CN117410165B - 一种远程等离子源拓扑结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了CVD腔室清洁技术领域内的一种远程等离子源拓扑结构及其控制方法。该结构包括：控制单元、PWM驱动单元、整流滤波输入单元、谐振变换器、点火电路和采样单元，点火电路产生高压点火信号，使等离子体负载高频震荡电离，谐振变换器用以提供输入交流源；控制单元通过PWM驱动单元控制谐振变换器的输出电流。该远程等离子源拓扑结构无需匹配器，具有体积小、成本低的特点。同时，该远程等离子源具备两种控制模式：恒流模式和恒功率模式；恒流模式响应速度快，适合各种性质负载；恒功率模式下，在运行功率未达到阈值时，系统输出恒定电流，电压会根据输入气体负载的解速率和电阻率自动改变，可以减小开关损耗，增大功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及CVD腔室清洁技术领域，特别涉及一种远程等离子源拓扑结构及其控制方法。
背景技术
在化学气相沉积（CVD）反应室中定期去除薄膜沉积物是半导体制造技术中的重要要求。由于氟自由基与残留物的有效反应以及所得氟化物产物的高挥发性，使用含氟气体如六氟化硫SF6和三氟化氮NF3的等离子体蚀刻最常被广泛应用。
在半导体和光电子工业中，等离子体可用于许多工艺，例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，这些是在低压辉光放电下的半导体制造工艺中的常见系统。此外，低压等离子体还可用于腔室清洁和平板显示器制造。
随着半导体器件制造的高度集成化，沉积工艺的数量不断增加，腔室清洁工艺对于沉积设备保持正常的腔室条件变得至关重要。
申请号KR20150025978的现有专利：METHOD FOR CLEANING SEMICONDUCTORSUBSTRATE USING GAS-LIQUID HYBRID ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA，提出一种在弱酸溶液中使用气液混合常压等离子体清洁半导体衬底的方法，但其产生的废液容易造成容易造成污染；而申请号CN202211169962.0的现有专利：一种使用等离子中解离的F原子进行CVD室清洁以减少半导体行业温室气体排放的方法，提出一种使用等离子中解离的F2进行CVD室清洁以减少半导体行业温室气体排放的方法，但其采用13.56MHz的射频电源，且输出增加匹配器，其成本高，控制复杂，对CVD机台的反应腔室损伤大。
发明内容
本申请通过提供一种远程等离子源拓扑结构及其控制方法，通过高频磁场解离NF3，NH3，O2等目标气体，实现对腔室的清洁，由于其产物为气体，因此具有易回收、环境污染小等优点，同时采用高频变压器耦合方式进行功率传输，无需阻抗匹配电路，成本低，结构简单。
本申请实施例提供了一种远程等离子源拓扑结构，包括：控制单元、PWM驱动单元、整流滤波输入单元、谐振变换器、点火电路和采样单元；
所述点火电路设置于等离子体生成腔室内，所述点火电路用以实现对气体的点火启动，所述点火电路产生高压点火信号，使等离子体负载高频震荡电离；
所述整流滤波输入单元与所述谐振变换器相连接，用以向所述谐振变换器提供输入直流源；
所述谐振变换器与所述点火电路相连接，所述谐振变换器用以将所述输入直流源变换为交流源并向所述点火电路提供输入交流源；
所述采样单元与所述控制单元相连接，所述采样单元用以采集所述谐振变换器的电压及电流，并发送至所述控制单元；
所述控制单元根据接收的电压及电流信息发送驱动信号至所述PWM驱动单元；
所述PWM驱动单元根据所述驱动信号输出PWM信号波控制所述谐振变换器的输出电流。
上述实施例的有益效果在于：该远程等离子源拓扑结构中，谐振变换器用以产生高频能量加到点火电路，点火电路产生高压促使微电火花产生，将高频电场中的氩气等负载电离，电离成电子和离子；通过采样单元-控制单元-PWM驱动单元来调节谐振变换器，由谐振变换器提供功率来维持等离子体稳定。该远程等离子源拓扑结构，通过高频磁场解离目标气体，实现对腔室清洁，采用高频变压器耦合方式进行功率传输，无需阻抗匹配电路，成本低，结构简单，且方便控制。
在上述实施例基础上，本申请可进一步改进，具体如下：
在本申请其中一个实施例中，所述谐振变换器包括MOS管T1、T2、T3、T4、电感Lr、Lk、电容Cr、继电器S和变压器T1、T2，所述耦合变压器包括初级绕组和次级绕组，所述MOS管T1的源极和所述MOS管T2的漏极连接，所述MOS管T3的源极和所述MOS管T4的漏极连接，所述MOS管T1的漏极和所述MOS管T3的漏极连接，所述MOS管T2的源极和所述MOS管T4的源极连接，所述电感Lr的一端与所述MOS管T1的源极连接，另一端分别与所述电感Lk、电容Cr的一端连接，所述电感Lk的另一端分别与所述继电器S的一端、变压器T2的初级绕组一端连接，所述继电器S的另一端与所述变压器T1的初级绕组的一端连接，所述变压器T1的次级绕组与点火电路相连接，所述电容Cr的另一端分别与所述变压器T2的初级绕组的另一端、所述MOS管T4的漏极连接，所述变压器T2的次级绕组与所述等离子体负载连接。T1&T2、T3&T4各自串联后再并联构成谐振变换器，输入直流源施加于T1&T2、T3&T4两端，PWM驱动单元输出PWM信号波控制MOS管的开关频率或占空比来调节谐振变换器的输出电流或输出功率。
在本申请其中一个实施例中，所述采样单元用以采集所述初级绕组两端的电压及流经所述初级绕组的电流。
本申请实施例提供了一种上述远程等离子源拓扑结构的恒流控制方法，包括以下步骤：
S1：所述控制单元设置所述谐振变换器的电流Ip的目标值为Iset；
S2：向所述等离子体生成腔室内通入激发气体；
S3：启动所述点火电路，所述采样单元持续采集所述谐振变换器的电流Ip并发送至所述控制单元，若Ip＜Iset，则判定点火不成功，继续启动所述点火电路，如果Ip≥Iset，则点火成功，进入步骤S4；
S4：通入维持气体或被解离气体，所述控制单元通过所述PWM驱动单元调节所述谐振变换器的开关频率f或占空比d维持电流Ip稳定为Iset。
上述实施例的有益效果在于：由于通入的气体流量和CVD机台腔室内的压力和流量不稳定，需通过调节频率或者占空比维持Ip的稳定；恒流模式下，可实现长期稳定工作，适合各种性质的负载。
在本申请其中一个实施例中，所述控制单元将所述采样单元采集的所述谐振变换器输出电流Ip，与所述目标值Iset进行比较，输出PWM驱动信号给所述谐振变换器的MOS管T1、T2、T3、T4。电流参考值Iset会根据系统控制的不同时序而变化，系统通过调节频率或占空比维持电流的稳定，在恒流模式控制下，输出电流Ip能精准的跟踪电流参考值Iset。
在本申请其中一个实施例中，所述激发气体为氩气，所述维持气体为氮气。
本申请实施例提供了一种上述远程等离子源拓扑结构的恒功率控制方法，包括以下步骤：
S1：所述控制单元设置所述谐振变换器的电流Ip的目标值为Iset，输出功率Pout的目标值为Pset；
S2：向所述等离子体生成腔室内通入激发气体；
S3：启动所述点火电路，所述采样单元持续采集所述谐振变换器的电流Ip和电压Up并发送至所述控制单元，若Ip＜Iset，则判定点火不成功，继续启动所述点火电路，如果Ip≥Iset，则点火成功，进入步骤S4；
S4：通入维持气体或被解离气体，所述控制单元根据所述电流Ip和电压Up获得输出功率Pout，若Pout＜Pset，则所述控制单元通过所述PWM驱动单元调节所述谐振变换器的开关频率f或占空比d维持电流Ip稳定为Iset；增加通入气体的流量F，若Pout=Pset，则保持该功率运行，当增加气体流量过高，导致Pout＞Pset，则所述控制单元通过所述PWM驱动单元调节所述谐振变换器的开关频率f或占空比d维持输出功率Pout为Pset。
上述实施例的有益效果在于：恒功率模式下，在运行功率未达到阈值时，系统输出恒定电流，电压会根据输入气体的解速率和电阻率自动改变，可以减小开关损耗，提高响应速度。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、该远程等离子源拓扑结构无需匹配器，具有体积小、成本低的特点；
2、该远程等离子源拓扑结构通过变压耦合的方式实现能量的高效传输；
3、该远程等离子源拓扑结构能够实现远程等离子源的恒流/恒功率模式运行，实现CVD机台腔室清洗和刻蚀等工艺的精准控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明远程等离子源拓扑结构的结构框图；
图2为谐振变换器的电路示意图；
图3为本发明一种恒流控制方法的步骤流程图；
图4为本发明一种恒功率控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本发明描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
实施例1：
如图1所示，一种远程等离子源拓扑结构，包括控制单元、PWM驱动单元、整流滤波输入单元、DC/AC谐振变换器、点火电路和采样单元；点火电路设置于等离子体生成腔室内，点火电路用以实现对气体的点火启动；整流滤波输入单元与谐振变换器电连接，用以向谐振变换器提供输入直流源；谐振变换器与点火电路电连接，谐振变换器用以将输入直流源变换为交流源并向点火电路提供输入交流源；采样单元与控制单元电连接，采样单元用以采集谐振变换器的电压及电流，并发送至控制单元；控制单元根据接收的电压及电流信息发送驱动信号至PWM驱动单元；PWM驱动单元根据驱动信号输出PWM信号波控制谐振变换器的输出电流。
如图2所示，谐振变换器包括MOS管T1、T2、T3、T4、电感Lr、Lk、电容Cr、继电器S和耦合变压器T1、T2，耦合变压器包括初级绕组和次级绕组，MOS管T1的源极和MOS管T2的漏极连接，MOS管T3的源极和MOS管T4的漏极连接，MOS管T1的漏极和MOS管T3的漏极连接，MOS管T2的源极和MOS管T4的源极连接，电感Lr的一端与MOS管T1的源极连接，另一端分别与电感Lk、电容Cr的一端连接，电感Lk的另一端分别与继电器S的一端、变压器T2的初级绕组一端连接，继电器S的另一端与变压器T1的初级绕组的一端连接，变压器T1的次级绕组与点火电路相连接，电容Cr的另一端分别与变压器T2的初级绕组的另一端、MOS管T4的漏极连接，变压器T2的次级绕组与所述等离子体负载连接。其中Uin为输入直流源，Rp为等离子气体。
可选的，采样单元用以采集初级绕组两端的电压及流经初级绕组的电流。
可选的，谐振变换器与继电器S串联于变压器T1的初级绕组，变压器T1的次级绕组输出高压供给点火电路；当收到控制单元的点火信号，继电器S吸合点火，继电器S起到点火装置的保护作用，点火电路提供高压点火信号激发等离子负载。
实施例2：
如图3所示，一种如实施例1所示的远程等离子源拓扑结构的恒流控制方法，包括以下步骤：
S1：控制单元设置谐振变换器的电流Ip的目标值为Iset；
S2：向等离子体生成腔室内通入激发气体；
S3：启动点火电路，采样单元持续采集谐振变换器的电流Ip并发送至控制单元，若Ip＜Iset，则判定点火不成功，继续启动点火电路，如果Ip≥Iset，则点火成功，进入步骤S4；
S4：通入维持气体氮气或被解离气体，控制单元通过PWM驱动单元调节谐振变换器的开关频率f或占空比d维持电流Ip稳定为Iset。
进一步的，控制单元将采样单元采集的谐振变换器输出电流Ip，与所述目标值Iset进行比较，输出PWM驱动信号给所述谐振变换器的MOS管T1、T2、T3、T4。电流参考值Iset会根据系统控制的不同时序而变化，系统通过调节频率或占空比维持电流的稳定，在恒流模式控制下，输出电流Ip能精准的跟踪电流参考值Iset。
其中，输出电流Ip调节公式如下：
；
；
；
；
式中：Uin为输入电压幅值；n为变换器原边匝数N1与副边匝数N2的变比，n=N1/N2；等效增益H=8n/π2；Q为品质因数，Zn为特征阻抗；ω0为谐振频率，f为开关频率；Lr、Cr为谐振变换器的电感、电容值；Rp为等离子体负载。
可选的，激发气体为氩气，维持气体为氮气，被解离气体为NF3。
实施例3：
如图4所示，一种如实施例1所示的远程等离子源拓扑结构的恒功率控制方法，包括以下步骤：
S1：控制单元设置谐振变换器的电流Ip的目标值为Iset，输出功率Pout的目标值为Pset；
S2：向等离子体生成腔室内通入激发气体；
S3：启动点火电路，采样单元持续采集谐振变换器的电流Ip和电压Up并发送至控制单元，若Ip＜Iset，则判定点火不成功，继续启动点火电路，如果Ip≥Iset，则点火成功，进入步骤S4；
S4：通入维持气体或被解离气体，控制单元根据电流Ip和电压Up获得输出功率Pout，若Pout＜Pset，则所述控制单元通过所述PWM驱动单元调节所述谐振变换器的开关频率f或占空比d维持电流Ip稳定为Iset；增加通入气体的流量F，若Pout=Pset，则保持该功率运行，当增加气体流量过高，导致Pout＞Pset，则控制单元通过PWM驱动单元调节谐振变换器的开关频率f或占空比d维持输出功率Pout为Pset。
其中，输出电流Ip、功率Pout调节公式如下：
；
；
；
；
；
式中：Uin为输入电压幅值；n为变换器原边匝数N1与副边匝数N2的变比，n=N1/N2；等效增益H=8n/π2；Q为品质因数，Zn为特征阻抗；ω0为谐振频率，f为开关频率；Lr、Cr为谐振变换器的电感、电容值；Rp为等离子体负载。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
1、该远程等离子源拓扑结构无需匹配器，具有体积小、成本低的特点；
2、该远程等离子源拓扑结构通过变压耦合的方式实现能量的高效传输；
3、该远程等离子源具备两种控制模式：恒流模式和恒功率模式；恒流模式响应速度快，适合各种性质负载；恒功率模式下，在运行功率未达到阈值时，系统输出恒定电流，电压会根据输入气体负载的解速率和电阻率自动改变，可以减小开关损耗，增大功率密度。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种远程等离子源拓扑结构，其特征在于，包括：控制单元、PWM驱动单元、整流滤波输入单元、谐振变换器、点火电路和采样单元；
所述点火电路设置于等离子体生成腔室内，所述点火电路用以实现对气体的点火启动，所述点火电路产生高压点火信号，使等离子体负载高频震荡电离；
所述整流滤波输入单元与所述谐振变换器相连接，用以向所述谐振变换器提供输入直流源；
所述谐振变换器与所述点火电路相连接，所述谐振变换器用以将所述输入直流源变换为交流源并向所述点火电路提供输入交流源；
所述采样单元与所述控制单元相连接，所述采样单元用以采集所述谐振变换器的电压及电流，并发送至所述控制单元；
所述控制单元根据接收的电压及电流信息发送驱动信号至所述PWM驱动单元；
所述PWM驱动单元根据所述驱动信号输出PWM信号波控制所述谐振变换器的输出电流。
2.根据权利要求1所述的远程等离子源拓扑结构，其特征在于：所述谐振变换器包括MOS管T1、T2、T3、T4、电感Lr、Lk、电容Cr、继电器S和变压器T1、T2，所述MOS管T1的源极和所述MOS管T2的漏极连接，所述MOS管T3的源极和所述MOS管T4的漏极连接，所述MOS管T1的漏极和所述MOS管T3的漏极连接，所述MOS管T2的源极和所述MOS管T4的源极连接，所述电感Lr的一端与所述MOS管T1的源极连接，另一端分别与所述电感Lk、电容Cr的一端连接，所述电感Lk的另一端分别与所述继电器S的一端、变压器T2的初级绕组一端连接，所述继电器S的另一端与所述变压器T1的初级绕组的一端连接，所述变压器T1的次级绕组与点火电路相连接，所述电容Cr的另一端分别与所述变压器T2的初级绕组的另一端、所述MOS管T4的漏极连接，所述变压器T2的次级绕组与所述等离子体负载连接。
3.根据权利要求2所述的远程等离子源拓扑结构，其特征在于：所述采样单元用以采集所述初级绕组两端的电压及流经所述初级绕组的电流。
4.根据权利要求2所述的远程等离子源拓扑结构，其特征在于：所述变压器T1的次级绕组输出高压供给所述点火电路；当收到所述控制单元的点火信号，所述继电器S吸合点火，所述继电器S起到保护所述点火电路的作用。
5.一种采用如权利要求2所述的远程等离子源拓扑结构的恒流控制方法，包括以下步骤：
S1：所述控制单元设置所述谐振变换器的电流Ip的目标值为Iset；
S2：向所述等离子体生成腔室内通入激发气体；
S3：启动所述点火电路，所述采样单元持续采集所述谐振变换器的电流Ip并发送至所述控制单元，若Ip＜Iset，则判定点火不成功，继续启动所述点火电路，如果Ip≥Iset，则点火成功，进入步骤S4；
S4：通入维持气体或被解离气体，所述控制单元通过所述PWM驱动单元调节所述谐振变换器的开关频率f或占空比d维持电流Ip稳定为Iset。
6.根据权利要求5所述的恒流控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述控制单元将所述采样单元采集的所述谐振变换器输出电流Ip，与所述目标值Iset进行比较，输出PWM驱动信号给所述谐振变换器的MOS管T1、T2、T3、T4，其中，所述目标值Iset会由所述控制单元控制进行变化。
7.根据权利要求5所述的恒流控制方法，其特征在于，所述电流Ip调节公式如下：
；
；
；
；
式中：Uin为输入电压幅值；n为变换器原边匝数N1与副边匝数N2的变比，n=N1/N2；等效增益H=8n/π2；Q为品质因数，Zn为特征阻抗；ω0为谐振频率，f为开关频率；Lr、Cr为谐振变换器的电感、电容值；Rp为等离子体负载。
8.根据权利要求5所述的恒流控制方法，其特征在于：所述激发气体为氩气，所述维持气体为氮气。
9.一种采用如权利要求2所述的远程等离子源拓扑结构的恒功率控制方法，包括以下步骤：
S1：所述控制单元设置所述谐振变换器的电流Ip的目标值为Iset，输出功率Pout的目标值为Pset；
S2：向所述等离子体生成腔室内通入激发气体；
S3：启动所述点火电路，所述采样单元持续采集所述谐振变换器的电流Ip和电压Up并发送至所述控制单元，若Ip＜Iset，则判定点火不成功，继续启动所述点火电路，如果Ip≥Iset，则点火成功，进入步骤S4；
S4：通入维持气体或被解离气体，所述控制单元根据所述电流Ip和电压Up获得输出功率Pout，若Pout＜Pset，则所述控制单元通过所述PWM驱动单元调节所述谐振变换器的开关频率f或占空比d维持电流Ip稳定为Iset；增加通入气体的流量F，若Pout=Pset，则保持该功率运行，当增加气体流量过高，导致Pout＞Pset，则所述控制单元通过所述PWM驱动单元调节所述谐振变换器的开关频率f或占空比d维持输出功率Pout为Pset。
10.根据权利要求9所述的恒功率控制方法，其特征在于：所述电流Ip、所述输出功率Pout调节公式如下：
；
；
；
；
；
式中：Uin为输入电压幅值；n为变换器原边匝数N1与副边匝数N2的变比，n=N1/N2；等效增益H=8n/π2；Q为品质因数，Zn为特征阻抗；ω0为谐振频率，f为开关频率；Lr、Cr为谐振变换器的电感、电容值；Rp为等离子体负载。
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