CN2867417Y - 离子源送气流量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种离子源送气流量控制系统，包括主控制器、模拟量控制电路、信号放大电路、信号比较器、信号驱动电路、压电陶瓷阀、流量计。其中主控制器与模拟量输出电路相连，发送设置气流量命令；模拟量输出电路的输出信号发送给信号比较器；信号放大电路对流量计的返回电压进行放大，得到一个用于比较的电压信号；信号比较器的输入信号为模拟量控制电路和信号放大电路的输出，其输出信号给信号驱动电路；信号驱动电路输出一个稳定的电压信号给压电陶瓷阀门；压电陶瓷阀控制气流量；流量计检测气流量，把输出电压信号发送给信号放大电路。本实用新型利用闭环控制原理，通过硬件调节使送气量自动趋于稳定。

Description

离子源送气流量控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种半导体器件制造控制系统，尤其涉及一种离子源送气流量控制系统。

背景技术

现有半导体集成电路制造技术中，随着半导体集成电路技术的发展，集成度越来越高，电路规模越来越大，电路中单元器件尺寸越来越小，对各半导体工艺设备提出了更高的要求，而控制技术是其中至关重要的技术难点之一。离子注入机作为半导体离子掺杂工艺线的关键设备之一，也提出了很高的要求，要求离子注入机具有：整机可靠性好、生产效率高、多种电荷态离子宽能量范围注入、精确控制束注入能量精度、精确控制束纯度、低尘粒污染、整机全自动控制、注片均匀性和重复性好等多种功能和特征。这一切都与直接受控制技术的影响，所以说控制系统在离子注入机中起着至关重要的作用。而其中的离子源气流量控制技术，是离子源引束控制过程中一个关键的环节，与提高整机的生产质量、全自动控制等性能密切相关。

众所周知，离子源通过电离需要掺杂的气体产生离子束流，从而进行晶片注入。而离子源气流量的控制是离子注入机控制系统中精度要求比较高，并且难以掌握的控制技术之一，送气量的大小直接影响离子源腔体的真空度，送气量的稳定性直接影响到束流的稳定性，关系到硅片的注入品质和离子注入机的注片效率。因此，离子源送气量控制的好坏也是决定整机控制效率的一个重要指标。

以前国内的离子源气流量控制采用过机械顶针控制阀门实现，也采用过电机控制阀门，这样的控制方式使得气流量很不稳定，控制精度差；后来普遍采用的方式是用压电陶瓷阀门控制气体流量，可以输出稳定的气流量，但控制稳定性方面多是通过软件调节，实现起来很麻烦，并且控制效率低，稳定过程缓慢，从而影响到束流品质。

发明内容

为了解决离子源气流量控制难的问题，本实用新型提供了一种利用闭环控制原理，通过硬件调节使送气量自动趋于稳定的离子源送气流量控制系统。

本实用新型通过以下技术方案实现：离子源送气流量控制系统包括主控制器、模拟量控制电路、信号放大电路、信号比较器、信号驱动电路、高灵敏度压电陶瓷阀、流量计。

其中主控制器与模拟量输出电路相连，用于发送设置气流量命令。

模拟量输出电路能稳定输出0～5V之间的任何电压值，其输出信号发送给信号比较器。

信号放大电路对流量计的返回电压进行放大，从而得到一个用于比较的电压信号。

信号比较器的两个输入端电压差恒定时，输出信号稳定，当电压差改变时，输出电压也随之改变，其输入信号为模拟量控制电路和信号放大电路的输出，其输出信号给信号驱动电路。

信号驱动电路通过比例微分积分的原理调节信号的大小，并保证能输出一个稳定的电压信号给压电陶瓷阀门。

压电陶瓷阀用于控制气流量，是现行离子源气路应用最广泛的高精度阀门，该阀门的特点是，只要给它输出一个稳定的电压信号，就能稳定的控制气流量的大小。

流量计用于检测气流量，把输出电压信号发送给信号放大电路。

本实用新型的工作过程是：

当离子源引束开始时，装有注入元素的气瓶被打开，气体进入了离子源管道，此时压电陶瓷阀处于关闭状态；此时主控制器会发出决定流量大小的命令，模拟量控制电路接收到主控制器的命令后，会发出相应的控制电压给信号比较器，信号比较器输出电压信号到信号驱动电路，经过信号驱动电路处理，输出给压电陶瓷阀的是一个缓慢上升的电压信号，压电陶瓷阀缓缓开启，气流量也稳定上升；同时，流量计采样到气流量的大小，返回一个电压信号，经过信号放大电路输出给信号比较器，经过与设定的电压相比较，信号比较器调整了输出电压值，信号驱动电路再次对电压进行积分，使输出电压值缓慢改变，流量计的采样值也随着气流的增大而增大；当返回的气流量电压信号大于设定的电压信号时，信号比较器会输出一个负值，此时，信号驱动电路就会将输出电压减小；如此反复，几个周期以后，气流量会自动稳定在一个固定值上。

本实用新型具有如下显著优点：

1.  采用自行设计的信号驱动电路，消除当输入电压改变时所引起的电压振荡，从硬件上解决了输出控制信号的稳定问题。

2.  采用闭环控制原理，流量计的采样信号参与控制气流，使电路进行自动调节；

3.  采用压电陶瓷阀控制气流量大小，结合流量计进行气流采样，保证了离子源气流量控制的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的原理结构图。

图2为本实用新型的信号驱动电路简易原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步介绍，但不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型包括主控制器1、模拟量控制电路2、信号放大电路7、信号比较器3、信号驱动电路4、高灵敏度压电陶瓷阀5、流量计6。其中主控制器1为工控机，与模拟量输出电路2相连，用于发送设置气流量命令。模拟量输出电路2可以采用通用电路，能稳定输出0～5V之间的任何电压值，其输出信号发送给信号比较器3。信号放大电路7采用通用运算放大器，对流量计6的返回电压进行放大，从而得到一个用于比较的电压信号。信号比较器3采用通用的电压比较器，当两个输入端电压差恒定时，输出信号稳定，当电压差改变时，输出电压也随之改变，其输入信号为模拟量控制电路2和信号放大电路7的输出，其输出信号给信号驱动电路4。信号驱动电路4通过比例微分积分的原理调节信号的大小，并保证能输出一个稳定的电压信号给压电陶瓷阀门5，该电路详见图2。压电陶瓷阀用于控制气流量，是现行离子源气路应用最广泛的高精度阀门，该阀门的特点是，只要给它输出一个稳定的电压信号，就能稳定的控制气流量的大小。流量计6用于检测气流量，把输出电压信号发送给信号放大电路7。

信号驱动电路4是离子源气流量控制的重点，如图2所示，主要电路由四个运算放大器D1、D2、D3、D4组成，分为四部分：比例积分模块10、比例放大模块11、比例积分模块12、三极管驱动模块13。由于压电陶瓷阀5对电压反应非常灵敏，所以需要经过积分—放大—再次积分才能得到一个稳定上升的电压值。

图中VCC为正电源电压，大小为+15V，-VCC为负电源电压，大小为-15V。

其中比例积分模块10对信号比较器3的输出信号进行第一级积分放大。电阻R1一端接信号比较器3的输出14，一端接运算放大器D1的输入一端；可调电位器R6与电容C1并连，一端接运算放大器D1的输出，一端接运算放大器D1的输入一端，可调电位器R6控制放大倍数，同时也决定电容C1的积分电流大小；电阻R3一端接正电源VCC，一端接电阻R4和电阻R2，电阻R2另一端接运算放大器D1的输入+端，电阻R4的另一端接可调电位器R5的可调端，可调电位器R5的固定端接负电源-VCC。

比例放大模块11整个电路的放大倍数，电阻R7一端接运算放大器D1的输出端，一端接运算放大器D2的输入一端；可调电位器R12一端接运算放大器D2的输出，一端接运算放大器D2的输入一端；电阻R9一端接正电源VCC，一端接电阻R8和电阻R10，电阻R8另一端接运算放大器D2的输入+端；电阻R10的另一端接可调电位器R11的可调端，可调电位器R11的固定端接负电源-VCC。

比例放大模块11放大后的信号仍然达不到稳定性要求，通过比例积分模块12的运算放大器D3进行再一次的积分放大，通过可调电位器R14可以调节电路的积分常数与放大倍数，然后运算放大器D4对输出电压进行最后一次完全积分，就可以得到一个稳定的输出电压。电阻R13一端接运算放大器D2的输出端，一端接运算放大器D3的输入一端；电容C2和可调电位器R12串连后与电容C3并联，电容C3一端接运算放大器D3的输出，一端接运算放大器D3的输入一端；电阻R15一端接正电源VCC，一端接电阻R16和电阻R17，电阻R16另一端接运算放大器D3的输入+端；电阻R17的另一端接可调电位器R18的可调端，可调电位器R18的固定端接负电源-VCC；电阻R19一端接运算放大器D3的输出，一端接运算放大器D4的输入+端；电容一端接运算放大器D4的输入一端，一端接运算放大器D4的输出。

运算放大器D4的输出连接到三极管驱动模块13，电阻R20一端接运算放大器D4的输出，一端接三极管Q1的基极；三极管Q1的射极串接电阻R21，电阻R21另一端接负电源-VCC；三极管Q1的集电极串接二极管V1，二极管V1串接电阻R22，电阻R22另一端接负电源-VCC；压电陶瓷阀5与二极管V1并联。其中三极管Q1的作用是驱动压电陶瓷阀5，当运算放大器D4输出电压时，三极管Q1导通，压电陶瓷阀5有电流流过，压电陶瓷阀5就会打开，当运算放大器D4输出电压改变时，通过三极管Q1的电流增加，压电陶瓷阀5的开启程度也随之改变。

图2电路中运用了多个可调电位器，其中可调电位器R5、R11和R18是调零电位器，它们决定每一级运放的电压输出参数；可调电位器R6和R14决定了电路的积分常数和放大比例；而调节可调电位器R12可以控制整个电路的放大倍数。

结合图1、图2，当离子源引束开始时，装有注入元素的气瓶(图中未示)被打开，气体进入了离子源管道，此时压电陶瓷阀5处于关闭状态；此时主控制器1会发出决定流量大小的命令，模拟量控制电路2接收到主控制器1的命令后，会发出相应的控制电压给信号比较器3，信号比较器3输出电压信号到信号驱动电路4，经过信号驱动电路4处理，输出给压电陶瓷阀5的是一个缓慢上升的电压信号，压电陶瓷阀5缓缓开启，气流量也稳定上升；同时，流量计6采样到气流量的大小，返回一个电压信号，经过信号放大电路7输出给信号比较器7，经过与设定的电压相比较，信号比较器3调整了输出电压值，信号驱动电路4再次对电压进行积分，使输出电压值缓慢改变，流量计6的采样值也随着气流的增大而增大；当返回的气流量电压信号大于设定的电压信号时，信号比较器3会输出一个负值，此时，信号驱动电路4就会将输出电压减小；如此反复，几个周期以后，气流量会自动稳定在一个固定值上。

实验结果表明，整个稳定过程只需要1秒钟，完全满足了离子源送气量的稳定性要求。

本发明新型的特定实施例已对本实用新型的内容做了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本实用新型精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明新型专利的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (2)

1、一种离子源送气流量控制系统包括主控制器(1)、模拟量控制电路(2)、信号放大电路(7)、信号比较器(3)、压电陶瓷阀(5)、流量计(6)，其特征在于：还包括信号驱动电路(4)，其中主控制器(1)与模拟量输出电路(2)相连，模拟量输出电路(2)与信号比较器(3)相连，信号比较器(3)的两个输入分别为模拟量控制电路(2)和信号放大电路(7)的输出，信号比较器(3)的输出接信号驱动电路(4)，信号驱动电路(4)的输出接压电陶瓷阀(5)，用于检测气流量的流量计(6)把输出电压信号发送给信号放大电路(7)。

2.根据权利要求1所述的离子源送气流量控制系统，其特征在于：所述信号驱动电路(4)包括比例积分模块(10)、比例放大模块(11)、比例积分模块(12)和三极管驱动模块(13)。