CN114501764B - 基于多线圈耦合的气体解离电路控制装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多线圈耦合的气体解离电路控制装置，应用于气体解离系统，所述气体解离系统包括解离腔室和气体解离电路，包括离化率检测装置，用于检测所述解离腔室内气体的离化率；气体解离电路控制装置用于根据所述离化率、参考离化率、所述气体解离电路的电流和参考电流实现对所述气体解离电路的控制，通过检测到的离化率调节气体解离电路，便于提高气体解离率。本发明还提供了一种气体解离系统。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种基于多线圈耦合的气体解离电路控制装置及气体解离系统。
背景技术
等离子体是指由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，一般可以通过容性耦合或射频感性耦合产生，在材料、能源、信息等领域得到广泛的应用。
等离子体辅助材料加工已在许多工业工厂得到广泛应用。在半导体和光电子行业，等离子体可用于多种工艺，如等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、反应离子蚀刻和等离子体浸没离子注入。此外，低压等离子体还可用于腔室清洁和平板显示器制造。表面处理技术可用于生物医学器械的灭菌。特别是，对于大气压等离子体(如臭氧)，它可以应用于多种类型的清洁，如农业、食品消毒、水净化和便携式空气滤清器。为了提高化学气相沉积工艺的生产率，防止腔室受到污染是主要关注的问题。
目前国内外的等离子源主要为射频感性耦合等离子体源(Inductively CoupledPlama source，ICP)，射频感性耦合等离子体源具有低压高密，均匀性好，装置简单以及性价比高的特点，在半导体制造和材料科学领域里得到了广泛地应用，如多晶硅、二氧化硅和金属材料的刻蚀，以及金属氧化物薄膜制备等。现有的等离子体源通过点火电路激发点火气体(如氮气)离子化，通过射频感性耦合产生磁场，对清洁气体如(NF3)进行电离并维持稳定的等离子体，以产生一定密度的氟离子用于对芯片制程腔室的清洁。但现有技术中气体解离缺少控制，气体解离率低。
因此，有必要提供一种新型的气体解离电路控制装置及气体解离系统以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多线圈耦合的气体解离电路控制装置及气体解离系统，便于提高气体解离率。
为实现上述目的，本发明的所述基于多线圈耦合的气体解离电路控制装置，应用于气体解离系统，所述气体解离系统包括解离腔室和气体解离电路，包括：
离化率检测装置，用于检测所述解离腔室内气体的离化率；以及
气体解离电路控制装置，用于根据所述离化率、参考离化率、所述气体解离电路的电流和参考电流实现对所述气体解离电路的控制。
所述基于多线圈耦合的气体解离电路控制装置的有益效果在于：离化率检测装置用于检测所述解离腔室内气体的离化率，气体解离电路控制装置用于根据所述离化率、参考离化率、所述气体解离电路的电流和参考电流实现对所述气体解离电路的控制，通过检测到的离化率调节气体解离电路，便于提高气体解离率。
可选地，所述离化率检测装置包括维持气体输入气体解离电路控制装置，与所述解离腔室连通，用于控制输入所述解离腔室的维持气体的量。其有益效果在于：便于控制输入所述解离腔室的维持气体的量。
可选地，所述离化率检测装置还包括输出检测单元，与所述解离腔室连通，用于检测所述解离腔室输出气体中剩余所述维持气体的量。其有益效果在于：便于检测所述解离腔室输出气体中剩余所述维持气体的量。
可选地，所述离化率检测装置还包括计算单元，与所述维持气体输入气体解离电路控制装置和所述输出检测单元连接，用于根据输入所述解离腔室的维持气体的量和输出所述解离腔室的气体中剩余所述维持气体的量计算离化率。
可选地，所述气体解离电路控制装置包括维持控制子单元，所述维持控制子单元包括第二比较单元、第三比较单元、第二比例积分控制器和第三比例积分控制器，所述第二比较单元与所述离化率检测装置连接，用于比较所述离化率与所述参考离化率的大小，以输出第一误差数据，所述第二比例积分控制器与所述第二比较单元连接，用于根据所述第一误差数据输出调整参考电流，所述第三比较单元与所述第二比例积分控制器和所述气体解离电路连接，用于比较所述调整参考电流和所述气体解离电路的电流大小，以输出第二误差数据，所述第三比例积分控制器与所述第三比较单元连接，用于根据所述第二误差数据输出电流源控制信号，以调整所述气体解离电路的电流大小。
可选地，所述气体解离电路控制装置包括点火控制子单元，所述点火控制子单元包括第一比较单元和第一比例积分控制器，所述第一比较单元与所述气体解离电路连接，用于比较所述参考电流和所述气体解离电路的电流大小，以得到第一比较结果数据，所述第一比例积分控制器与所述第一比较单元和所述气体解离电路连接，用于根据所述第一比较结果数据输出开关单元控制信号，以控制所述气体解离电路的点火。
本发明还提供了一种气体解离系统，包括：
所述气体解离电路控制装置；
气体解离电路；以及
解离腔室。
所述气体解离系统的有益效果在于：气体解离电路控制装置通过检测到的离化率调节气体解离电路，便于提高气体解离率。
附图说明
图1为现有技术中传统气体解离系统的结构示意图；
图2为本发明气体解离系统的结构示意图；
图3为本发明一些实施例中离化率检测装置的结构框图；
图4为本发明一些实施例中点火控制子单元的结构框图；
图5为本发明一些实施例中维持控制子单元的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
图1为现有技术中传统气体解离系统的结构示意图。参照图1，传统气体解离系统100包括第一变压器101、第二变压器102、电源103和点火装置104，所述第一变压器101包括第一主级子线圈1011和第一副级子线圈1012，所述第二变压器102包括第二主级子线圈1021和第二副级子线圈1022，所述第一主级子线圈1011的一端和所述第二主级子线圈1021的一端均与所述电源103的一端连接，所述第一主级子线圈1011的另一端和所述第二主级子线圈1021的另一端均与所述点火装置104连接，所述点火装置104与所述电源103的另一端连接。
参照图1，所述电源103输出的总电流大小为I，所述第一主级子线圈1011上的第一子电流大小为I1，所述第二主级子线圈1021上的第二子电流大小为I2，I＝I1+I2，在对电流调节过程中，调节所述总电流大小，而无法对所述第一子电流和所述第二子电流进行控制，由于所述第一主级子线圈1011和所述第二主级子线圈1021的阻抗存在差异，因此无法保证所述第一子电流和所述第二子电流的大小相等，进而无法保证所述第一副级子线圈1012上的电流和所述第二副级子线圈1022上的电流大小相等，所述第一副级子线圈1012产生的磁场强度和所述第二副级子线圈1022产生的磁场强度不同，导致气体离化率不等，影响整体气体离化率。
针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种气体解离系统。参照图2，所述气体解离系统200包括气体解离电路201、解离腔室202和基于多线圈耦合的气体解离电路控制装置(图中未标示)。
一些实施例中，所述气体解离电路包括至少两个解离变压器和至少两个电抗。
参照图2，所述气体解离电路201包括两个解离变压器2011和两个电抗(图中未示出)，所述解离变压器2011包括第一主线圈20111和第一副线圈20112，所述第一主线圈20111之间串联，所述第一副线圈20112与所述电抗一一对应设置，且所述第一副线圈20112与所述电抗串联，所有所述解离变压器2011的匝数比均相同，所述匝数比为同一所述解离变压器2011内所述第一主线圈20111的匝数和所述第一副线圈20112的匝数的比值。所述第一主线圈20111之间串联，所述第一主线圈20111上的电流大小相同，由于所有所述解离变压器2011的匝数比均相同，则所述第一副线圈20112上的电流均相同，所有所述第一副线圈20112产生的磁场强度也相等，使得气体的离化率相同，进而提高了气体离化率。
参照图2，所述解离变压器2011还包括第一磁芯20113，所述第一主线圈20111和所述第一副线圈20112环绕于所述第一磁芯20113的外侧。
参照图2，所述气体解离电路201还包括点火单元2012，所述点火单元2012包括点火变压器20121、电容20122、开关单元20123和点燃电极(图中未示出)，所述点火变压器20121包括第二主线圈201211和第二副线圈201212，所述第二主线圈201211和所述第一主线圈20111串联，所述电容20122与所述第二主线圈201211并联，所述开关单元20123与所述第二主线圈201211并联，所述点燃电极与所述第二副线圈201212串联，所述点燃电极设置于所述解离腔室202内。
一些实施例中，所述开关单元为功率开关。可选地，所述开关单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
参照图2，所述点火变压器20121还包括第二磁芯201213，所述第二主线圈201211和所述第二副线圈201212环绕于所述第二磁芯201213的外侧。
参照图2，所述气体解离电路201还包括电流源2013，所述电流源2013与所述第一主线圈20111串联。
参照图2，所述气体解离系统200还包括离化率检测装置203，所述离化率检测装置203用于检测所述解离腔室202内气体的离化率。
图3为本发明一些实施例中离化率检测装置的结构框图。参照图3，所述离化率检测装置203包括维持气体输入气体解离电路控制装置2031、输出检测单元2032和计算单元2033，所述维持气体输入气体解离电路控制装置2031用于控制输入所述解离腔室202的维持气体的量，所述输出检测单元2032用于检测所述解离腔室202输出气体中剩余所述维持气体的量，所述计算单元2033用于根据输入所述解离腔室202的维持气体的量和输出所述解离腔室202的气体中剩余所述维持气体的量计算离化率。可选地，所述维持气体输入气体解离电路控制装置2031为流量阀，所述输出检测单元2032为质谱仪，所述计算单元2033为除法器。
一些实施例中，所述气体解离系统还包括点燃气体输入气体解离电路控制装置，用于控制输入所述解离腔室内的点燃气体的量。可选地，所述点燃气体输入气体解离电路控制装置为流量阀。
参照图2，所述气体解离系统200还包括气体解离电路控制装置204，用于根据所述第二主线圈201211内的电流、参考电流、所述离化率和参考离化率调节所述电流源2013和所述开关单元20123。
一些实施例中，所述气体解离电路控制装置包括点火控制子单元和维持控制子单元，
图4为本发明一些实施例中点火控制子单元的结构框图。参照图4，所述点火控制子单元2041包括第一比较单元20411和第一比例积分控制器20412，所述第一比较单元20411与所述气体解离电路连接，用于比较所述参考电流和所述第二主线圈内的电流大小，以得到第一比较结果数据，所述第一比例积分控制器20412与所述第一比较单元和所述气体解离电路连接，用于根据所述第一比较结果数据输出开关单元控制信号，以控制所述气体解离电路的点火。具体地，所述第一比例积分控制器20412与所述开关单元连接，以控制所述开关单元的导通或关断。
一些实施例中，所述第一比较单元判断所述参考电流和所述第二主线圈内的电流大小相等，则所述第一比例积分控制器控制所述开关单元导通。
一些实施例中，所述第一比较单元判断所述参考电流和所述第二主线圈内的电流大小不相等，则所述第一比例积分控制器控制所述开关单元关断。
图5为本发明一些实施例中维持控制子单元的结构框图。参照图5，所述维持控制子单元2042包括第二比较单元20421、第三比较单元20422、第二比例积分控制器20423和第三比例积分控制器20424，所述第二比较单元20421与所述离化率检测装置连接，用于比较所述离化率与所述参考离化率的大小，以输出第一误差数据，所述第二比例积分控制器20423与所述第二比较单元连接，用于根据所述第一误差数据输出调整参考电流，所述第三比较单元20422与所述第二比例积分控制器20423和所述气体解离电路连接，用于比较所述调整参考电流和所述第二主线圈内的电流大小，以输出第二误差数据，所述第三比例积分控制器20424与所述第三比较单元20422连接，用于根据所述第二误差数据输出电流源控制信号，以调整所述气体解离电路的电流大小。具体地，所述第三比例积分控制器20424与所述电流源连接，以调整所述电流源的输出电流大小。
一些实施例中，所述第一比较单元判断所述离化率大于所述参考离化率，则所述第二比例积分控制器输出的所述调整参考电流大于所述参考电流，所述第三比较单元判断所述调整参考电流大于所述参考电流，则所述第三比例积分控制器控制所述电流源的输出电流大小变小。
一些实施例中，所述第一比较单元判断所述离化率小于所述参考离化率，则所述第二比例积分控制器输出的所述调整参考电流小于所述参考电流，所述第三比较单元判断所述调整参考电流小于所述参考电流，则所述第三比例积分控制器控制所述电流源的输出电流大小变大。
一些实施例中，所述第一比较单元判断所述离化率等于所述参考离化率，则所述第二比例积分控制器输出的所述调整参考电流等于所述参考电流，所述第三比较单元判断所述调整参考电流等于所述参考电流，则所述第三比例积分控制器控制所述电流源的输出电流大小不变。
一些实施例中，所述气体解离电路上电，即所述解离变压器和所述点火变压器进入工作状态，所述点燃气体输入气体解离电路控制装置打开向所述解离腔室输送点燃气体；
所述点火控制子单元控制所述开关单元关断，所述电容储能高压进行点火；
所述点火控制子单元检测所述参考电流和所述第二主线圈内的电流大小是否相等，如果所述参考电流和所述第二主线圈内的电流大小不相等，则代表点火失败，则重新进行点火，直至所述参考电流和所述第二主线圈内的电流大小相等，然后点火控制子单元控制所述开关单元导通；
所述维持气体输入气体解离电路控制装置打开控制输入所述解离腔室的维持气体的量，维持气体进入所述解离腔室，持续阈值时间后，例如10s，所述输出检测单元检测所述解离腔室输出气体中剩余所述维持气体的量，所述计算单元根据入所述解离腔室的维持气体的量和所述解离腔室输出气体中剩余所述维持气体的量计算离化率；
所述维持控制子单元根据所述离化率、所述参考离化率和所述参考电流调整所述电流源的输出电流大小。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (6)
1.一种基于多线圈耦合的气体解离电路控制装置，其特征在于，应用于气体解离系统，所述气体解离系统包括解离腔室和气体解离电路，包括：
离化率检测装置，用于检测所述解离腔室内气体的离化率；以及
气体解离电路控制装置，用于根据所述离化率、参考离化率、所述气体解离电路的电流和参考电流实现对所述气体解离电路的控制；
所述气体解离电路控制装置包括维持控制子单元，所述维持控制子单元包括第二比较单元、第三比较单元、第二比例积分控制器和第三比例积分控制器，所述第二比较单元与所述离化率检测装置连接，用于比较所述离化率与所述参考离化率的大小，以输出第一误差数据，所述第二比例积分控制器与所述第二比较单元连接，用于根据所述第一误差数据输出调整参考电流，所述第三比较单元与所述第二比例积分控制器和所述气体解离电路连接，用于比较所述调整参考电流和所述气体解离电路的电流大小，以输出第二误差数据，所述第三比例积分控制器与所述第三比较单元连接，用于根据所述第二误差数据输出电流源控制信号，以调整所述气体解离电路的电流大小。
2.根据权利要求1所述的气体解离电路控制装置，其特征在于，所述离化率检测装置包括维持气体输入气体解离电路控制装置，与所述解离腔室连通，用于控制输入所述解离腔室的维持气体的量。
3.根据权利要求2所述的气体解离电路控制装置，其特征在于，所述离化率检测装置还包括输出检测单元，与所述解离腔室连通，用于检测所述解离腔室输出气体中剩余所述维持气体的量。
4.根据权利要求3所述的气体解离电路控制装置，其特征在于，所述离化率检测装置还包括计算单元，与所述维持气体输入气体解离电路控制装置和所述输出检测单元连接，用于根据输入所述解离腔室的维持气体的量和输出所述解离腔室的气体中剩余所述维持气体的量计算离化率。
5.根据权利要求1所述的气体解离电路控制装置，其特征在于，所述气体解离电路控制装置包括点火控制子单元，所述点火控制子单元包括第一比较单元和第一比例积分控制器，所述第一比较单元与所述气体解离电路连接，用于比较所述参考电流和所述气体解离电路的电流大小，以得到第一比较结果数据，所述第一比例积分控制器与所述第一比较单元和所述气体解离电路连接，用于根据所述第一比较结果数据输出开关单元控制信号，以控制所述气体解离电路的点火。
6.一种气体解离系统，其特征在于，包括：
如权利要求1～5任意一项所述的气体解离电路控制装置；
气体解离电路；以及
解离腔室。
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