CN117615498B - 一种远程等离子源预激发点火电路及自适应点火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造技术领域，提供了一种远程等离子源预激发点火电路及自适应点火方法，其中电路包括控制单元、PWM驱动单元、谐振变换器、点火电路、采样单元和继电器，控制单元用于控制PWM驱动单元输出脉冲信号；PWM驱动单元控制谐振变换器的输出电流；谐振变换器将PWM驱动单元输出的脉冲信号转换为交流源，并用于为点火电路提供输入交流源；点火电路用于产生高压点火信号，使等离子体负载高频振荡电离；采样单元用于采集点火电路的点火电流，及谐振变换器的输出电压和输出电流；继电器由控制单元控制吸合或断开。通过对点火电压与电流的采样，实时判断远程等离子源腔体寿命，通过减少不必要的溅射，及消除生产过程中的点火故障来提高产量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种远程等离子源预激发点火电路及自适应点火方法。
背景技术
化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）是用于薄膜沉积的主要两类方法。在每种情况下，将基底放置在沉积室中，并且沉积膜的组分通常通过气相输送到基底的表面，然后形成沉积膜。在CVD中，反应气体之间发生化学反应以在衬底上沉积薄膜。在PVD中，使用物理方法来产生通过低压气相然后冷凝在衬底上的组成原子。
所有薄膜沉积工艺的问题之一是腔室的清洁。在所有的沉积过程中，相同的材料沉积在室壁上，因为它们沉积在室中的晶片上。随着膜厚的增加，膜-壁界面处的机械应力增加。在足够的厚度和应力下，界面分层并产生剥落颗粒，然后剥落颗粒离开室壁并转移到晶片的表面。这通常被称为颗粒污染，它是导致最终产品故障的点缺陷的主要机制。为了避免这个问题，典型的程序是定期清洁腔室壁以去除所有沉积的膜。腔室清洁通常是沉积工艺中的速率限制步骤，因此更快的腔室清洁提高了整体生产率。
目前，用于产生氟原子的远程等离子体源广泛用于半导体处理工业中的腔室清洁，特别是用于沉积的腔室的清洁。远程等离子体源的使用避免了典型的原位腔室清洁的内部腔室材料的侵蚀。远程等离子体源的工作一般先通入氩气或者氦气并施加高压进行预激发（点火），然后通入清洁气体入NF3电离产生原子进行腔室清洁，现有CVD/PVD机台腔室中的压力较大，在真空中，机台腔室扩散的空气分子、水、氟化物气体和前体可吸附在远程等离子体源表面上，因此会出现远程等离子源预激发不稳定的情况。
现有技术对于预激发电压无法调节，出现激发不良情况只能对远程等离子源更换反应腔体，造成成本增加。过低的点火电压容易造成无法点火，过高的点火电压容易造成等离子腔室损伤。无法有效预估等离子腔体寿命导致远程等离子体的状态无法平衡，设备提前更换腔体导致成本增加，设备继续使用RPS腔体颗粒物增加污染CVD/PVD腔室导致经济损失。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种远程等离子源预激发点火电路及自适应点火方法，以解决目前远程等离子源的腔体对预激发电压无法调节造成点火失败，或提前更换腔体造成成本增加的问题。
第一方面，本发明提供的一种远程等离子源预激发点火电路，包括控制单元、PWM驱动单元、谐振变换器、点火电路、采样单元和继电器，
所述控制单元用于控制所述PWM驱动单元输出脉冲信号；
所述PWM驱动单元控制所述谐振变换器的输出电流；所述谐振变换器的输出电流影响所述点火电路的输入电流；
所述谐振变换器将所述PWM驱动单元输出的脉冲信号转换为交流源，并用于为所述点火电路提供输入交流源；
所述点火电路用于产生高压点火信号，使等离子体负载高频振荡电离；
所述采样单元用于采集所述点火电路的点火电流，及所述谐振变换器的输出电压/>和输出电流/>；
所述继电器由所述控制单元控制吸合或断开。
由上述技术方案可知，本发明提供的远程等离子源预激发点火电路，通过对点火电压与电流的采样，实时判断远程等离子源腔体寿命，通过减少不必要的溅射，及消除生产过程中的点火故障来提高产量。
可选地，所述谐振变换器包括变压器T，所述点火电路和所述变压器T的次级线圈N3连接。通过变压耦合的方式能够实现能量的高效传输，降低成本。
可选地，还包括维持电路，所述维持电路和所述变压器T的次级线圈N2串联，所述维持电路用于在所述继电器断开时维持母线电压。
可选地，所述谐振变换器为全桥LCL谐振变换器。
第二方面，本发明提供的一种自适应点火方法，适用于第一方面提供的任一种可能实现方式的远程等离子源预激发电路，包括：
通入激发气体；
在接收到点火指令后，驱动吸合继电器，且继电器零电压开启；
启动PWM驱动单元向所述谐振变压器输入PWM驱动信号；
采样所述谐振变换器的输出电流、输出电压/>和点火电流/>；在符合成功点火条件且判定点火正常时，断开继电器S；若不符合成功点火条件，但满足点火失败条件，则重新启动PWM驱动单元；若不符合成功点火条件及点火失败条件，则判定点火错误，断开继电器S；若判定点火不正常，则进入自适应参数调整流程。
由上述技术方案可知，本发明提供的自适应点火方法，可自适应调整等离子体点火时长和点火电压，提高点火成功率。
可选地，所述点火失败条件包括：Ip＜Ipset，同时Is＜Iset，Uab＜Uref；其中为谐振变换器的输出电流，/>为点火电流，/>为谐振变换器的输出电压；/>为谐振变换器的预设输出电流阈值，/>为预设的点火电流阈值，/>为谐振变可选地，所述成功点火条件包括：Ipset≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset≤Is≤Ismax，Uref≤Uab≤Uabmax；其中/>、/>和/>分别为所述变压器T的输出电流/>、所述气体预激发电流和所述变压器输入电压的上限值。
可选地，所述自适应参数调整流程，包括：
第一调整阶段：将点火时间由增加至/>且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，判定是否满足Ipset1≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset1≤Is≤Ismax，Uref1≤Uab≤Uabmax，若满足则进入第二调整阶段；否则判定点火错误，断开继电器S；其中/>；
第二调整阶段：调整频率F，同时将预激发电压由V1调整至且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，判定满足Ipset2≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset2≤Is≤Ismax，Uref2≤Uab≤Uabmax，若满足则进入第三调整阶段；否则判定点火错误，断开继电器S；其中/>；
第三调整阶段：同步调整预激发电压至及点火时间至/>且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，循环第三调整阶段，在循环次数达到上限值时判定点火错误，断开继电器S；其中/>，/>。
可选地，所述方法还包括：
依据点火电压、点火时长信息对腔体寿命进行评估；
在点火时间大于阈值Tref，或点火电压Ucd大于阈值Uset时，更换腔体或RPS。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
1.本发明通过对点火电压与点火电流进行采样，自适应调整等离子体点火时长与点火电压，提高点火成功率；实时判断远程等离子源腔体寿命可以帮助半导体制造商通过减少不必要的溅射，及消除生产过程中的点火故障来提高产量。
2.本发明通过对主变压器耦合高压点火线圈，提高系统器件耦合性，降低成本。
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示出了本发明实施例提供的一种远程等离子源预激发点火电路的示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种自适应点火方法的流程图；
图3示出了本发明实施例提供的第一调整阶段的波形示意图；
图4示出了本发明实施例提供的第二调整阶段的波形示意图；
图5示出了本发明实施例提供的第三调整阶段的波形示意图；
图6示出了本发明实施例提供的点火电压和腔体寿命的示意图；
图7示出了本发明实施例提供的等离子体关联点火电压的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种远程等离子源预激发点火电路，包括控制单元、PWM驱动单元、谐振变换器、点火电路、采样单元和继电器，控制单元用于控制PWM驱动单元输出脉冲信号；PWM驱动单元控制谐振变换器的输出电流；谐振变换器的输出电流影响点火电路的输入电流；谐振变换器将PWM驱动单元输出的脉冲信号转换为交流源，并用于为点火电路提供输入交流源；点火电路用于产生高压点火信号，使等离子体负载高频振荡电离；采样单元用于采集点火电路的点火电流，及谐振变换器的输出电压/>和输出电流/>；继电器由控制单元控制吸合或断开。通过对点火电压与电流的采样，实时判断远程等离子源腔体寿命，通过减少不必要的溅射，及消除生产过程中的点火故障来提高产量。
具体地，谐振变换器包括变压器T，点火电路和变压器T的次级线圈N3连接。通过变压耦合的方式能够实现能量的高效传输，降低成本。
谐振变换器还耦合连接有维持电路，维持电路和变压器T的次级线圈N2串联，维持电路用于在继电器断开时维持母线电压。
具体地，谐振变换器为全桥LCL谐振变换器。
实施例2
如图2所示，本实施例提供的一种自适应点火方法，适用于实施例1提供的远程等离子源预激发电路，包括：
远程等离子源开机运行后，首先系统设置气体预激发Iset值，通入激发气体；
判断是否接收到点火信号，在接收到点火指令后，驱动吸合继电器，且继电器零电压开启；
启动PWM驱动单元向谐振变压器输入PWM驱动信号；否则系统接着通入激发气体；此时谐振变换器的初级绕组段输出电压Uab和刺激绕组N3的输出电压Ucd的幅值恒定；Ucd施加到腔体两端负载形成电容耦合等离子体CCP，电子在磁场的约束下进行运动撞击激发气体电离。
采样谐振变换器的输出电流、输出电压/>和点火电流/>；在符合成功点火条件且判定点火正常时，断开继电器S；若不符合成功点火条件，但满足点火失败条件，则重新启动PWM驱动单元；若不符合成功点火条件及点火失败条件，则判定点火错误，断开继电器S；若判定点火不正常，则进入自适应参数调整流程本实施例提供的自适应点火方法，可自适应调整等离子体点火时长和点火电压，提高点火成功率。
参见图2，点火失败条件包括：Ip＜Ipset，同时Is＜Iset，Uab＜Uref；其中为谐振变换器的输出电流，/>为点火电流，/>为谐振变换器的输出电压；/>为谐振变换器的预设输出电流阈值，/>为预设的点火电流阈值，/>为谐振变换器的预设输出电压阈值。
可选地，成功点火条件包括：Ipset≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset≤Is≤Ismax，Uref≤Uab≤Uabmax；其中、/>和/>分别为变压器T的输出电流/>、气体预激发电流和变压器输入电压的上限值。当检测到Ip＜Ipset，同时Is＜Iset，Uab＜Uref时系统为点火失败，需要重新启动点火电路。若同时不满足点火正常条件及点火失败条件，则Ip＞Ipmax，同时Is＞Ismax，Uab＞Uabmax，判定点火错误，系统报错并断开继电器S，从而保护电路，防止大电流击穿器件。
在本实施例中，Iset预设为1A。
在一个可能的实施方式中，参见图2，自适应参数调整流程包括：
第一调整阶段：如图3所示，对点火时间进行调整，将MOS管一个开关周期T1的导通时间t1增加至tm，同时缩短原关断时间t2；即点火时间由增加至/>且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，判定是否满足Ipset1≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset1≤Is≤Ismax，Uref1≤Uab≤Uabmax，若满足则进入第二调整阶段；否则判定点火错误，断开继电器S；其中/>。
第二调整阶段：如图4所示，通过调整逆变器MOS管开关频率F来增大点火电压Ucd，同时将预激发电压由V1调整至且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，判定是否满足Ipset2≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset2≤Is≤Ismax，Uref2≤Uab≤Uabmax，若满足则进入第三调整阶段；否则判定点火错误，断开继电器S；其中/>。
第三调整阶段：如图5所示，同步调整预激发电压至及点火时间至/>且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，循环第三调整阶段，在循环次数达到上限值时判定点火错误，断开继电器S；其中/>，/>。
本实施例中，循环次数设定为10次。
可选地，方法还包括：
依据点火电压、点火时间对腔体寿命进行评估；在点火时间大于阈值Tref，或点火电压Ucd大于阈值Uset时，更换腔体或RPS。
如图6所示，通过离线记录等离子体点火参数，包括点火时长、谐振变换器的输出电流Ip、预激发电流Is、点火电压Ucd，并将这些数据存储在内部控制器中。通过对点火电压与点火时长的采样，在参数的历史值、已知的良好值中确定阈值，系统的实时点火电压和点火时长与确定的阈值进行对比，实时判断远程等离子源腔体的寿命；当系统的点火时长越长时，所需要的点火电压也就越大，远程等离子源腔体寿命越短。
以下对依据点火电压、点火时间对腔体寿命进行评估的合理性进行验证：
对于如图1所示LCL电路而言，应用一次谐波近似（FHA），等效电阻和输入方波电压基波分量/>的均方根值表示为：
，
；
由于变换器的谐振作用，所以定义变换器的谐振频率及开关频率/>的归一化值分别为：
，
；
等效电路的特征阻抗Z0和品质因素Q：
，
；
电感比为：
；
根据分析以及上面所列公式的关系，可以得到LCL谐振变换器的输入阻抗Zi的表达式：
；
输出电压为：
；
由上式可知电压增益M为：
；
电流增益H为
；
系统能量损耗为，有如下的关系式，其中F(t)为关于点火时长的t的函数表达式：
；
等离子体阻抗可以用复数形式的阻抗来表示，通常表示为复数Z，其中包括实部和虚部。复数阻抗Z的数学表达式通常以电阻和电感的形式表示，如下所示：
，
其中，R是等离子体阻抗的实部，代表其电阻性质，而jX是等离子体阻抗的虚部，代表其电感性质；j是虚数单位。
由能量损耗公式可见，当点火电压与点火时长t增大、或者等离子体阻抗Zs减小，需要更大的能量损耗才能点火成功，通过获得点火电压、点火时长信息，并设置相应的阈值，可评估当前腔体的寿命；也可通过检测等离子体阻抗Zs是否减小，是否低阻抗阈值来进行判断腔体寿命。其中，实部R表示等离子体对电磁波能量的吸收与损耗，它与等离子体中自由电子和离子的碰撞频率、等离子体密度以及电子和离子的散射有关。虚部jX表示等离子体对电磁波的储能性质，主要受等离子体自由电子运动的惯性和电场的变化率影响。
如图7所示，因为导电介质受到侵蚀或者污染物增加，系统点火需要更大的点火电压所需要的点火时间也会随之增加；当点火时间大于参阈值Tref，或者点火电压大于Ucd大于阈值Uset时，系统才能点火，说明适应腔体寿命缩短，当大于或接近阈值范围时需及时更换腔体或RPS；
在点火模式中，采用多段电极通过改变MOS管开关频率F来分配电压负载，协同调整点火时长来改善点火模式，采用了双变压器感应功率传输系统的主电源系统，使稳定的过渡从点火模式到操作模式，通过在主变压器耦合高压点火线圈，提高系统器件耦合性，降低成本；可以帮助半导体制造商通过减少不必要的建设，及笑出声场过程中的点火故障来提高产量。
以上，以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法，不应理解为对本发明实施例的限制。本技术领域的技术人员可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种远程等离子源预激发电路，其特征在于，包括控制单元、PWM驱动单元、谐振变换器、点火电路、采样单元和继电器，
所述控制单元用于控制所述PWM驱动单元输出脉冲信号；
所述PWM驱动单元控制所述谐振变换器的输出电流；所述谐振变换器的输出电流影响所述点火电路的输入电流；
所述谐振变换器将所述PWM驱动单元输出的脉冲信号转换为交流源，并用于为所述点火电路提供输入交流源；
所述点火电路用于产生高压点火信号，使等离子体负载高频振荡电离；
所述采样单元用于采集所述点火电路的点火电流，及所述谐振变换器的输出电压和输出电流/>；
所述继电器由所述控制单元控制吸合或断开。
2.根据权利要求1所述的远程等离子源预激发电路，其特征在于，所述谐振变换器包括变压器T，所述点火电路和所述变压器T的次级线圈N3连接。
3.根据权利要求2所述的远程等离子源预激发电路，其特征在于，还包括维持电路，所述维持电路和所述变压器T的次级线圈N2串联，所述维持电路用于在所述继电器断开时维持母线电压。
4.根据权利要求3所述的远程等离子源预激发电路，其特征在于，所述谐振变换器为全桥LCL谐振变换器。
5.一种自适应点火方法，其特征在于，用于权利要求1-4任一所述的远程等离子源预激发电路，包括：
通入激发气体；
在接收到点火指令后，驱动吸合继电器，且继电器零电压开启；
启动PWM驱动单元向所述谐振变换器输入PWM驱动信号；
采样所述谐振变换器的输出电流、输出电压/>和点火电流/>；在符合成功点火条件且判定点火正常时，断开继电器S；若不符合成功点火条件，但满足点火失败条件，则重新启动PWM驱动单元；若不符合成功点火条件及点火失败条件，则判定点火错误，断开继电器S；若判定点火不正常，则进入自适应参数调整流程。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述点火失败条件包括：Ip＜Ipset，同时Is＜Iset，Uab＜Uref；其中为谐振变换器的输出电流，/>为点火电流，/>为谐振变换器的输出电压；/>为谐振变换器的预设输出电流阈值，/>为预设的点火电流阈值，/>为谐振变换器的预设输出电压阈值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述成功点火条件包括：Ipset≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset≤Is≤Ismax，Uref≤Uab≤Uabmax；其中、/>和/>分别为所述变压器T的输出电流/>、所述气体预激发电流和所述变压器输入电压的上限值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述自适应参数调整流程，包括：
第一调整阶段：将点火时间由增加至/>且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，判定是否满足Ipset1≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset1≤Is≤Ismax，Uref1≤Uab≤Uabmax，若满足则进入第二调整阶段；否则判定点火错误，断开继电器S；其中/>；
第二调整阶段：调整频率F，同时将预激发电压由V1调整至且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，判定满足Ipset2≤Ip≤Ipmax且维持在500ms以上，同时Iset2≤Is≤Ismax，Uref2≤Uab≤Uabmax，若满足则进入第三调整阶段；否则判定点火错误，断开继电器S；其中/>；
第三调整阶段：同步调整预激发电压至及点火时间至/>且判定点火正常时，断开继电器S；否则在判定点火不正常时，循环第三调整阶段，在循环次数达到上限值时判定点火错误，断开继电器S；其中/>，/>，k1、k2为常量，且0<k1<1/2,0<k2<1/2。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
依据点火电压、点火时间对腔体寿命进行评估；
在点火时间大于阈值Tref，或点火电压Ucd大于阈值Uset时，更换腔体或RPS。
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