常处于自动监控中，由一套规则(例如Western Electric规则)判定该加工是否“在控制范围内”。一个数据点一旦被判定超出控制范围，就需要进行人工调查和调节。为了补偿逐次运行变动造成的加工设备漂移，要进行的这种调节的百分比是大的。遗憾地是，有许多问题都要根据SPC图采用人工调节。一个典型的晶片加工厂可能有2500个在线SPC图。如果用上所有的Western Electric规则，并且如果每天每个图上只加两个新数据点，估计一天平均会有82个虚假报警。由于在这种情况下所报告的错误绝对幅度小，只有那些偏离最显著的加工才被保留。然而在有些情况下，相反的做法却是正确的，过多地注重于一张图，将导致一些数据点的过分调节，这又反过来引起一些加工的“共鸣(ringing)”。于是在各班次加工之间或个别加工中可能引起额外的加工变动，因为它们都试图抵消相互的加工调节，造成问题。

本发明人已经认识到前述问题，并已开发出一个先进的适用于微电子线路生产设施的逐次运行控制器。

                        发明概述

本发明在一方面提供一个先进的用于微电子线路生产的逐次运行控制器。

在一个实施方案中，一个先进的，用于控制制造加工的逐次运行控制器包含一套加工工具，一套在加工工具上进行计量测量的计量工具，和一个管理、控制加工工具的监控站。监控站包含一个接口，用于接收计量工具测量的数据；和一系列可变参数表，每一个可变参数表用于一个加工工具，这些可变参数表集体地关联于制造加工的工作程序。监控站还包含一个或多个内部模式，这些模式使收到的计量数据与一个加工工具的一个或多个变量联系起来，它们还可以修改储存在可变参数表里的变量，采用反馈和/或前馈控制算法来控制加工工具。在某些实施方案中，前馈控制算法可以用于调节闭环反馈控制的加工目标。

在一个优选实施方案中，监控站有一个用户接口，利用这种接口，可以根据该系统实验的或预估的行为交互地选择不同的反馈或前馈模型格式(单一或多个-变量)，而且该监控站还允许用户利用他们自已的模型进行逐次运行控制。

本说明书还叙述了进一步变动、修改和选择的实施方案。

                        附图简述

图1A是执行本发明逐次运行控制器的一个硬件平台的示意框图。

图1B是执行本发明逐次运行控制器的另一个硬件平台的示意框图。

图2是执行本发明逐次运行控制器的软件成分的一个实施方案。

图3和4示出了本发明逐次运行控制器在湿法氧化物沉积加工应用范例中的实行结果。

图5示出了逐次运行控制加工中与各种加工工具相关联的可变参数表(VPTs)的更新框图。

图6是根据本说明书所述的一个优选实施方案的逐次运行控制加工流程方框图。

图7示出了一个优选可变参数表(VPT)的内容。

图8是由另一个视点去阐明图6的逐次运行控制加工的加工流程图。

                     优选实施方案详述

本说明书宣布了一个先进的逐次运行控制器(ARRC)系统，该系统提供一个正式方法的工作程序调节用以补偿逐渐的加工漂移和/或上游加工变动。这种功能有助于大大减少加工维护和调节所需的工程时间。

图1A宣布的是一个加工平台结构的实施方案，能用于公开ARRC系统的实施。在所示实施方案中，该平台结构概括地用20标示，它包含一个生产监控工作站(FSW)25，一个或多个设备监控工作站(ESW)30，一个或多个加工工具35，以及一个或多个计量工具40。

FSW25监视并控制微电子生产设施的全面操作。一个或多个操作员可以监视整个生产设施所用的全部或大部分工具的操作。根据FSW25所监视的操作，操作员可以对各套工具进行控制，并进而指导一套或多套工具在产品生产中所用的加工工作程序。

图1A的45概括地标示出一套设备工具。这套设备工具45包括一个或多个加工工具35，它们与一个共用的ESW30连接以进行双向通信联系。这些加工工具35一般都是同一类型工具。例如，所有的加工工具35可能都是炉子。可是应该看到，加工工具35也可能包括不同类型的工具，这些工具根据生产最终产品的工件所要执行的加工类型分类。

对ESW30作了优选配置，以接受来自FSW25的加工工作程序并对加工工具35在执行加工工作程序过程中进行指导。在加工工具35都是同一类型工具的情况下，FSW25可以向ESW30提供一个单一的加工工作程序，所有的加工工具35在平行的批加工中都使用该工作程序。或者，在加工工具35可能是同类型、或者也可能是不同类型工具的情况下，ESW30可以为一个或多个加工工具35接收不同的工作程序。

加工工具35不仅要承受逐次运行执行单一工作程序情况下工具内(intra-tool)随时间的偏差，而且要承受多于一个工具执行一个单一工作程序的工具间偏差(inter-tool deviation)。因此，ESW30包括一个和加工工具35中每一个工具相关联的可变参数表(VPT)，例如，如图5所阐明的那样。VPT37包括一个给定的加工工具在执行加工工作程序中所采用的参数。VPT37的参数是根据所联系的工具35的具体特性得出的，因此同类型的工具间常常有所差别。通常，每一个生产加工包含一个或多个工作程序(每一步加工一个工作程序)，而每一个工作程序将用于一个或多个加工工具35，每一个加工工具35都有一个用于所有加工工作程序的VPT37。

VPT的参数是根据它所联系的加工工具在实行具体加工中的计量数据进行计算和更新的。图1A以实例说明，为达到这个目的，采用一个或多个计量测量单元40接收一个或多个来自相应工具35的工件，并测量由加工工具35加工的这些工件的物理特性。在所例举的实施方案中，利用了一个多重计量测量单元40a-40d，每一个计量测量单元分别与加工工具中的一个相关联。应该看到，这种一一对应并不是绝对需要的。相反，取决于所用的具体的加工工具，为了节省投资和空间，一个或多个加工工具35可能采用一个单一的计量测量单元。

在操作中，如图5所示，微电子工件36由每一个加工工具35传送到相应的计量测量单元40。线段50所表示的这种传送可能包括工件36的自动或人工传送。每一个计量测量单元40都被设计用来测量和它联系的加工工具35所加工的工件36的一个或多个物理的和/或电的特性。然后，测量数据再通过，例如，通信总线55或其它数据传输线，传给ESW30使用。一旦计量测量单元40提供了该测量数据，ESW30便可能为计量测量单元40所测的工件36的具体加工工具35进行VPT37的更新。

图1B示出另一个系统结构，该系统结构能用于至少使用ESW30a和30b两个设备监控工作站的情况。最好第一个ESW30a与一个或多个加工工具35联系，而第二个ESW30b则优选地用于控制一个或多个计量测量单元40。第二个ESW30b通过通信总线60或其它数据传输线将计量数据传送给第一个ESW30a。ESW30a接收到的计量数据又被用来计算和/或调节与加工工具35a-35d相关联的VPT37的参数。

本先进的逐次运行控制器(ARRC)系统优选地提供一个正式的计量方法，用于工作程序调节以补偿逐渐的加工漂移(反馈控制)及上游加工变动(前馈控制)。除此以外，还可以使用其它操作控制模式，例如，本文后面叙述的，如图6所示的联合反馈/前馈控制和可调反馈控制模式。在每一个情况下，其功能都可显著地减少加工维护和调节所需的工程时间。

在反馈控制的情况下，ARRC系统根据从当前加工测出的加工结果，通过所有的VPT(例如，图5所示的VPT37)参数优选提供工作程序的自动调节。这种自动调节有一部分是通过利用以往的经验，基本原理，或一项实验设计的测量进行加工的模型化完成的。利用这样一个模型，控制器可以作出智能化的决定，如为了保持合适的加工目标需要通过VPT改变工作程序中的哪些变量。

在前馈控制的情况下，ARRC系统能利用前一步加工的计量测量调节加工目标或某个加工变量(工作程序参数)来校正加工序列中的上游问题。这是根据两次加工测量之间的关系或以往加工中的一次加工测量与当前加工中的一个工作程序参数之间的关系作出的经验模型完成的。

图2说明了一个示例性的软件框架，该软件用于计量信息的交换以及计算/更新VPT表37中的各种参数(见图5)。图2所示的ARRC系统最好设计成充分利用采用一个标准化接口，如CORBA，的通信构架。这种构架允许在配有FSW的各ESW之间或不配有FSW的各ESW之间进行计量信息交换，因为计量要求优选地包含CORBA目标。所有的计量信息还可在当地储存到与加工工具相关联的ESW中，在前馈控制的情况下还可以通过通信构架由其它任何ESW存取。在这种情况下，计量并不储存到FSW，因而可以避免单个点的失效。

现在将对计量获取、储存和维护作更详细的说明，然后再详细描述利用计量数据进行逐次运行控制。

由于各种原因，计量数据(即，各种加工测量)的获取可能并不容易。比如，具体的计量测量单元可能不能进行外部通信。在这种情况下，必须利用人工输入加工结果。但人工输入冗长乏味，对数据输入误差高度敏感，并不是系统获得计量信息的优选方式。这样一个系统在执行中的另一个障碍是不能及时地获取加工测量。最后一轮结果大约需要一小时到几天才可能得到，或者才能被ESW用上。因为每一个生产设施对加工结果采用不同的方式储存和分析，所以向每一位顾客提供一个标准接口，而不必书写特殊的代码来获取这种信息确实具有挑战性。图2描绘的软件结构是为了克服或减轻所述障碍而设计的。下面将对每一个功能模块加以描述，因为它们与计量获取、储存和维护有关。

由图2可见，计量代理器70的作用是管理ARRC控制器75提出的所有计量获取请求。ARRC控制器75提出的每项计量获取请求都与一个说明计量结果获取方法的计量图相关联。计量信息一旦被获取，便连同日期、时间、工具、MiniSpec、批识别标志及运行次数编号储存在一个计量数据库85中。在这一切发生后，原请求的ARRC控制器75也将被告知计量结果已被获取

计量图是一个传输媒介，它不仅容许用户定义加工测量发表的格式，而且还容许用户定义它们的获取方法。用户可以定义晶片数目和位置(加工测量地点)以及为计量点定义某些更特殊的名称。

在计量图中可以采用和说明各种不同的自动方法以获取加工测量结果。参照图2，这些自动方法例如包括以下一些：

    GEM接口90——一个标准化的GEM接口可以被提供用来把

各种加工测量传送到高性能的数据库中并把这些测量提供给

ARRC系统。这种方法一般要求生产设施的用户写出定制的代码，

使他们的加工测量数据库接口到诸如一个ESW这样的监控工作

站。

    CIM构架(CORBA接口)95——这种接口和各加工测量工

具一起，或和一个依从Sematech APC构架的数据库一起提供给

顾客。对CIM构架95，ESW30向CORBA的一个目标约定，在

加工测量被测出后便自动获得该测量结果。

    ESW计量工具接口100——这种接口是提供给生产设施的

用户的，这些用户想把ESW直接连上计量工具以进行逐次运行控

制。

    SMC结果——这种接口容许和一个统计机器控制

(Statistical Machine Control)连锁应用，利用设备的实时测

量提供自动错误探测。由这种应用作出的计算一般能够作为实时

传感器的测量提供给ARRC系统。

除所述自动的计量获取方法外，该ARRC系统还可以利用一个人工计量输入接口105。这里，为那些不具有中心化SPC数据库的生产设施或那些具有的是无外部通信联系能力的加工测量工具的生产设施提供一个用户接口，用以人工输入计量工具的各种加工测量数据。尽管通常这并不是获取计量数据的最有效的方式，但这种功能对于某些用户特别有用，这些用户没有资源将GEM或CORBA依从接口编码，将它们和计量工具或SPC数据库之间建立联系，而他们又希望ARRC系统的功能仍然有效。

最好，人工计量输入接口105容许用户选择一个开放计量请求，而后最好在Unix环境下输入新数据。用户接口窗口最好包含一个可下拉的开路请求单，显示每个请求的以下信息：日期、时间、工具、批识别标志以及工作程序名称。因为可能有大量的开放计量请求，所以可利用下面三个区域使搜寻范围缩小：工具、工作程序名称和批识别标志。可以在任何名称或部分名称后面加一个星号作为输入，以自动过滤出有效的选择。对于一个具体请求，全部信息值输入之后，ARRC控制器75将收到该数据获取的通知，并能够对该数据进行相应的处理。

计量数据库85的形式最好为专有的平面文件数据库，虽然也可以代之以其它数据库结构(例如，相关数据库)。计量数据库85用于储存和维护加工测量结果。这些数值通常不储存在ESW30的标准数据库中，因为常常需要储存比标准ESW数据库中储存的实时加工数据量级长10倍的测量信息。最好使大量的加工测量可以用于加工的统计分析以及用于稳健加的模型化。计量数据库85还可以分别提供数据库清除和维护运行两项操作。

每个ESW30可以包含一个像亚利桑那州凤凰城的SEMYEngineering，Inc.公司所用的那种设备监控工作站。在这种工作站中逐次运行功能的集成可能需要在已有的ESW软件中增加几个联接(hook)。实施最好通过将逐次运行控制方法110与VPT中定义的数值相关联。这种关联加工容许用户对每一个单独工具定义工作程序中的各可调变量。

加工工具35和ESW之间的相互作用由工具服务器115所控制。服务器115又和ARRC控制器75相互作用。

ESW30可以提供一个到VPT的可视访问，包括显示各个参数、可见的最小和最大极限、每步进的最大改变、每个参数的存取电平以及注明单位的参数类型(见图7)。如此，ESW30为VPT增添一个接口，该接口容许用户选择每个可变参数的计算/更新方法。这样，如果愿意，用户就可能为每个参数规定一个特定的逐次运行控制算法。每一个VPT参数都被标明下列ARRC调节方法之一：单纯反馈、可调反馈、联合反馈/前馈、单纯前馈或无反馈。在一个优选的ARRC系统中，每种调节方法都有四种可能的调节模式。它们是：

自动——这种模式将根据模型和控制器的推荐自动改变可变参数的数值。

人工验证——这种模式将要求操作员批准推荐的可变参数的变化值。

人工——这种模式将从加工模型及控制器预估出加工的结果，但不对可变参数进行调节。这种模式在不影响加工的情况下对模型的可用性进行检验是很有用的。这种模式还容许操作员人工地批准并推荐出参数变化的数值。这种操作模式的目的在于，容许操作员在进行自动调节之前用加工模型和控制器进行调节，使工作变得轻松自如。

数据采集——这种模式只用来获取前馈加工所要求的加工测量数据，在这种前馈加工中，上游加工工具和一个ESW连接，而没有定义反馈控制器。

ARRC控制器75和工具服务器115，ARRC方法110，计量数据库85和计量代理器70相互作用。计量数据库85通过计量代理器70接收到加工测量结果的同时或以后，对ARRC方法110进行的离线加工处理是一个背景软件加工。离线加工处理有助于避免在下载调节工作程序之前对ARRC计算或获取加工测量可能造成的延迟。

现在将对逐次运行控制方法作进一步叙述，必要时可参考图6的框图。正如上面指出的，有许多装置可以用于计量数据的获取和计量图的产生。作为实例可以举出，自动得到加工测量结果的方法包括利用一个标准化的GEM接口90，一个CIM构架(CORBA)接口95，或一个ESW计量工具接口100。ARRC系统也可能利用一个人工计量输入接口105。由这些计量获取技术得到的信息被送给一套计量图205。正如上面指出的，计量图是一个传输媒介，它不仅容许用户定义加工测量发表的格式，而且还容许用户定义它们的获取方法。利用计量图205，用户可以，例如，定义晶片数目和位置(加工测量地点)以及为计量点定义某些更具体的名称。

在运行一次加工之前，无论是反馈还是前馈(或两者)，用户先为ARRC系统所用的各加工参数设置控制点，如图6中控制点定义步骤207所示。设置控制点是一个较大机制的一部分，用户还通过该机制定义加工模型(特别是对各种反馈方法)，对选择的各VPT参数定义适配的算法。控制点定义的提供，容许用户把单个计量图所定义的任何或全部加工测量结合为单一数值，逐次运行控制计算利用该数值对加工进行计量。为了这个目的，用户首先为控制点定义选择一个计量图。类似于微软Excel的一个表格编辑器可能提供来让用户将任何或全部数值结合为单一数值。除了提供特殊的统计运算，诸如平均、标准偏差、中值和量程外，所有典型的数学运算都可优选地使用。用户可以从计量图定义的列表上挑选每一个测量形式。

半导体加工的模型化涉及的范围可以从一些非常复杂的偏微分方程组到两个加工变量间的简单关系。不过大部分控制系统都可以有效地利用各种简单模型来描述一些现象，这些现象正是它们控制的主题，因为复杂的模型通常会增加计算要求，从而使系统性能变慢。

为了给用户提供一个加工可能性的灵活范围，有多个ARRC模型110(即，模型格式)可供用户对加工进行模型适配或递归和控制。最佳的模型格式可以根据经验来决定，例如，用初始“黄金数据组”来定出。为此，用户可以用人工方式输入加工测量的黄金数据组矩阵，并对各变量进行控制。采用这种实验性的加工数据，可以利用最小二乘法系统鉴别算法来定出模型参数。为了量化该模型的质量，可以显示出加工干扰和模型完整性的度规(integrity metrics)。为了让用户对该模型的可靠性有所判断，根据模型对实际现象预计的符合程度，还将向用户提供置信水平指示。全面的模型选择过程可以是一个迭代过程，在这个过程中用户要尝试几种模型结构以后才能找到一个准确代表该加工的模型。

在一个实施方案中，模型适配利用一个改进的记忆消失(fading-memory)最小二乘算法加上死区和参数约束。这种改进加上对参数的全面或部分调节的能力，目的在于减轻由于估计漂移带来的潜在问题。为了确定全部模型参数，例如，正规生产数据，当用于估计的输入-输出数据未提供足够的信息(扰动)时，就会产生这种问题。基本的控制算法可能是用于解非线性方程的梯度牛顿(gradient-Newton)类。牛顿算法在解的附近具有很好的收敛性质，但却对干扰敏感。为此，这种算法利用“死区”非线性增益调节优选地得以改进，使用户调节它对干扰的灵敏度。这种改进的主要优点是，它对大的干扰响应快，但并不增加稳态方差。还可以用较高阶的控制器来补偿严重的加工漂移。缺省的各控制参数是根据该模型及输入-输出数据组自动计算出的。这些参数完全可由用户全面调节以精化控制行动。还提供一个生产计量工具摸拟器进一步帮助用户在进行实际加工测试运行前将反馈控制器的操作可视化，并学习如何通过调节各控制参数达到要求的行为。

在现有的一个优选实施方案中，向用户至少提供以下模型结构或模型格式选择以供迭代选择：线性的(2参数模型——即，斜率和y-截距)、平方的(3参数模型)及立方的(4参数模型)。这些模型可以是单输入，单输出(SISO)或者是多输入，多输出(MIMO)。连同选择适配参数能力(即，在保持斜率不变的同时将y-截距向上或向下移动)，这些模型也可以定义为最小二乘适配的、梯度适配的或无适配的。适配模型根据收到的当前计量信息自动改变模型参数以自动补偿加工漂移。可以利用一个递归控制器控制稳态模型的加工。使用，例如，MATLAB，还能提供一个外部插入能力(见图6中模型/控制器插入221)，容许用户定义他们自已的模型、适配算法和控制器。

此外，在一些模型已经适配了一段时间的情况下，还可以再恢复由“黄金数据组”创建的“黄金模型”。这种恢复可以应用防止维护(Preventative Maintenance)予以自动触发。

反馈方法通常不仅提供加工规格定义的最大和最小规格极限，而且还提供想要的加工目标。最小和最大计量测量极限有助于保护系统，防止使用虚假测量。如果有一个或多个计量值超出极限，系统可以由程序判定使用或舍弃这种个别计量值。此外，如果计量数据超出预定范围的最大值时，系统可以根据由程序控制判定所有的信息无效而将其舍弃。

同样，ARRC系统可以根据探测到的虚假计量值的数目，由程序实施警告和/或停止极限。在超出停止极限的情况下，该工具以后的所有运行，例如，就可能被堵塞或者向用户发出一个警告。在警告的情况下，用户可能被告之虚假计量值的数目已超额，警告可能被登录到审计追踪文件中。如果VPT中的一个可变参数值超出了它本身予先设定的最小或最大极限，则可能定义停止加工或直接将该可变参数值调到最小或最大极限，不论哪一个最靠近出界值。

由于在某些情况下，可能根本就获取不到计量，可以定义一个警告极限，警告用户计量获取存在某种错误(测量工具已关闭、SPC数据库失效、网络工作故障等)。可以利用停止或超时极限以阻止以后的所有运行或不再应用逐次运行控制。

如本文前面所指出的，这种ARRC系统优选提供工作程序调节方法以补偿逐渐的加工漂移(反馈控制)和上游加工变动(前馈控制)，还可提供其它一些操作控制模式，比如，联合反馈/前馈控制及可调反馈控制。在反馈控制的情况下，如图6所示，利用从控制点定义207得到的加工结果，根据内部模型/控制器结构或模型/控制器插入220，来实施反馈控制算法220。在应用反馈控制算法220以后，如图6中的下一步骤225所示，ARRC系统通过VPT37根据加工结果得到的所有参数优选提供工作程序的自动调节。

还提供了对虚假计量的进一步防范，这和上一轮工具加工后相隔的时间有关。在关于具体工具上经过了相当长时间一直没能启动运行的加工的情况下，这种防范虚假计量的方法是特别有用的。该工具从进行上一轮其它加工后，如果经过了预先设定的一段时间，则可能由于加工工具随时间发生了变化，上一轮所采用的模型已不再适用了。

从操作的观点看来，当工具服务器115(见图2)收到即将由加工工具35中的一个或多个工具执行的一份加工工作程序时，“纯反馈”加工便开始了。在下载一份工作程序后，工具服务器115通知ARRC控制器75，在一轮加工运行完成时期望进行的加工测量，并进而提出相关的ARRC各方法110中哪些将被采用来更新VPT。如果预先设定的条件在这种ARRC方法中是被违反了，则可能采取阻塞继续下载的措施。拒绝阻塞通知最好要求安全。

工具服务器115或GEM主接口将自动通知ARRC控制器75，已经下载了一份工作程序给工具，并有一些相关的ARRC方法。ARRC控制器75监视加工事件的开始和结束，并保证在运行期间不会出现中止情况。一旦确定加工运行顺利完成，便从ARRC(各)方法110中选出计量图(各)定义以确定应该期望得到什么样的加工结果。一旦收到加工结果，便在这种背景下对ARRC(各)方法110进行计算。如果ARRC方法110要对一个VPT参数进行改动，则需要用户批准，所有改动在得到批准前都储存在一个临时文件中。否则，VPT改动将自动进行。

在前馈控制情况下，ARRC系统可以利用前一步加工的计量测量或者对加工目标，或者对一个加工变量(工作程序参数)进行调节，以校正加工顺序中上游的问题。为了实现这类调节，要求两次加工测量之间的关系，或者从一次过去加工所作的加工测量和一个当前加工的工作程序参数之间的关系都根据经验进行模型化。

从实施和配置的观点看，ARRC前馈方法和ARRC反馈方法是非常相似的。一般而言，ARRC前馈方法可以被描述为退化的ARRC反馈方法。不过，在ARRC前馈方法中既没有目标加工，也没有上、下规格极限，因为模型在加工序列之间扮演着相关的操作员。此外，不存在闭环调节模式，因为它的功能被用来为前馈控制有关的下游加工获取加工测量。没有计量极限功能的运行时间是不存在极限的，因为在前馈控制方法中通常总是需要计量的。

对于前馈方法，控制点定义编辑器用一个特别区进行增强以定义计量信息来自哪个上游加工。加工模型编辑器不具备定义前馈方法适配模型或递归控制器的能力，因为前馈控制器采用的各模型是完全开环的。

当采用“纯前馈”方法时，工具服务器115(见图2)，或GEM主接口90二者之一，如被提供，将通知ARRC控制器75获取来自上游计量工具的指定的计量数据并执行该前馈算法。在不能获得计量记录的情况下，下载将被阻塞，直到获得计量记录。一旦计量记录得到恢复，ARRC(各)方法将被计算，VPT参数便被更新。

当采用联合反馈/前馈控制时，来自前馈控制方法210的输出可能被用来调节各反馈控制方法220的加工目标，如图6所示。

在成功地执行所述任何ARRC方法后，记录到的信息如下：VPT参数值，计量目标，被计算的控制点，以及新模型的各种参数。ARRC方法生成的所有警报和停止事件都被储存在审计追踪文件中，同时还在一份工具应用状态中显示给用户。无论是工具状态或者是ARRC应用状态的警报皆可被清除，只不过停止事件只能在ARRC的应用状态下被拒绝(如在下文所述)。对VPT各参数所作的任何调节也都登录在审计追踪文件中。

为了看到连接至当前区的所有工具的当前状态(即：OK，警告，或阻塞下载)，可以提供ARRC状态显示。该应用显示工具的当前状态，能够不单看见当前ARRC系统的所有事件，而且也能看见所有的开放计量请求。可以从这个窗口拒绝所有ARRC系统阻塞下载事件，使工具返回在线状态。所有报警和阻塞下载事件也可以在工具状态显示中看见，并且也可以在那里被清除。所有ARRC系统事件(报警、阻塞下载、调节等)也都被记录到检验文件中。

图8是从另一个视点说明逐次运行控制加工的加工流程图。在图8所描绘的这种逐次运行加工800中，前馈和反馈控制两者都可能被用来控制加工工具(图8中标为加工工具B)的操作。在逐次运行加工800的第一步801中，第一加工工具(标为加工工具A)按照从可变参数表(VPT)下载到该工具的各加工变量进行加工，该可变参数表是和特定的工作程序相关联的。在下一步骤802中，第一计量工具(标为计量工具A)依据加工工具A的输出性质，对其合适的输出进行测量。在步骤803中，按照，例如，以前在图6中描述的任何一个计量获取方法采集计量工具A所作的测量。在下一步骤804中，根据储存在计量图中的信息为即将用到的前馈和/或反馈逐次运行算法设置加工控制点(即，目标)。在接下来的步骤805中，由ESW30应用选出的前馈控制算法得到前馈控制模型输出。这些输出在步骤806中为即将来临的反馈控制算法调节加工目标。一方面，该前馈控制算法为一个闭环反馈控制回路所控制的加工提供生成一个“可变的”加工目标的能力。

一旦根据前馈控制算法的输出调节了加工目标，在步骤807中便可应用逐次运行控制器的反馈控制算法。在下一步骤808中，在可变参数表(VPT)中对工作程序的各加工变量或参数作出调整的并且更新的各变量或参数被下载到加工工具B。在步骤809中，加工工具B利用和加工工作程序关联的变量或参数履行其指定任务。在下一步骤809中，第二计量工具(标为计量工具B)依据计量工具B的输出的性质，对其合适的输出进行测量。按照，例如，以前描述过的任何一个计量获取方法，计量工具B的计量数据在下一步骤811被获取。在步骤812中，根据获得的计量数据，调节反馈控制算法的各加工控制点。该闭环反馈控制加工因此而回到步骤807，在这里又一次应用反馈控制算法。这种反馈算法以闭环形式继续控制加工工具B的(各)加工目标，但所述(各)加工目标可以根据被测量的加工工具A的输出，以及图8的步骤805中叙述的前馈控制算法周期性地被调节。

依据计量数据和加工调节机制，ARRC系统可以在变化频率的条件下进行加工调节。对于批量工具，ARRC系统优选地在一批一批的基础上进行参数调节。对单个晶片工具，ARRC系统可能在一堆一堆的，如果需要，一晶片一晶片的基础上进行参数调节。

可用来分析ARRC方法过去性能的附加软件也是很有用的。为此，可以在ARRC历史分析应用配置ESW30。这种ARRC历史分析应用容许用户通过选择一个工具、区、工作程序名称和相关的可变参数阅看单个ARRC方法的结果。对于各反馈方法，图绘以图的方式显示目标数值、模型估计、实际测量以及报警和阻塞下载极限。这种图绘最好是彩色标码的。对各前馈方法，图绘以图的方式显示各个时间对下一个加工所作的调整(梯级图表)。在反馈和前馈两种情况下，在图的下方，例如，在一次报警或阻塞事件产生的时刻所对应的时间点，以及作过一次调节的那个时间点，都标上彩色事件标志方块。当用户点击这些标志方块时，就会出现另一个窗口显示该具体事件的详细内容。

前面讲述的这个系统曾经成功地应用于一个湿法-氧化加工中，已显示出它在改进加工精度及均匀度方面的能力。虽然在本质上这种控制问题是多变量量的，但在湿法-氧化加工的控制问题中却可以有效地约化为一组标量问题，从而可以采用简单及可靠的ARRC控制方法。为了实施逐次运行控制，本ARRC系统提供了一个完整的及用户友好的工具以进行模型建立、适配和控制。

在这种湿法-氧化加工中，在扩散炉中通过一个潮湿的氧化加工，在晶片的载体上生长出氧化硅层。在这样一个加工中，硅晶片在高温下被暴露在蒸气中，这种蒸气是用火焰或喷火器燃烧一个被控制的氢、氧混合物形成的。这些硅晶片被装进炉中并在一个给定的温度下被加工一段特定时间。利用一个实时控制器将温度保持在选定的数值，在晶片载体上三个不同的位置用热偶进行温度测量。加工完成时，在晶片载体上四个不同位置测量氧化层的生长情况。影响生长的加工参数包括加工时间和三个温度区设置点。调节这些参数的目的是为了保持在晶片载体上各处均匀地产生所要求的氧化物生长。

这个问题的一个难点是加工模型的复杂性，包括由于喷火器在热源区间产生的附加热以及在载体区间的热损失造成的对称消失。此外，加工特性随被加工晶片的数目而变(由于，例如，热偶漂移或元件退化)。为了补偿模型误差和缓慢的加工漂移，利用上面所说方式组装了这种逐次运行控制器以调节“控制输入”(氧化时间及各温度设置点)，将每一轮运行后的生长测量作为计量输入并且利用一个简单的加工模型调节VPT中定义的各工作程序参数。

为了把湿法-氧化加工明确表达为反馈控制问题，该ARRC系统试图计算和精修“控制输入”值，以迫使并保持加工输出值达到所要求的水平。作为术语，反馈控制考虑的是一项“加工”或一个“系统”，“加工”或“系统”就是给定一个“输入”产生一个“输出”。为了影响输出的改变，该输入或控制是一个可以被操纵的信号。输出是一个令人感兴趣的信号，它可用于定义加工所要求的操作。所要求的操作常常可以通过把加工的输出与一个“目标”或“参考”值相比较来进行量化。例如，在湿法-氧化反馈控制问题中，控制输入是氧化时间和氧化温度。输出是加工完毕后在晶片载体上各个不同位置测出的氧化物厚度，而参考值是希望达到的氧化物厚度。

对于氧化加工，人们可以把整个温度轨迹想像为控制输入。这当然会相当不方便，因为它增加了这个问题的维度和困难。另一方面，假定把这个温度维持在由局部实时控制器规定的一个值，便可以简单地用温度设置点这个简单数字代替整个轨迹。用这样一个明确表达方式得到的模型精度依赖于局部实时控制器在不管有任何干扰进入加工的情况下仍能保持设置点温度的能力。

从数学上讲，输入和输出之间的关系采取无记忆非线性形式，

y_k＝f[uk]其中f[.]是通常的非线性函数。在这种构架中，当选择U_k使y_k为接近一个规定的要求值r_k时，控制目标便可能被定义，这里，k是一个标记运行次数的脚码。不言而喻，所有的数学模型，特别是一些简单的模型，只能作为一个物理加工的近似。因而，控制输入的标称值(例如，解方程f[U_k]-r_k＝0算出的)将仅仅近似地满足控制目标。此外，加工中的干扰或变动(例如，由于老化)可以对模型质量产生不利的影响，并导至误差r_k-y_k增加。

有两种互补的途径可以补救这种情况。一个是采用近似模型计算出一个近似校正，它最终驱使误差到零；这归类于控制输入精修。另一个途径是改进模型质量，归类于模型精修，利用新模型计算新的控制输入。ARRC各方法可以用来实施这两者中的一个或者两者。不过，这两种途径的选择是与问题有关的，因为两者都有限度，超越限度可能潜在地出现不想要的响应。

在目前这个实例中，ARRC方法的设计依据适配系统识别和参数估计理论进行模型精修，并依据反馈控制和数值优化理论进行控制输入精修。在ARRC的一般形式中，ARRC方法实施包括四个步骤：模型开发、控制输入初始化、模型精修以及控制输出更新。取决于用户的选择，这些步骤可以按几种不同的顺序实施以控制加工输出，例如，加工监视、一次模型(one-shot-modeling)、无适配控制及适配控制。下面对四个基本步骤中的每一步进行说明。

关于模型开发，在典型的ARRC系统中实施的模型结构为单一输入，带有全部或部分可调参数的单一输出的多项式模型。一般，加工模型所取的形式为：

y_k＝f[uk，θ]其中(u，y)为输入-输出对，θ是一个可调参数矢量。为了计算方便、可靠，函数f(.，θ)在θ参数中被选为线性的或仿射的。这样做就能采用简单的和可靠的最小二乘算法从数据估算出各模型参数。同时，更一般的模型结构在所述ARRC系统构架中当然是可能的，但通常简单的模型对所要求的应用就足够了。这里，使用简单模型时操作区常常足够小，从而可以用仿射函数对输入/输出的加工行为作出很好的近似。

在建立模型的步骤中，对用户所选的模型结构的参数进行估算，用来拟合一套输入/输出对。这种估算采用最小二乘近似法进行，对数值稳健度稍稍作了改进。和估算的模型参数一起，还计算了一套拟合误差(均方根及归一化均方根)。这些误差定义了拟合质量，从而容许轻松地选择最适合的模型并可以避免“过分参数化”。应该指出，过分参数化不仅和基本加工的特点有关，而且也和可能的输入范围有关。拟合误差测量还提供选择控制和/或适配阈值(死区)的指导原则，所以当输出在正常干扰水平以下变动时，不会采取行动。最后，在这一阶段，算出在适配和控制各步骤中要用到的“调整”转换。这些转换在改善可靠性和数值计算的收敛速度两方面都很重要。

关于控制输入更新，为求解非线性方程，计算控制输入采用的是梯度/牛顿算法类的一个算法。牛顿型算法在解的附近具有非常好的收敛性，只要模型的导数(df/du)“接近”实际加工的导数，收敛对模型非精确度并不很灵敏。不过，在这个示例性的应用中做过几项改进，包括一个用作调节器的参数，用来调节该方法对干扰的灵敏度“增益”。控制输入更新的一般形式为

υ_k+1＝υ_k+γ_xω_x，kε_x，k/(1+γ_xω_x，k′ω_x，k)  其中e_c，k＝Dzn[r_k-y_k]，w_c，k＝df/du[u_k，θ_k]。Dzn[.]表示了一个死区的非线性，其阈根据模型开发阶段算出的干扰均方根水平选择。增益γ_c由误差通过下式计算： $>>>\gamma >c>>=>\gamma >>>(>>e>>c>,>k>>>/>>\gamma >dz>>)>>2>>/>>(>1>+>>>(>>e>>c>,>k>>>/>>y>dz>>)>>2>>)>>>s>其中y＞0，\gamma$_dz是根据干扰均方根水平选定的一个阈参数。作为平滑死区，这个非线性增益定义起的作用有效。它的关键贡献是，当误差大时，便用高增益(等于γ)作出控制更新。当误差小，而且其大部分贡献来自干扰时，则用低增益作出更新，从而有效地用作一个低通滤波器，并防止过分的控制输入调节。

这种控制输入更新方法可以在两种模式中使用。在正常操作中，只要迭代一步。另一方面，对于第一步，在继续操作以后迭代便可以收敛(控制初始化)。

在适配系统设计中，下一步是选择参数更新方法，包括在灵活性、引发参数漂移的干扰、收敛速度以及干扰过滤性质之间进行取舍。用于更新模型参数的ARRC方法是一个改进的消失记忆最小二乘法，方法合并了加工死区和参数约束。参数更新方法的一般形式如下：

θ_k+1＝Π{θ_k+γ_pP_k^-1w_p，ke_p，k/(1+γ_pw_p，k′P_k^-1w_p，k)}

P_k+1＝αP_k+(1-α)Q+γ_pαw_p，kw_p，k′其中e_p，k＝Dzn[y_k-w_p，k′θ_k]，w_p，k＝df/dθ[u_k，θ_k]。适配增益γ_p的计算与控制增益类似。Π(..)表示在一套参数约束上的斜倾投影算符。Q是一个小的正有限矩阵，用以保证p_k恒为非奇异的，α∈[0，1]是遗忘因子。

死区作为一个“信息屏蔽”机制，对于几乎不含新信息的数据予以忽略。参数约束通常的形式是束缚在可接受的参数估算上，用以增加该算法抵抗干扰引发的参数漂移的稳健度。

死区阈、参数约束和标度/调整转换在初建模型阶段可由用户选择。特别是，参数调整转换有助于减少希思(Hessian)调整数P，从而改善参数估算器的收敛性质。但是应该慎用它们，因为它们可能增加算法对干扰的敏感度。此外，参数约束可以由物理原理导出(例如df/du的符号)。

如前所述，曾将ARRC各方法用于一个湿法氧化加工的控制。这种加工的主要特点之一是由于炉子的热梯度对称性消失，造成晶片载体上氧化物的厚度分布不均匀。通常对这种情况的补救是在三个加热区间采用不同的温度设置点，来补偿氧化率的变动。这种称为“温度倾斜”的程序往往要求进行大量实验和定期重调；因此，它被选为研究逐次运行控制效益的好候选者。

对于用在湿法-氧化实例中的加工，控制输入为氧化时间和两端区温度设置点，而中心区的设置点保持950摄氏度常数。每轮运行采用四个试验晶片，每个试验晶片都在不同位置测量氧化物厚度。采用一个标准的实验设计，对不同的输入得到一套有23个初始测量的数据，由此建立了一个初始模型。由这些测量引导，加工输入和输出被定义如下：

y(1)＝中间两测试晶片的平均氧化物厚度。

y(2)和y(3)＝侧区测试晶片的平均氧化物厚度和y(1)之间的差值()。

u(1)＝加工时间(分)。u(2)和u(3)＝侧区设置点和中心区的温度差(摄氏度)。这些定义背后的合理解释是要得到一个矩形模型，带有以对角线为主的和合理调整的希思数。对角线为主并非必要，但它有助于简化多变量控制问题，将它近似为一组标量控制问题。

用33次加工测试了这种ARRC方法，每次加工200个晶片。前22次加工采无适配控制器，后11次采用适配控制器。在所有情况下，目标都是在所有加工区获得1000厚度的氧化物。为了证明控制器的收敛性质，初次加工选择的厚度误差为15％，而且所有的温度设置点都相同。测试结果如图3和图4所示。在一个很短的瞬间以后，厚度误差便和正常干扰水平不相上下。此外，控制输入更新的平滑程度也很合理。这些结果要比基于SPC工作程序调节的类似加工的正常操作数据好。显然，所述先进逐次运行控制方法在导致精确并可予言的加工结果方面具有显著的优点。

其它一些实例也说明引入所述逐次运行控制技术，利用反馈和前馈技术中的一个或两种技术具有的好处。在ARRC控制系统中使用相对简单的反馈控制器在许多生产环境范围都能够大大改善加工性能，提高生产力。例如，在化学机械抛光(CMP)操作中，可以调节抛光时间来控制膜的剩余厚度。抛光时间可以随晶片或加工批次而改变，与加工的稳定性有关。当要求进行逐片调节时，就需要进行现场计量以便及时提供测量使回路闭合。不过，如果了解了加工漂移，则可用一个反馈模型进行估计并调节每一批中每一晶片所要求的抛光对间。由ARRC系统实施的，根据模型估算并在该批加工完毕后加以调节改变的一个负反馈控制算法，就可能逐片逐片改变抛光时间。反馈控制器也可以用在ARRC系统中自动补偿抛光剂的变化以及抛光垫的剥蚀。

扩散加工可以作为利用本文所叙述逐次运行控制技术受益的另一个实例。扩散加工有时会要求同时调节多个变量。低压化学气相沉积(LPCVD)批量加工，例如，通常要求调节温度和时间。在ARRC系统中的反馈控制器可用来调节端区温度使炉子中心和炉子端区加工的各晶片之间的厚度差最小。该反馈控制器还能调节沉积时间使加工的中心位于想达到的厚度目标。一些简单模型在线性LPCVD沉积加工及非线性氧化加工中，都是有效的。

本文所述的ARRC系统里的反馈调节也可以在刻蚀加工中用来控制临界尺寸(CD)线宽度。许多刻蚀加工也采用原位端点探测。端点一旦被建立，工作程序将继续以预先定义的过刻蚀时间对膜进行刻蚀。端点时间和过刻蚀时间之间的时段以膜的厚度和CDs来量度。在ARRC系统中可以应用自动反馈控制以调节定时刻蚀加工或端点驱动加工中的过刻蚀时间。蚀去的膜厚度和CDs之间的关系对各种刻蚀参数，诸如刻蚀时间、气流及功率可以作出模型并用ARRC系统控制。

尽管利用反馈控制方法可以使一个加工产生可重复的结果，但加工结果也可能与晶片的初始状态有关。基于这种初始状态的自动调节可以用前馈模型去完成。如果采用前馈控制算法，受控的加工是优选的或者是固有稳定的，或者是采用一个有效的反馈机制(例如，一个ARRC反馈控制算法系统)来提供稳定性。

举一个前馈控制机制的实例，为互连通道除去内电平电介质，该实例在调节刻蚀时间方面是有用的。这类刻蚀加工一般不能用原位端点探测控制，因为刻蚀掉的膜量很小，不能接供所需的信号强度。这种加工最好是这样，即在初次尝试中优选刻蚀掉全部膜。通常选择该加工的目标需要膜的初始厚度。这项信息可以由一个带有前馈加工的ARRC系统提供，该系统对初始的膜厚度进行测量，而这个测量又为移去内-电平电介质的一个反馈控制回路设定一个目标。

ARRC系统中的前馈控制应用的另一个实例是化学机械抛光加工(CMP)。在这种加工中，通常在初始表面物质会产生变化，它又引起抛光后的类似变化。利用抛光前对晶片的测量，在ARRC系统中可用前馈控制器调节每轮运行后的反馈控制器目标(打算抛光的材料量)，从而在抛光后消除这种变化或至少使它最小化。

还有另一个前馈控制在ARRC系统中有用途的实例，是控制内植位垒在牺牲氧化层生长以前的变动，以改进晶体三极管和类似的半导体器件的生产。在这方面，内植位垒变化可以在生产加工中对晶体三极管的增益起负面影响。在典型的生产事例中，氧化物和氮化物层都会生长和沉积在晶片上。利用光刻和刻蚀加工，在氮化物层上形成沟道。在形成沟道过程中，氮化物被过刻蚀从而使某些初始氧化层脱去。沟道中在这些初始氧化物上生长出一层牺牲氧化层，造成内植步骤的位垒。这种内植位垒的尺寸从一轮运行到另一轮运行由于氮化物过刻蚀的变化而变化。利用ARRC系统内的一个前馈控制算法，首先测量氮化物刻蚀后的起始氧化层，然后用前馈控制器在牺牲氧化物加工中调节反馈控制器的目标，保持较一致的内植位垒，从而使由氧化和氮化物刻蚀各个步骤带进的变动最小化。

在光刻区内，ARRC系统内实施的前馈控制，可以用来逐一计算每个晶片的调准参数，籍以利用反馈控制为加工下游提供改善的可能性。在典型情况下这里有6到8个参数，在初级模型中可以对它们进行预言。也可以调节倾斜，但一般需要一个复杂得多的模型。

虽然本说明书公开了优选的实施方案，在本发明的概念和范围内仍有许多变通的可能性。本领域的普通技术人员在参看了本技术说明书和附图以后，将会明白这样的变通。因此，除了在任何附属的权利要求的构思和范围以内，本发明并不受限制。