CN101381860B

CN101381860B - 磁控溅射装置

Info

Publication number: CN101381860B
Application number: CN200710094061A
Authority: CN
Inventors: 王海军; 李晓远
Original assignee: Shanghai Hua Hong NEC Electronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: CN101381860A

Abstract

本发明公开了一种磁控溅射装置，包括一电机驱动磁体旋转，该装置采用带有控制电路的无刷直流电机，其中的控制电路采用非线性比例微积分PID算法控制该电机的转速；该装置还包括一电机监测装置，该电机监测装置对电机转速偏差值进行监测，如果电机转速偏差值超出预设范围，该电机监测装置即发出报警信号。本发明磁控溅射装置采用带有非线性比例微积分PID算法控制的无刷直流电机代替传统电机，实现了电机转速的闭环控制，使得电机转速稳定，并具有快速跟随性，同时也使电机具有恒转矩调速特性。另外，本发明通过对电机转速偏差和传动轴转速偏差的监控，能及时发现电机和/或传动件的异常，从而对磁体转动的异常采取措施。

Description

磁控溅射装置

技术领域

本发明涉及一种半导体制造中的磁控溅射装置。

背景技术

在半导体制造工艺中，磁控溅射是一项非常重要的工艺。

溅射工艺是在两电极间加一高电压，两极之间为某种惰性气体，惰性气体在高电压作用下激发产生等离子体。气体离子加速向阴极运动，它们轰击阴极表面，释放出二次电子。这些电子在从阴极向阳极运动的过程中，会与惰性气体的中性原子碰撞。如果碰撞传递的能量足够高，气体原子将被离化，产生的离子将加速移向阴极，离子束对阴极的轰击即为溅射工艺。

磁控溅射工艺是在等离子体内加上一个磁场，在磁场和电场的交互作用下电子绕磁力线方向作螺旋运动。电子的这种运动增加了它们与惰性气体的中性原子碰撞而产生离子的概率，从而提高了惰性气体的电离率和靶的离子轰击率。

现有的磁控溅射装置为了提高靶材的利用率、控制溅射区域、改善成膜均匀性，往往采用旋转的磁场，即由旋转装置带动磁体旋转而形成的磁场。请参阅图1，现有的磁控溅射装置在真空腔10中包括圆片托盘11、靶座12、靶材13和磁体14。其中，在圆片托盘11和靶座12之间充有惰性气体，靶材13位于靶座12上，磁体14位于靶座12下。电机15驱动传动轴16旋转，从而带动磁体14旋转，形成旋转磁场。

图1所示的磁控溅射装置中，电机15带动传动轴16和磁体14一起旋转，其转速平稳对于等离子体的数量和分布非常重要。转速异常会造成靶材13表面异常放电，从而在产品表面产生缺陷。现有的磁控溅射装置中，电机15采用开环控制转速，以设定的转速匀速运转。如果因为外界阻尼和/或设备老化等影响，电机15的转速发生异常，由于缺乏实时监控，很难及时发现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种磁控溅射装置，该装置采用闭环控制实现电机转速的平稳控制，同时增加了转速异常监控装置实现转速异常的实时报警。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是，

一种磁控溅射装置，包括一电机驱动磁体旋转，其特征是：该装置采用带有控制电路的无刷直流电机，其中的控制电路采用非线性比例微积分PID算法控制该电机的转速；该装置还包括一电机监测装置，该电机监测装置对电机转速偏差值进行监测，如果电机转速偏差值超出预设范围，该电机监测装置即发出报警信号。

所述的非线性比例微积分PID算法为

P (k) = K_{P} E (k) + K_{I} {Σ_{j = 0}^{k - 1} f [E (j)] E (j)} + K_{D} [E (k) - E (k - 1)]

其中，P(k)为第k次采样的电机转速值，E(k)为第k次采样的转速偏差值即E(k)＝P(k)-P(k-1)，K_p为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数，K_p、K_I和K_D均为常数。

所述的第k次采样的转速偏差值的函数f[E(k)]为

f [E (k)] = \{\begin{matrix} 1, & | E (k) | \leq B \\ \frac{A - | E (k) | + B}{A}, & B < | E (k) | \leq A + B \\ 0, & | E (k) | > A + B \end{matrix}

其中，A和B均为常数。

所述的A的优选值为最大转速偏差值的30％，所述的B的优选值为最大转速偏差值的20％。

作为本发明的进一步改进是，所述的磁控溅射装置还包括一传动轴监测装置，该传动轴监测装置对传动轴的转速偏差值进行监测，如果传动轴的转速偏差值超过预设值，该传动轴监测装置即发出报警信号。

本发明磁控溅射装置采用带有非线性比例微积分PID算法控制的无刷直流电机代替传统电机，实现了电机转速的闭环控制，使得电机转速稳定，并具有快速跟随性，同时也使电机具有恒转矩调速特性。另外，本发明通过对电机转速偏差和传动轴转速偏差的监控，能及时发现电机和/或传动件的异常，从而对磁体转动的异常采取措施。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有的磁控溅射装置的示意图；

图2是本发明磁控溅射装置的示意图；

图3是本发明中传动轴检测装置一实施例的示意图。

图中附图标记为：10-真空腔；11-圆片托盘；12-靶座；13-靶材；14-磁体；15-电机；16-传动轴；21-电机；22-电机监测装置；23-传动轴；24-传动轴监测装置。

具体实施方式

请参阅图2，本发明磁控溅射装置在真空腔10中包括圆片托盘11、靶座12、靶材13和磁体14。其中，在圆片托盘11和靶座12之间充有惰性气体，靶材13位于靶座12上，磁体14位于靶座12下。电机21驱动传动轴23旋转，从而带动磁体14旋转，形成旋转磁场。电机监测装置22监测电机21的转速偏差信号，当发现转速偏差信号超出预先设定的范围，即发出报警信号。

图2所示的磁控溅射装置中，电机21为带有控制电路的无刷直流电机，其中的控制电路采用非线性比例微积分PID算法控制该电机的转速。

所述的非线性比例微积分PID算法为

P (k) = K_{P} E (k) + K_{I} {Σ_{j = 0}^{k - 1} f [E (j)] E (j)} + K_{D} [E (k) - E (k - 1)]

传统的PID算法中，积分增益K_I为常数，在整个调节过程中其值不变。非线性比例微积分PID算法的基本思想是偏差大时，积分累积速度慢，积分作用弱；偏差小时，积分累积速度快，积分作用强。为达到此目的引入了转速偏差值E(k)的函数f[E(k)]，

f [E (k)] = \{\begin{matrix} 1, & | E (k) | \leq B \\ \frac{A - | E (k) | + B}{A}, & B < | E (k) | \leq A + B \\ 0, & | E (k) | > A + B \end{matrix}

其中，A和B均为常数。

f[E(k)]的值在0至1的区间内变化，当转速偏差值|E(k)|＞A+B时，证明此时已进入饱和区，这时f[E(k)]＝0，不再进行积分项的累加；当转速偏差值|E(k)|≤A+B时，f[E(k)]随偏差的减小而增大，积分项的累加速度加快。直至转速偏差值|E(k)|≤B后，f[E(k)]＝1，累加速度达到最大。

实践中，当A，B的取值越大，非线性比例微积分对积分饱和抑制作用就越弱，反之越强。A的优选值为最大转速偏差值的30％，B的优选值为最大转速偏差值的20％。

由于本发明采用带有控制电路的无刷直流电机，因此所述的电机监测装置最简单的实现方式，就是将电机中的转速偏差信号E(k)引出。或者，也可以在电机监测装置中加入采样器，对电机的转速信号P(k)自行采样，得到转速偏差值E(k)。然后通过数模转换器，获得转速偏差信号E(k)的电压或电流值，如果该电压或电流值超出该电机监测装置预先设定的范围，就发出报警信号。

上述磁控溅射装置中，即使马达运转正常，可是由于传动部件如齿轮、皮带、轴承等发生故障，还是会影响磁体的平稳旋转。作为一种改进，本发明磁控溅射装置还包括一传动轴监测装置，该传动轴监测装置对传动轴的转速偏差值进行监测，如果传动轴的转速偏差值超过预设值，该传动轴监测装置即发出报警信号。

请参阅图3，这是所述的传动轴监测装置的一个实施例。其中在传动轴23上固定有一叶片231，该叶片231可随传动轴23一起旋转。所述的传动轴监测装置24包括激光发射器241、激光接收器242和激光接收计数器(未图示)。在无遮挡的情况下，激光发射器241发射的激光始终被激光接收器242所接收。但是当传动轴23旋转时，每次叶片231旋转到激光发射器241和激光接收器242之间，激光接收器242即在短暂时间内无法接收到激光，此时激光接收读数器即记录一个信号。当激光接收读数器发现在单位时间中的计数次数超出预先设定的范围，即发出报警信号。该激光接收器可以单独设置，也可以集成在激光接收器242之中，如图3所示。

Claims

1.一种磁控溅射装置，包括一电机驱动磁体旋转，其特征是：该装置采用带有控制电路的无刷直流电机，其中的控制电路采用非线性比例微积分PID算法控制该电机的转速；该装置还包括一电机监测装置，该电机监测装置对电机转速偏差值进行监测，如果电机转速偏差值超出预设范围，该电机监测装置即发出报警信号；

所述的非线性比例微积分PID算法为

P (k) = K_{p} E (k) + K_{I} {Σ_{j = 0}^{k - 1} f [E (j)] E (j) + K_{D} [E (k) - E (k - 1)]};

其中，P(k)为第k次采样的电机转速值，E(k)为第k次采样的转速偏差值即E(k)＝P(k)-P(k-1)，K_p为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数，函数f[E(k)]为

f [E (k)] = \{\begin{matrix} 1, & | E (k) | \leq B \\ \frac{A - | E (k) | + B}{A}, & B < | E (k) | \leq A + B \\ 0, & | E (k) | > A + B \end{matrix}

其中，A和B均为常数。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征是：所述的A的优选值为最大转速偏差值的30％，所述的B的优选值为最大转速偏差值的20％。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征是：所述的磁控溅射装置还包括一传动轴监测装置，该传动轴监测装置对传动轴的转速偏差值进行监测，如果传动轴的转速偏差值超出预设范围，该传动轴监测装置即发出报警信号。

4.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征是：所述的电机监测装置直接将无刷直流电机中的转速偏差信号引出。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征是：所述的电机监测装置包括采样器，该采样器定时采集电机转速信号，得到相邻转速信号的偏差信号。

6.根据权利要求4或5所述的磁控溅射装置，其特征是：所述的电机监测装置还包括数模转换器，该数模转换器将转速偏差信号转换为电压或电流信号，与该电机监测装置预先设定的信号范围进行比较。

7.根据权利要求3所述的磁控溅射装置，其特征是：所述的传动轴上设有跟随传动轴一起旋转的叶片，所述的传动轴监测装置包括激光发射器、激光接收器和激光接收计数器，叶片旋转到激光发射器和激光接收器之间时，激光接收器在短暂时间无法接收到激光，激光接收计数器即记录一个信号，在单位时间内激光接收计数器记录的信号个数超出预设范围，即发出报警信号。