CN103046028B - 基于高精度pid控制温度的原子层沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备，包括沉积腔室、等离子气体产生系统、射频电源匹配器及射频电源、温度采集电路、PID控制电路、加热及散热装置；所述温度采集电路采集所述沉积腔室的温度；所述PID控制电路接收所述温度采集电路采集的温度，控制所述加热及散热装置对所述沉积腔室加热或散热。本发明提供的基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备，能使沉积腔室中的基片保持在设定的温度范围内，且能够快速的达到预设的温度值。

Description

基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备

技术领域

 本发明涉及半导体设备技术领域，特别涉及一种基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备。

背景技术

化学吸附是一个热活化过程，所以原子层沉积温度存在一个最小值。在大于最小值的范围内，要得到稳定的沉积速率，必须保证系统处于一个适当的温度窗内（即处于两个温度值的范围内）。

当温度不够高（温度小于                                               ）时，生长速率与温度的关系表现为如下两种趋势：（1）基片吸附前驱体（或与前驱体反应）的速率缓慢，在较短的时间内，吸附不能达到饱和，或者表面反应不完全。随着温度的升高，反应速率逐渐加快，导致沉积速率增加。此时生长速率是温度的增函数；（2）前驱体可能发生冷凝现象，大量前驱体在基片表面上凝结，无法通过惰性气体将其净化，致使前驱体参与反应的量大大增加，系统难以维持自限制特性，薄膜生长速率分布不均匀。随着温度的进一步降低，冷凝现象趋于严重。在这一因素的影响下，沉积速率是温度的减函数。

当温度过高时（温度大于），生长速率与温度的关系同样存在两种趋势：（1）基片表面上的功能团将可能发生化学键断裂而分解，导致产生类似CVD过程的气相反应，反应速率过快且难以控制；（2）薄膜可能会因温度过高而发生解吸现象，使得薄膜的生长速率随温度的升高而降低。

因此，无论温度过高还是过低，所有可能的不利因素都会破坏原子层沉积的自限制性，整个沉积过程都不再是我们所期望的，只能看成是一种类似原子层沉积过程，其沉积速率随温度的升高可能增加也可能减小。这将导致沉积速率的不可控，最终影响薄膜的均匀性、纯度及厚度控制等性能。综合上述分析，在原子层沉积设备工作过程中，温度应该处于一定的范围内（即工作温度属于）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能使沉积腔室中的基片保持在设定的温度范围内，且能够快速的达到预设的温度值的基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备，包括沉积腔室、等离子气体产生系统、射频电源匹配器、射频电源、温度采集电路、PID控制电路、加热及散热装置；所述温度采集电路采集所述沉积腔室的温度；所述PID控制电路接收所述温度采集电路采集的温度，控制所述加热及散热装置对所述沉积腔室加热或散热。

进一步地，所述原子层沉积设备还包括抽气装置，所述抽气装置在所述PID控制电路的控制下对所述沉积腔室抽气。

进一步地，所述抽气装置包括电压电流放大模块、继电器、泵组控制器、机械泵、分子泵及手动调节阀；

所述电压电流放大模块的输出端依次通过所述继电器、泵组控制器、机械泵、分子泵及手动调节阀与所述沉积腔室的输入端连接；

所述电压电流放大模块的输入端与所述PID控制电路的输出端连接。

进一步地，所述原子层沉积设备还包括充气装置，所述充气装置在所述PID控制电路的控制下对所述沉积腔室充气。

进一步地，所述充气装置还包括两个质量流量控制器、电磁阀及手动调节阀；其中一所述质量流量控制器的输入端与所述PID控制电路的输出端连接，输出端依次通过所述电磁阀及手动调节阀与所述沉积腔室的输入端连接，输出端还与一压力传感器连接；另一所述质量流量控制器的输入端与所述PID控制电路的输出端连接，输出端通过所述电磁阀与所述等离子气体产生系统连接。

进一步地，所述PID控制电路包括计算机和数据处理模块；

所述计算机通过所述数据处理模块接收所述温度采集电路采集的温度，判断所述沉积腔室的温度是否处于预设范围，当所述温度低于预设范围时，则控制所述加热及散热装置对所述沉积腔室加热；

当所述温度高于预设范围时，则控制所述加热及散热装置对所述沉积腔室散热。

进一步地，所述充气装置还包括惰性气体源瓶，所述惰性气体源瓶的输入端通过一电磁阀与所述一质量流量控制器的输出端连接，所述惰性气体源瓶的输出端与手动电磁阀连接。

本发明提供的基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备，采用高精度PID控制算法控制原子层沉积设备的基片温度，使之保持在设定的温度范围内，且能够快速的达到预设的温度值，不但能够使原子层沉积设备迅速进入稳定的工作状态，而且能够减少化学试剂的浪费，提高实际利用率，降低残留试剂对气体试剂的污染，降低沉积反应周期时间，能够得到均匀性、纯度及厚度控制等性能良好的薄膜。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备的温度控制电路原理图。

图2为本发明实施例提供的基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备的温度控制流程图。

图3为本发明实施例提供的基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备的结构示意图。

其中，1-质量流量控制器、2-电磁阀、8-惰性气体源瓶、10-手动调节阀、12-射频电源、13-射频电源匹配器、14-等离子体产生系统、15-沉积腔室、16-分子泵、17-机械泵、18-泵组控制器、20-温控器、21-计算机、22-数据处理模块、23-压力传感器、24-继电器、25-电压电流放大模块、26-气体。

具体实施方式

根据本发明公开的原子层沉积设备是基于高精度PID温度控制算法，该算法实现的电路图如图1所示。

在一定的控制系统中，首先将需要控制的温度参数由温度传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相应的控制，沉积过程中，不断进行上述工作，从而达到自动调节的目的。本发明中采用按差值信号的比例、积分和微分进行计算控制量的方法，即PID方法。其控制规律的数学模型为：

 为比例系数，为差值信号，（为温度测量值，为温度设定值），为积分常数，为微分常数，、为当前及前一时刻的控制量。

本发明采用增量式计算方法，控制量的输出则采用了位置式的输出形式，将控制规律的数学模型演化为：

为采集周期，、、为当前时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信号。该方法只需保持前三个时刻的差值信号，同时输出控制量的初始设定值不必准确，就能较快的进入稳定控制过程。

本发明为基于PID控制算法的温度控制结构，该结构主要用于测量沉积腔室中的温度，使之快速达到沉积工作所需要的温度，并控制在预设的工作温度范围内，使原子层沉积设备工作在适宜的温度，避免温度过高或过低时带来的不利影响，导致薄膜的均匀性、纯度等性能的不可控，生产性能不好的产品。因而本发明针对温度不适宜对沉积效果带来的不良后果，采用高精度的PID控制算法，能够有效的将温度保持在设定的范围。

下面结合一具体实施例对本发明提供的基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备进行详细说明。

如图3所示，基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备包括沉积腔室15、等离子气体产生系统14、射频电源匹配器13、射频电源12、压力传感器23、温度采集电路、PID控制电路、加热及散热装置、抽气装置及充气装置。其中，加热及散热装置可采用热电偶冷却器实现。温度采集电路包括温控器20及模数转换电路﹙图中未示出﹚。压力传感器23采集沉积腔室15的压力。模数转换电路将采集的气压进行模数转换。PID控制电路包括数据处理模块22及计算机21。参见图2，数据处理模块22进行控制温度的流程如下：数据处理模块22设置PID参数的初始值，并将初始误差赋值为0。模数转换电路转换的温度信号传给数据处理模块22，根据预先设定的程序，数据处理模块22给出PID控制所需的误差值以及热电偶冷却器的工作电流，从而控制热电偶冷却器对沉积腔室15进行加热或散热。且在这个过程中，温度采集电路对沉积腔室的温度进行固定时间间隔的采集，这些温度信息不断的传送给数据处理模块22，数据处理模块22对温度信息进行分析，判断需要对沉积腔室15加热还是散热，使其温度保持在沉积设备正常工作的范围，这个过程持续至整个沉积过程的结束。

抽气装置包括电压电流放大模块25、继电器24、泵组控制器18、机械泵17、分子泵16及手动调节阀10。电压电流放大模块25的输出端依次通过继电器24、泵组控制器18、机械泵17、分子泵16及手动调节阀10与沉积腔室15的输入端连接。充气装置包括两个质量流量控制器1、电磁阀2及手动调节阀10。其中，一质量流量控制器1的输入端与数据处理模块22的输出端连接，输出端依次通过电磁阀2及手动调节阀10与沉积腔室的输入端连接，输出端还与压力传感器23连接。另一质量流量控制器1的输入端与数据处理模块22的输出端连接，输出端通过电磁阀2与等离子气体产生系统14连接。

计算机21通过数据处理模块22接收来自压力传感器23所测量的沉积腔室15的气压，判断沉积腔室15的气压是否处于预设范围，当气压低于预设范围时，则控制质量流量控制器1、电磁阀2及手动调节阀10将气体26送入沉积腔室15。当沉积腔室15达到所需工作压强时，关闭质量流量控制器1和手动调节阀10，停止充气。当气压高于预设范围时，则通过数据处理模块22发送开启命令，控制电压电流放大模块25输出高电压，控制继电器24接通，进而开启泵组控制器18的电源，启动机械泵17、分子泵16及手动调节阀10对沉积腔室15抽气，抽本底真空。

沉积结束后，计算机控制整个设备空运行n个周期，需要对原子层沉积设备阀进行吹扫净化，所以充气装置还包括惰性气体源瓶8。惰性气体源瓶8的输入端通过一电磁阀2与一质量流量控制器1的输出端连接，惰性气体源瓶8的输出端与手动电磁阀10连接。惰性气体源瓶8的个数可以是两个，而且各自设有电磁阀2。计算机21通过数据处理模块22发送控制指令，控制惰性气体源瓶8上的电磁阀2打开，从而开启惰性气体源瓶8，对反应腔室15进行净化。

另外，计算机21设置沉积工作所需要的参数，计算机21将参数加入控制命令发送到射频电源12的接收部件中，控制射频电源12的开启以及对输出功率的设定，射频电源12的输出功率作为数据处理模块22的接收量被反馈给计算机21，计算机对该功率进行分析，以使等离子体产生系统工作在稳定的状态。

本发明用于原子层沉积设备，在进行原子层沉积时，可确保原子层沉积设备工作在适当的温度下，且能够快速达到设备所需温度，进而减少工作时间，且由于工作在正常温度下，化学试剂就能够得到充分反应和使用，减少试剂浪费尾气污染，提高设备沉积性能，得到均匀性极好和纯度极高的高质量产品。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于高精度PID控制温度的原子层沉积设备，包括沉积腔室、等离子气体产生系统、射频电源匹配器及射频电源，其特征在于，还包括：

温度采集电路、PID控制电路、加热及散热装置；

所述温度采集电路采集所述沉积腔室的温度；

所述PID控制电路接收所述温度采集电路采集的温度，控制所述加热及散热装置对所述沉积腔室加热或散热；

其中，所述设备还包括抽气装置，所述抽气装置在所述PID控制电路的控制下对所述沉积腔室抽气；

其中，所述设备还包括充气装置，所述充气装置在所述PID控制电路的控制下对所述沉积腔室充气；

其中，所述抽气装置包括：

电压电流放大模块、继电器、泵组控制器、机械泵、分子泵及手动调节阀；

所述电压电流放大模块的输出端依次通过所述继电器、泵组控制器、机械泵、分子泵及手动调节阀与所述沉积腔室的输入端连接；

所述电压电流放大模块的输入端与所述PID控制电路的输出端连接；

其中，所述充气装置还包括：

两个质量流量控制器、电磁阀及手动调节阀；

其中一所述质量流量控制器的输入端与所述PID控制电路的输出端连接，输出端依次通过所述电磁阀及手动调节阀与所述沉积腔室的输入端连接，输出端还与一压力传感器连接；

另一所述质量流量控制器的输入端与所述PID控制电路的输出端连接，输出端通过所述电磁阀与所述等离子气体产生系统连接。

2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述充气装置还包括：

惰性气体源瓶，所述惰性气体源瓶的输入端通过一电磁阀与所述一质量流量控制器的输出端连接，所述惰性气体源瓶的输出端与手动电磁阀连接。

3.根据权利要求1-2任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述PID控制电路包括：

计算机和数据处理模块；

所述计算机通过所述数据处理模块接收所述温度采集电路采集的温度，判断所述沉积腔室的温度是否处于预设范围，当所述温度低于预设范围时，则控制所述加热及散热装置对所述沉积腔室加热；

当所述温度高于预设范围时，则控制所述加热及散热装置对所述沉积腔室散热。