快速熱處理之即時模擬器與控制系統

Abstract

本論文針對半導體製程中的快速熱處理器(RTP)，整合一套包含即時模擬器與控制器的平台。內容主要是利用兩台獨立電腦來設計RTP系統的模擬器與控制器，以即時作業系統(Real-Time OS) Real-Time Linux為發展的平台，來發展與測試即時的模擬器與控制系統。 其中模擬器的部分是以觀看係數(View Factor)來推導晶圓表面的溫度分佈，並透過燈源幾何的設計來促進晶圓表面溫度的一致性；控制部分則包括一個前置控制器(Feedforward Controller)，比例積分迴授控制器(PI Feedback Controller)及一個學習控制系統(Learning Control System)。學習控制系統為一個能重複學習控制命令的機制，以改善溫度控制的軌跡誤差。 兩台電腦之間經由A/D卡與D/A卡來作為控制訊號及迴授訊號的傳輸介面，以模擬真實機台的控制訊號。藉此系統所發展的控制器可直接用到真實機器，做為快速原型化的設計。

In the thesis, we propose a framework of real-time simulator and controller for rapid thermal processing (RTP) system in semiconductor manufacturing. We use two independent computers to design simulator and controller, and develop real-time software of simulator and controller using real-time OS (real-time Linux). For the simulator, we establish a mathematical model of the RTP system using view factor, and arrange the lamp configuration to achieve uniform temperature on the wafer. The control system consists of a least square feedforward controller, output feedback proportional plus integral (PI) controller and a learning control system. The learning control system can repeatedly improve the control commend to reduce the temperature tracking error. The control and feedback signals are connected via two A/D cards and two D/A cards in order to simulate the signals in a real RTP machine. As a result, the controller developed can be adopted easily to a real machine for a rapid prototyping design. 1.1 研究動機與背景……………………………… 1 1.1.1 研究動機……………………………………… 1 1.1.2 研究背景……………………………………… 2 1.2 研究目的……………………………………… 4 1.3 研究方法……………………………………… 5 1.4 本研究之貢獻 7 1.5 論文架構……………………………………… 7 二、 RTP的模擬器與控制器設計………………… 9 2.1 RTP系統架構………………………………… 9 2.2 模擬器的建立………………………………… 10 2.2.1 系統介紹……………………………………… 10 2.2.2 動態系統模型………………………………… 11 2.2.2.1 觀看係數……………………………………… 11 2.2.2.2 熱傳模型……………………………………… 12 2.3 控制器架構…………………………………… 17 2.3.1 最小平方誤差之前置控制器………………… 18 2.3.2 整個控制系統架構…………………………… 18 2.4 學習控制系統………………………………… 21 三、 即時軟硬體平台架構………………………… 25 3.1 即時作業系統介紹…………………………… 25 3.1.1 什麼是Linux？……………………………… 25 3.1.1.1 Linux的特點………………………………… 26 3.1.1.2 處理程序(Process) ………………………… 28 3.1.1.3 處理程序(Process)與任務(Task) ………… 29 3.1.1.4 模組(Module) ……………………………… 30 3.1.2 什麼是RTLinux？…………………………… 31 3.1.2.1 Real-Time Domain與Non-Real-Time Domain 32 3.1.2.2 Real-Time Task……………………………… 33 3.1.2.3 Real-Time FIFO……………………………… 33 3.1.3 為什麼使用RTLinux？……………………… 34 3.2 硬體架構……………………………………… 34 3.2.1 A/D擷取卡(Data Acquisition Card) …… 35 3.2.2 D/A輸出卡(D/A Output Card) …………… 36 3.2.3 訊號格式……………………………………… 37 3.3 即時軟體設計………………………………… 39 3.3.1 即時系統的定義……………………………… 39 3.3.2 軟體規劃……………………………………… 40 3.3.3 Real-Time Domain與Non-Real-Time Domain的實作技巧 41 3.3.3.1 核心模組(Kernel Module) ………………… 42 3.3.3.2 Linux處理程序(Process) ………………… 44 3.3.3.3 Kernel Module與Process之間的互動…… 50 四、 實作與結果…………………………………… 53 4.1 實驗設備……………………………………… 53 4.2 實作結果……………………………………… 54 4.3 結果分析……………………………………… 63 五、 結論…………………………………………… 65 參考文獻 ………………………………………………… 67