CN103194733A

CN103194733A - 一种原子层沉积设备

Info

Publication number: CN103194733A
Application number: CN2012100019456A
Authority: CN
Inventors: 张艳清; 夏洋; 李超波; 万军; 吕树玲; 陈波; 石莎莉; 李楠
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: CN103194733B; WO2013102362A1

Abstract

本发明涉及一种原子层沉积设备，尤其是涉及一种使用集显示和控制于一体的嵌入式控制单元作为控制系统主控部件的原子层沉积设备。所述原子层沉积设备，包括主控部件、电气控制部件、真空部件、加热部件和气路部件，主控部件分别与电气控制部件、真空部件、加热部件和气路部件连接，电气控制部件分别与真空部件、加热部件和气路部件连接，主控部件为集显示与控制于一体的控制设备。本发明采用集显示和控制于一体的主控部件代替传统的显示器+工控机+PLC（或控制板卡）的控制架构，使得设备结构简洁清晰、占用体积小、组装和维护简单方便、可靠性高，能够有效防止设备运行中意外事故的发生。

Description

一种原子层沉积设备

技术领域

本发明涉及一种原子层沉积设备，尤其是涉及一种使用集显示和控制于一体的嵌入式控制单元作为控制系统主控部件的原子层沉积设备。

背景技术

原子层沉积（ALD）技术有着独特的沉积方式（单原子层低温逐层沉积），相对于传统工艺，用此方法制备的薄膜在均匀性、保形性、台阶覆盖率以及厚度控制等性能方面有了很大的改进，是制备High-K材料和光电子薄膜的重要技术。原子层沉积设备一般需要连续运行很长时间，且有些前躯体反应物是易燃易爆的，因此对控制系统的可靠性提出了很高的要求。

现有的原子层沉积设备多采用显示器+工控机+PLC（或控制板卡）的控制方式，如图1所示，在这种控制方式中，三个部件是相互独立的，各自都需要占用一定的空间，致使整个设备体积增大、成本较高，并且工控机与PLC主机之间需要通过通信协议完成通信，加大了编程工作量，且使系统可靠性变差，这种分体式设计，容易造成系统性能不稳定，有一定的运行隐患。随着自动化技术的发展，出现了形式多样的主控部件，也为原子层设备提供了多种可选的控制方式，与现有设备的控制架构相比，使用一体化的主控部件，显然在体积、可靠性、成本方面更具优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制系统高度集成的原子层沉积设备，能够有效防止设备运行中意外事故的发生。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种原子层沉积设备，包括主控部件、电气控制部件、真空部件、加热部件和气路部件，所述主控部件分别与所述电气控制部件、所述真空部件、所述加热部件和所述气路部件连接，所述电气控制部件分别与所述真空部件、所述加热部件和所述气路部件连接，所述主控部件为集显示与控制于一体的控制设备。

上述方案中，所述主控部件包括显示器和设置在所述显示器内部的控制器和内置I/O，所述控制器和所述内置I/O通过内部总线相连，所述内置I/O包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输出模块，所述模拟量输入模块、模拟量输出模块和数字量输出模块之间通过内部总线相连，可以根据控制点的种类和数量进行配置。

上述方案中，所述电气控制部件包括断路器、保险丝、微型接触器、继电器和电源，所述电源分别与所述断路器、所述微型接触器和所述继电器相连，为其进行供电，所述保险丝与所述断路器相连。

上述方案中，所述主控部件的内置I/O分别与所述电气控制部件的微型接触器和继电器相连。

上述方案中，所述真空部件中的真空计通过RS232串口与所述主控部件的控制器连接。

上述方案中，所述加热部件中的被加热源的供电电源直接与所述电气部件的继电器相连，所述主控部件的数字量输出模块控制所述继电器来控制所述被加热源的温度。

上述方案中，所述气路部件中的质量流量计由所述主控部件的模拟量输出模块控制。

与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明采用集显示和控制于一体的主控部件代替传统的显示器+工控机+PLC（或控制板卡）的控制架构，使得设备结构简洁清晰、占用体积小、组装和维护简单方便、可靠性高，能够有效防止设备运行中意外事故的发生。

附图说明

图1为现有技术中原子层沉积设备控制系统原理框图；

图2为本发明实施例提供的原子层沉积设备的原理框图；

图3为本发明实施例提供的原子层沉积设备的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图2所示，本发明实施例提供一种原子层沉积设备，包括主控部件、电气控制部件、真空部件、加热部件和气路部件，主控部件分别与电气控制部件、真空部件、加热部件和气路部件连接，电气控制部件分别与真空部件、加热部件和气路部件连接，主控部件为集显示与控制于一体的控制设备。

其中，主控部件主体为一个显示器，内部集成了控制器和内置I/O，控制器和内置I/O通过内部总线相连，内置I/O包括模拟量输入模块(AI模块和AT模块)、模拟量输出模块(AO模块)、数字量输出模块(DO模块)，模拟量输入模块、模拟量输出模块和数字量输出模块之间通过内部总线相连，可以根据控制点的种类和数量进行配置。上述各模块可以实现事件计数、触发功能以及频率测量功能，并带有扩展槽，可供扩展。电气控制部件包括断路器、保险丝、微型接触器、继电器和电源，电源分别与断路器、微型接触器和继电器相连，为其进行供电，保险丝与断路器相连。主控部件的内置I/O分别与电气控制部件的微型接触器和继电器相连。真空部件中的真空计通过RS232串口与主控部件的控制器连接。加热部件中的被加热源的供电电源直接与电气部件的继电器相连，主控部件的数字量输出模块控制继电器来控制被加热源的温度。气路部件中的质量流量计由主控部件的模拟量输出模块控制。

本实施例中的主控部件采用贝加莱公司的4P3040.01-490模块，其分辨率为320×240像素，带有数字键、光标键和控制键，内置处理器典型指令循环时间为0.5us，具有RS232通信和CAN bus通信功能，有10个通道的数字量输入模块和8个通道的数字量输出模块，可扩展2个通道的模拟量输出模块和4个通道的模拟量输入模块。它为集成了显示和控制于一体的一体化控制部件，不仅仅具有人机交互功能，而且具有工控机和PLC(或控制板卡)的控制功能。它用来显示系统操作界面、接收外部命令、显示设备各部件运行中的参数，用于接收被控部件（包括真空部件、加热部件和气路部件）的反馈数据，对接收到的各种指令和反馈数据进行分析处理，并向电气部件发送执行指令以控制设备的被控部件。

如图3所示，真空部件包括真空室11、真空计12、泵组13、泵组与真空室连接的泵管道14、隔离泵组与真空室的手动阀15和电磁阀16。

位于真空室11内的反应室包括基片台21、气体分配器22，反应室中，通过进气管道23输入的气体与位于反应室内的样品进行反应，气体分配器22位于反应室内，以供给反应气体。

其中，电磁阀16和泵组13的开启和关闭均由主控部件的数字量输出模块控制继电器的通断来控制。真空计12检测真空室的压力，通过RS232串口通信将真空室的压力值反馈给主控程序，显示在主控界面上。

气路系统包括吹扫气体氮气源41、第一前躯体源47和第二前躯体源44，质量流量控制器42、第一前躯体源手动阀49、第二前躯体源手动阀46 、第一前躯体源电磁阀48、第二前躯体源电磁阀45和气路电磁阀43。吹扫气体氮气源41通过质量流量控制器42、气路电磁阀43与真空室11连接。两路前躯体源47、44分别通过手动阀49、46、电磁阀48、45与真空室11的反应室相连。质量流量计42为0-5V电压控制，由主控部件中的模拟量输出模块进行流量控制，由模拟量输入模块进行实际流量值反馈。主控模块通过控制各电磁阀的通断、通断时间长短以及设置质量流量计的流量值来控制是否为反应室进气，以及进气量的大小。

加热部件包括5路被加热源和其相应的5个热电偶30-39（包括泵管道加热源39和其热电偶30、第二前躯体源加热源31和其热电偶32、进气管道加热源33和其热电偶34、真空室加热源35和其热电偶36、基片台加热源37和其热电偶38）。主控部件、电气控制部件中的继电器、被加热源和其热电偶30-39构成PID闭环控制，其中主控部件中的键盘为待加热源设置温度值，热电偶用来实时反馈各加热源的实测温度值，继电器为具体指令执行模块，其与被加热源的供电电源直接相连，主控部件的主控程序根据温度设置值和反馈值进行比较，进行PID控制算法，对继电器下达通断指令，控制是否对被加热源进行加热，以此完成温度控制。

下面结合图3所示的原子层沉积设备的结构对本发明进行说明，具体如下：

（1）打开吹扫气体氮气源，调至0.25MPa，确保各源瓶手动阀49、46是关闭的，开启系统总电源，将手动阀15调至全开，进入设备控制系统界面，先切换至系统设置页面，设置反应压强、压力和温度温度时间，然后调至自动页面，点击开启泵组按钮，随即泵组13运行，真空室和泵组之间的电磁阀16打开，对真空室11和各气路管道进行抽气，抽到本底真空（约到5×10^-3torr）后，设置质量流量计42的流量，打开电磁阀43，通入氮气，待腔室压力达到稳定，调节手动阀，使真空室11压力达到在系统设置页面设置的工作压强。

（2）从被加热源中选择要加热的部件，设置加热温度，点击开始加热按钮，系统自动为所选加热源加热，各加热源的实际温度值由热电偶反馈回主控页面。

（3）等温度值和压力值都达到设定值并且稳定了一段时间后，系统弹出对话框，提示满足反应条件，可以打开源瓶开始沉积过程。打开源瓶手动阀49、46，点击开始沉积按钮，系统便开始运行设定好的工艺配方，开始沉积过程，运行完配方设置的周期数，系统停止运行，同时弹出对话框，提示沉积过程结束，关闭源瓶。

（4）沉积结束后需要对系统进行吹扫清洗，关闭各源瓶手动阀49、46，停止对所选被加热源的加热，点击开始清洗配方按钮，系统自动执行事先编写好的配方程序。清洗过程中，泵组13一直处于运行状态，通过交替开启各源瓶电磁阀48、45和电磁阀16，对真空室11和各气路管道进行清洗。

（5）吹扫结束后，等温度冷却到一定温度，打开电磁阀43，将质量流量计流量42设置为最大，对真空室11进行充气，充到大气压之后，打开真空室门，取片，完成一次原子层沉积的全部工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种原子层沉积设备，其特征在于：包括主控部件、电气控制部件、真空部件、加热部件和气路部件，所述主控部件分别与所述电气控制部件、所述真空部件、所述加热部件和所述气路部件连接，所述电气控制部件分别与所述真空部件、所述加热部件和所述气路部件连接，所述主控部件为集显示与控制于一体的控制设备。

2.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述主控部件包括显示器和设置在所述显示器内部的控制器和内置I/O，所述控制器和所述内置I/O通过内部总线相连，所述内置I/O包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输出模块，所述模拟量输入模块、模拟量输出模块和数字量输出模块之间通过内部总线相连。

3.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述电气控制部件包括断路器、保险丝、微型接触器、继电器和电源，所述电源分别与所述断路器、所述微型接触器和所述继电器相连，所述保险丝与所述断路器相连。

4.如权利要求3所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述主控部件的内置I/O分别与所述电气控制部件的微型接触器和继电器相连。

5.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述真空部件中的真空计通过RS232串口与所述主控部件的控制器连接。

6.如权利要求3所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述加热部件中的被加热源的供电电源直接与所述电气部件的继电器相连，所述主控部件的数字量输出模块控制所述继电器来控制所述被加热源的温度。

7.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述气路部件中的质量流量计由所述主控部件的模拟量输出模块控制。