CN110643964B - 磁控溅射工艺中直流电源的控制方法、控制装置及系统 - Google Patents

磁控溅射工艺中直流电源的控制方法、控制装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁控溅射工艺中直流电源的控制方法、控制装置及系统，其中控制方法包括：预先接收工控机下发的参数指令，参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；在磁控溅射工艺的过程中，实时判断电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件；当电源设定功率和定时启动功率满足预设条件时，开始计时，同时控制直流电源输出电源设定功率；当计时时间达到电源加载时间后，关闭直流电源。本发明的有意效果在于，通过设置电源定时控制，可以精确控制直流电源的加载时间，从而确保镀膜膜厚的精确度。

Description

磁控溅射工艺中直流电源的控制方法、控制装置及系统
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种磁控溅射工艺中直流电源的控制方法、控制装置及系统。
背景技术
物理气相沉积磁控溅射工艺是指在真空环境下，使用大功率电离电源，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜的工艺。金属硬掩膜工艺是物理气相沉积工艺的中常见的一种，在金属硬掩膜工艺中应用的最广泛的材料就是氮化钛薄膜，氮化钛工艺过程中需要大功率直流电源来提供电压，通过持续旋转的具有特定形状的磁控管在物理气相沉积腔室内形成高金属离子比率的高密度等离子体，并对高纯度的溅射靶材进行轰击以进行氮化钛薄膜沉积工艺。
在氮化钛工艺过程中，大功率直流电源是由工控机发送指令给电源，电源接收到指令后开始加载功率，例如工艺系统设置直流电源在10KW的功率下工作20s关闭，由于工控机和电源之间通过现场总线通讯，存在网络延时的问题，直流电源的工作时间可能会多于20s，加载时间过长导致氮化钛薄膜过厚。
因此，期待一种直流电源的控制方法，可以精确控制电源的加载时间，以保证膜厚达到标准要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种磁控溅射工艺中直流电源的控制方法、控制装置及系统，实现精确控制直流电源的功率加载时间，以保证膜厚达到标准要求。
为实现上述目的，本发明提出了一种磁控溅射工艺中直流电源的控制方法，包括：
预先接收工控机下发的参数指令，所述参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；
在所述磁控溅射工艺的过程中，实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件；
当所述电源设定功率和定时启动功率满足所述预设条件时，开始计时，同时控制所述直流电源输出所述电源设定功率；
当计时时间达到所述电源加载时间后，关闭所述直流电源。
可选地，所述实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件，包括：
实时判断所述电源设定功率是否大于或等于所述定时启动功率；
所述当所述电源设定功率和定时启动功率满足所述预设条件时，开始计时，同时控制所述直流电源输出所述电源设定功率，包括：
当所述电源设定功率大于或等于所述定时启动功率时，开始计时，同时控制所述直流电源输出所述电源设定功率。
可选地，在所述实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件之前，还包括：
当所述磁控溅射工艺进入启辉工艺步骤后，接收所述工控机下发的判断启动指令，开始执行所述实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件的步骤。
可选地，所述直流电源控制方法还包括：
当所述电源设定功率和定时启动功率不满足所述预设条件时，由所述工控机控制所述直流电源输出所述电源设定功率，且输出的时长为预定时长。
可选地，所述定时启动功率的取值范围为2000W-12000W；和/或所述电源加载时间的取值范围为5-20s。
本发明还提出了一种直流电源控制装置，包括：
接收模块，用于预先接收工控机下发的参数指令，所述参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；
判断模块，用于在磁控溅射工艺的过程中，实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件；
执行模块，用于在所述判断模块判断所述电源设定功率和定时启动功率满足预设条件时，开始计时，同时控制直流电源输出所述电源设定功率；当计时时间达到所述电源加载时间后，关闭所述直流电源。
可选地，所述判断模块，还用于实时判断所述电源设定功率是否大于或等于所述定时启动功率；
执行模块，还用于在所述判断模块判断所述电源设定功率大于或等于所述定时启动功率时，开始计时，同时控制所述直流电源输出所述电源设定功率。可选地，判断模块，还用于在磁控溅射工艺进入启辉工艺步骤后，接收所述工控机下发的判断启动指令，开始实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足所述预设条件。
本发明还提出了一种直流电源控制系统，包括：工控机、直流电源控制装置，其中，
所述工控机用于向所述直流电源控制装置下发参数指令，所述参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；
所述直流电源控制装置为上文所述的直流电源控制装置。
可选地，所述工控机还用于在所述电源设定功率和定时启动功率不满足预设条件时，控制所述直流电源输出所述电源设定功率，且输出的时长为预定时长。
本发明的有益效果在于：
磁控溅射工艺中，不再由下位机通过现场总线方式来设定直流电源功率，而是由更下位的控制器件通过模拟量输入来直接设定直流电源功率。该发明的控制方法相对于由工控机通过现场总线控制直流电源加载时间更为精确，可以保证直流电源加载的时间，从而确保镀膜膜厚的精确度，提高产品的一致性。
本发明的直流电源控制装置和控制系统通过接收模块预先接收所需的参数信息，判断模块实时判断直流电源的加载条件是否成立；由执行模块控制直流电源的开启与关闭，相对于由工控机通过现场总线控制直流电源加载时间更为精确，可以严格保证直流电源加载的时间。
本发明的直流电源控制方法、控制装置及控制系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了现有技术中磁控溅射工艺的相关工艺流程图。
图2示出了根据本发明一实施例的一种磁控溅射工艺的相关工艺流程图。
具体实施方式
磁控溅射工艺中，需要大功率直流电源来提供电压，通过持续旋转的具有特定形状的磁控管在腔室内形成高金属离子比率的高密度等离子体，并对高纯度的溅射靶材进行轰击以进行薄膜沉积工艺。其中为了得到精确的薄膜厚度，直流电源的加载功率时间要精确控制。图1为现有技术中磁控溅射工艺的相关工艺流程图，其中直流电源功率的加载时间由工控机进行控制，由于直流电源与工控机之间通过控制总线通讯，存在网络延时的问题，导致电源加载时间延长，膜层增厚。
为解决上述问题，本发明提供了一种磁控溅射工艺中直流电源的控制方法，本发明提供的直流电源的控制方法可以精确控制直流电源的功率加载时间，以保证膜厚的精确度。
以下将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明一实施例提供了一种磁控溅射工艺中直流电源的控制方法，图2为本发明一实施例的一种磁控溅射工艺的相关工艺流程图，其中包括直流电源的控制方法的相关流程，请参考图2，直流电源的控制方法包括：
预先接收工控机下发的参数指令，参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；
在磁控溅射工艺的过程中，实时判断电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件；
当电源设定功率和定时启动功率满足预设条件时，开始计时，同时控制直流电源输出电源设定功率；
当计时时间达到电源加载时间后，关闭直流电源。
为便于理解本实施例，简单描述与本实施例相关的管理系统。Recipe系统为一种应用于半导体设备的管理系统，Recipe即工业自动化制造中的秘方，其内容可包含工艺加工过程中的多个步骤以及各个步骤的各种工艺参数值和该步骤的持续时间。在工艺过程中，设备可依据Recipe的内容完成对物料的加工处理。半导体工艺系统包括工厂主机、通过工厂接口与工厂主机通信连接的上位机和与上位机通信连接的下位机。Recipe的管理可由系统中的下位机来实现。上位机程序会根据客户程序的请求从下位机程序获取指定Recipe的信息，上位机可提供形象的操作界面，以供用户直观的进行Recipe管理工作。下位机程序是存储和管理Recipe的实体。上位机和下位机的定义并不是绝对的，在多层管理中，上位机或下位机可以同时兼具上位机和下位机的功能，统称为工控机。
具体地，工艺开始前，上位机已将Recipe信息下发给下位机。工艺开始前，更下位的控制器件(例如用于直接控制硬件设备的可编程逻辑控制器)会预先接收下位机下发的相关参数，该参数包括电源设定功率、定时启动功率和电源加载时间，后续的工艺控制可由该控制器件通过模拟量输入来进行控制。在本实例中，启辉工艺和其后的沉积工艺用到直流电源，电源设定功率在两个工艺步骤中的值不同，其中启辉工艺中的电源设定功率小于定时启动功率，沉积工艺中的电源设定功率大于或等于定时启动功率，定时启动功率和电源加载时间分别为一个固定的值。当工艺进入启辉步骤后，接收下位机下发的判断启动指令，实时判断定时启动功率和电源设定功率是否满足预设条件。在本实例中，判断是否满足预设条件为实时判断电源设定功率是否大于或等于定时启动功率，当不满足预设条件，即当电源设定功率小于定时启动功率时，由下位机控制直流电源按照设定时长及启辉工艺中设置的电源设定功率开始加载；当满足预设条件，即电源设定功率大于或等于定时启动功率时，开始计时，同时控制直流电源按照沉积工艺中设置的电源设定功率进行加载，当达到电源加载时间后，控制直流电源关闭。
下面，以沉积氮化钛薄膜为例具体描述直流电源的控制方法。工艺开始前，上位机将Recipe下发到下位机中，工艺开始前，预先获取下位机中的相关参数，包括电源设定功率、定时启动功率和电源加载时间。其中定时启动功率为2000W，启辉工艺中的电源设定功率为500-1000W，沉积工艺中的电源设定功率为2000W-12000W。下一步，向设备腔室通入工艺气体，将工艺压力稳定到设定值，下位机继续执行Recipe，当进入启辉工艺步骤后，接收下位机下发的判断启动指令，开始比较定时启动功率和电源设定功率的大小，本实例启辉工艺中电源设定功率小于定时启动功率，由下位机控制直流电源以电源设定功率500-1000W开始加载，本实例中，加载时间为2-4s。进入沉积工艺步骤后，电源设定功率大于或等于定时启动功率，开始计时，同时开启直流电源，按照电源设定功率2000W-12000W开始加载；当达到电源加载时间后，控制直流电源关闭，沉积完成，本实例中，电源加载时间为5-20s。后续的工艺步骤按照本领域技术人员熟知的流程操作即可，此处不做阐述。在其他实例中，根据沉积的薄膜种类不同，厚度不同，电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间等参数根据需要设定即可。
基于本实施例提供的技术方案，不再由下位机通过现场总线方式来设定直流电源功率，而是由更下位的控制器件通过模拟量输入来直接设定直流电源功率。因此，相对于由工控机通过现场总线控制直流电源加载时间更为精确，可以保证直流电源加载的时间，从而确保镀膜膜厚的精确度，提高产品的一致性。
本发明一实施例还提供了一种直流电源控制装置，包括：
接收模块，用于预先接收工控机下发的参数指令，参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；
判断模块，用于在磁控溅射工艺的过程中，实时判断电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件；
执行模块，用于在判断模块判断电源设定功率和定时启动功率满足预设条件时，开始计时，同时控制直流电源输出电源设定功率；当计时时间达到电源加载时间后，关闭直流电源。
具体地，工艺开始前，由接收模块接收工控机下发的参数指令，参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间。在磁控溅射工艺进入启辉工艺步骤后，判断模块接收工控机下发的判断启动指令，判断模块开始实时判断电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件，本实例中，预设条件为电源设定功率大于或等于定时启动功率。当电源设定功率大于或等于定时启动功率时，执行模块开始计时，同时控制直流电源输出电源设定功率，当计时时间达到电源加载时间后，执行模块控制直流电源关闭。
需要说明的是，接收模块，判断模块和执行模块可以是在结构上独立的器件，也可以是一个或两个集成多功能的器件。可编程控制器具有存储、通信，处理数据等多种功能，以上接收模块，判断模块和执行模块的功能可以通过可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，简称为PLC)实现。以下描述可编程逻辑控制器控制直流电源开启与关闭的具体过程。
工艺开始后，下位机按照Recipe信息开始执行工艺，可编程控制器处于待工作状态，当可编程控制器接收到下位机发送的指令后，开始工作。在本实例中，启辉工艺和其后的沉积工艺用到直流电源，当下位机进入启辉工艺步骤后，下位机向可编程控制器发送判断启动指令。在其他实例中，可编程控制器的启用时间根据工艺情况确定。可编程控制器接收到下位机发送的指令后开始执行预先设定好的比较程序，比较定时启动功率和电源设定功率的大小。当电源设定功率小于定时启动功率时，由下位机控制直流电源按照电源设定功率和设定时间开始加载，进入沉积工艺后，当电源设定功率大于或等于定时启动功率时，可编程控制器开始计时，同时开启直流电源按照电源设定功率开始加载功率，当达到电源加载时间后，可编程控制器控制直流电源关闭。启辉工艺为沉积工艺的准备步骤，启辉工艺中的电源设定功率小于沉积工艺中的电源设定功率。定时启动功率为沉积工艺所需的直流电源功率的最小值。
具体的，上述技术方案的实施过程为：下位机预先将设定好的工艺Recipe中的电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间等参数下发到PLC中，PLC程序中存在一个由DC_SetPower(电源设定功率)和Timer_StartPower(定时启动功率)作比较而得出的变量DC_Work，当工艺Recipe进行到启辉(Ignition)工艺步骤时，DC_SetPower(500-1000W)会小于Timer_StartPower(2000W)，此时DC_Work的值为0，PLC的定时功能(定时器)不启动，电源的加载时间由下位机控制，一般为2-4s，当工艺Recipe进行到沉积(Deposition)工艺步骤时，DC_SetPower(2000W-12000W)会大于或等于Timer_StartPower(2000W)，DC_Work值即为1，PLC定时功能(定时器)启动，同时直流电源按照DC_SetPower电源设定功率来加载功率，当定时器计时到达工艺Recipe中设定的电源加载时间后，定时功能(定时器)关闭，电源同时切断输出，完成镀膜工艺。
在整个过程中，直流电源的控制流程如下：
1、执行工艺Recipe，下位机软件将DC_SetPower、Timer_StartPower、Timer等的设定值发送给PLC；
2、通入一定流量的工艺气体，保持一定的腔室工艺压力。
3、进入Ignition工艺步骤后，下位机控制PLC中电源开启信号DC_Start置1，PLC将DC_SetPower和Timer_StartPower作比较，若DC_SetPower<Timer_StartPower，Timer_Work信号为0，此时PLC定时器不开启，由下位机计时控制直流电源以500-1000W的功率加载2-4s。
4、进入Deposition工艺步骤后，DC_SetPower≥Timer_StartPower，Timer_Work信号为1，PLC定时器开启，PLC定时器控制电源以2000-12000W的功率工作5-20s。
5、当Deposition工艺步骤结束后，电源关闭输出，打开门阀将腔室抽至真空，工艺结束。
基于本实施例提供的技术方案，不再由下位机通过现场总线方式来设定直流电源功率，而是由更下位的控制器件(例如PLC)通过模拟量输入来直接设定直流电源功率。因此，相对于由工控机通过现场总线控制直流电源加载时间更为精确，可以保证直流电源加载的时间，从而确保镀膜膜厚的精确度，提高产品的一致性。
本发明一实施例还提供了一种直流电源控制系统，包括：工控机、直流电源控制装置，其中，工控机用于向直流电源控制装置下发参数指令，参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间。直流电源控制装置为上个实例中的直流电源控制装置，此处不再赘述。工控机还用于在电源设定功率和定时启动功率不满足预设条件时，控制直流电源输出电源设定功率，且输出的时长为预定时长。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种磁控溅射工艺中直流电源的控制方法，其特征在于，包括：
控制器件预先接收工控机下发的参数指令，所述参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；
在所述磁控溅射工艺的过程中，所述控制器件实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件；所述预设条件为：所述电源设定功率大于或等于所述定时启动功率，启辉工艺中的电源设定功率小于定时启动功率，沉积工艺中的电源设定功率大于或等于定时启动功率；
当所述电源设定功率和定时启动功率满足所述预设条件时，所述控制器件开始计时，同时控制所述直流电源输出所述电源设定功率；
当计时时间达到所述电源加载时间后，关闭所述直流电源；
当所述电源设定功率和定时启动功率不满足所述预设条件时，由所述工控机控制所述直流电源输出所述电源设定功率，且输出的时长为预定时长。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射工艺中直流电源的控制方法，其特征在于，在所述实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件之前，还包括：
当所述磁控溅射工艺进入启辉工艺步骤后，所述控制器件接收所述工控机下发的判断启动指令，开始执行所述实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件的步骤。
3.根据权利要求1所述的磁控溅射工艺中直流电源的控制方法，其特征在于，
所述定时启动功率的取值范围为2000W-12000W；和/或
所述电源加载时间的取值范围为5-20s。
4.一种直流电源控制装置，其特征在于，所述直流电源控制装置包括控制器件，所述控制器件包括：
接收模块，用于预先接收工控机下发的参数指令，所述参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；
判断模块，用于在磁控溅射工艺的过程中，实时判断所述电源设定功率和定时启动功率是否满足预设条件，所述预设条件为：所述电源设定功率大于或等于所述定时启动功率，启辉工艺中的电源设定功率小于定时启动功率，沉积工艺中的电源设定功率大于或等于定时启动功率；
执行模块，用于在所述判断模块判断所述电源设定功率和定时启动功率满足预设条件时，开始计时，同时控制直流电源输出所述电源设定功率；当计时时间达到所述电源加载时间后，关闭所述直流电源；
当所述电源设定功率和定时启动功率不满足所述预设条件时，由工控机控制所述直流电源输出所述电源设定功率，且输出的时长为预定时长。
5.根据权利要求4所述的直流电源控制装置，其特征在于，
判断模块，还用于在磁控溅射工艺进入启辉工艺步骤后，接收所述工控机下发的判断启动指令，开始实时判断当前步骤中所设定的所述电源设定功率和定时启动功率是否满足所述预设条件。
6.一种直流电源控制系统，其特征在于，包括：工控机、直流电源控制装置，其中，
所述工控机用于向所述直流电源控制装置下发参数指令，所述参数指令包括：电源设定功率、定时启动功率、电源加载时间；
所述直流电源控制装置为权利要求4-5任一项所述的直流电源控制装置；
所述工控机还用于在所述电源设定功率和定时启动功率不满足预设条件时，控制所述直流电源输出所述电源设定功率，且输出的时长为预定时长。
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