一種原子層沉積多腔單電源控制系統的製作方法
2024-04-12 11:21:05 1
1.本發明涉及半導體製造技術領域，更具體的說，涉及一種原子層沉積三腔單電源控制系統。
背景技術：
2.薄膜沉積技術用於製造微電子器件的薄膜，在基板襯底上形成沉積物，常見的薄膜沉積技術包括物理氣相沉積、化學氣相沉積等技術。
3.由於微電子和深亞微米晶片技術的發展要求器件和材料的尺寸不斷降低，而器件中的高寬比不斷增加，這樣所使用材料的厚度降低至幾個納米數量級。
4.ald(atomic layer deposition，原子層沉積)是一種可以將物質以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法，相比其它沉積方法，對薄膜的成份和厚度具有出色的控制能力，所製備的薄膜保形性好、純度高且均勻，因此受到了半導體材料製備領域的青睞。
5.在半導體ald鍍膜工藝中，往往需要兩種或多種氣體同時通入腔體進行反應，這樣就對噴淋裝置提出了更高的要求，不同氣體在進入反應區域前不能相遇。
6.現有原子層沉積機臺中，一個反應腔通常配置一個高頻射頻電源。圖1揭示了現有技術的原子層沉積機臺的設備原理圖，如圖1所示，第一反應腔121配置射頻電源131和射頻電源141，第二反應腔122配置射頻電源132和射頻電源142，第三反應腔123配置射頻電源133和射頻電源143。
7.然而，高頻射頻電源結構複雜、成本較高，在多個反應腔進行原子層沉積工藝時，需要對供電方式進行優化。
技術實現要素：
8.本發明的目的是提供一種原子層沉積多腔單電源控制系統，解決現有技術中多反應腔的射頻電源供電問題。
9.為了實現上述目的，本發明提供了一種原子層沉積多腔單電源控制系統，包括控制模塊、射頻電源、射頻阻抗、若干個固態繼電器及對應的射頻迴路和反應腔：
10.所述控制模塊，與固態繼電器的第一端連接，對固態繼電器進行開啟或斷開；
11.所述射頻電源的第一端，與固態繼電器的第二端連接；
12.所述固態繼電器的第三端，與射頻迴路相連接；
13.所述射頻電源的第二端，與射頻阻抗的第一端相連接；
14.所述射頻阻抗的第二端，與射頻迴路相連接；
15.所述射頻迴路，與反應腔相連接；
16.其中，所述控制模塊，控制固態繼電器的開關通斷頻率，根據原子層沉積工藝設置供能時間段，分時順序對各個射頻迴路提供射頻能量；
17.所述射頻迴路，利用固態斷電器的通斷，為對應的反應腔提供射頻能量，進行原子層沉積工藝。
18.在一實施例中，所述射頻迴路，包括斷路器、負載電容、可調電容和阻抗：
19.所述斷路器的第一端，與固態繼電器的第三端相連接；
20.所述斷路器的第二端，與負載電容的第一端相連接；
21.所述負載電容的第二端，與射頻阻抗的第二端相連接；
22.所述可調電容的第一端，與負載電容的第一端相連接；
23.所述可調電容的第二端，與阻抗的第一端相連接；
24.所述阻抗的第二端，與反應腔的第一端相連接；
25.所述反應腔的第二端，與負載電容的第二端相連接。
26.在一實施例中，所述可調電容的電容值可調，用以調整射頻迴路阻抗，使得射頻迴路阻抗與射頻電源、射頻阻抗的總阻抗之差值小於一定閾值。
27.在一實施例中，所述斷路器，接收射頻迴路的反射功率，判斷射頻迴路的反射功率是否大於預設閾值，如果大於預設閾值，則斷開電路以保護固態繼電器。
28.在一實施例中，所述控制模塊，控制固態繼電器進行斷開，對應的射頻迴路不向反應腔提供射頻能量；
29.所述控制模塊，控制固態繼電器進行開啟，對應的射頻迴路向反應腔提供射頻能量。
30.在一實施例中，所述供能時間段包括若干次供能時間和中間停止時間；
31.所述若干次供能時間和中間停止時間相互間隔排序，並且間隔時間固定。
32.在一實施例中，當多個反應腔進行原子層沉積工藝時：
33.所述控制模塊，根據正在進行原子層沉積的反應腔對應的供能時間段，調整其他反應腔進行原子層沉積工藝的供能時間段順序，依次順序開啟或斷開對應射頻迴路的固態繼電器。
34.在一實施例中，所述多個反應腔的供能時間之和，不大於多個反應腔的中間停止時間中的最小值。
35.在一實施例中，所述固態繼電器，設有降溫模塊：
36.所述降溫模塊，將固態繼電器保持在額定溫度範圍內。
37.在一實施例中，所述降溫模塊的降溫模式包括風冷模式和液冷模式。
38.本發明提供的原子層沉積多腔單電源控制系統，採用單電源為多個原子層沉積反應腔進行錯峰射頻供電，能夠有效減少射頻電源的配置個數，節約設備投入成本。
附圖說明
39.本發明上述的以及其他的特徵、性質和優勢將通過下面結合附圖和實施例的描述而變的更加明顯，在附圖中相同的附圖標記始終表示相同的特徵，其中：
40.圖1揭示了現有技術的原子層沉積機臺的設備原理圖；
41.圖2揭示了根據本發明一實施例的原子層沉積多腔單電源控制系統的原理框圖；
42.圖3揭示了現有技術的原子層沉積機臺的供能時間段的示意圖；
43.圖4揭示了根據本發明一實施例的原子層沉積多腔單電源控制系統的供能時間段的示意圖。
44.圖中各附圖標記的含義如下：
45.121第一反應腔；
46.122第二反應腔；
47.123第三反應腔；
48.131射頻電源；
49.132射頻電源；
50.133射頻電源；
51.141射頻阻抗；
52.142射頻阻抗；
53.143射頻阻抗；
54.210控制模塊；
55.221第一反應腔；
56.222第二反應腔；
57.223第三反應腔；
58.230射頻電源；
59.240射頻阻抗；
60.251第一斷路器；
61.252第二斷路器；
62.253第三斷路器；
63.ssr1第一固態繼電器；
64.ssr2第二固態繼電器；
65.ssr3第三固態繼電器；
66.ca1第一負載電容；
67.ca2第二負載電容；
68.ca3第三負載電容；
69.cb1第一可調電容；
70.cb2第二可調電容；
71.cb3第三可調電容；
72.r1第一阻抗；
73.r2第二阻抗；
74.r3第三阻抗。
具體實施方式
75.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋發明，並不用於限定發明。
76.在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何
的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
77.圖2揭示了根據本發明一實施例的原子層沉積多腔單電源控制系統的原理框圖，如圖2所示，本發明提出的一種原子層沉積三腔單電源控制系統，包括控制模塊210、射頻電源230、射頻阻抗240；
78.第一固態繼電器ssr1及對應的第一射頻迴路和第一反應腔221；
79.第二固態繼電器ssr2及對應的第二射頻迴路和第二反應腔222；
80.第三固態繼電器ssr3及對應的第三射頻迴路和第三反應腔223。
81.所述控制模塊210，控制第一固態繼電器ssr1、第二固態繼電器ssr2、第三固態繼電器ssr3的開關通斷頻率，根據原子層沉積工藝設置供能時間段，分時順序對第一射頻迴路、第二射頻迴路、第三射頻迴路提供射頻能量；
82.所述第一射頻迴路、第二射頻迴路、第三射頻迴路，利用第一固態繼電器ssr1、第二固態繼電器ssr2、第三固態繼電器ssr3的通斷，為對應的第一反應腔221、第二反應腔222、第三反應腔223提供射頻能量，進行原子層沉積工藝。
83.圖2所示的實施例中採用三個射頻迴路只是用於示例，顯而易見的，本發明中不止限定單個射頻電源供應三個射頻迴路，還可以是兩個射頻迴路、四個射頻迴路等。
84.更具體的說，所述第一射頻迴路，包含第一斷路器251、第一負載電容ca1、第一可調電容cb1和第一阻抗r1；
85.所述第二射頻迴路，包含第二斷路器252、第二負載電容ca2、第二可調電容cb2和第二阻抗r2；
86.所述第三射頻迴路，包含第三斷路器253、第三負載電容ca3、第三可調電容cb3和第三阻抗r3。
87.其中，第一負載電容ca1與第一可調電容cb1、第一阻抗r1、第一反應腔221並聯，然後與第一斷路器251相連，第一斷路器251的另一端通過第一固態繼電器ssr1與射頻電源230一端相連，射頻電源230另一端與射頻阻抗240相連。
88.第二負載電容ca2與第二可調電容cb2、第二阻抗r2、第二反應腔222並聯，然後與第二斷路器252相連，第二斷路器252的另一端通過第二固態繼電器ssr2與射頻電源230一端相連，射頻電源230另一端與射頻阻抗240相連。
89.第三負載電容ca3與第三可調電容cb3、第三阻抗r3、第三反應腔223並聯，然後與第三斷路器253相連，第三斷路器253的另一端通過第三固態繼電器ssr3與射頻電源230一端相連。射頻電源230另一端與射頻阻抗240相連。
90.射頻阻抗240同時與第一反應腔221、第二反應腔222、第三反應腔223相連。
91.下面以第一射頻迴路為例，進一步說明第一射頻迴路的內部連接關係以及與其他模塊的外部連接關係。
92.更具體的說，所述第一斷路器251的第一端，與第一固態繼電器ssr1的第三端相連接；
93.所述第一斷路器251的第二端，與第一負載電容ca1的第一端相連接；
94.所述第一負載電容ca1的第二端，與射頻阻抗240的第二端相連接；
95.所述第一可調電容cb1的第一端，與第一負載電容ca1的第一端相連接；
96.所述第一可調電容cb1的第二端，與第一阻抗r1的第一端相連接；
97.所述第一阻抗r1的第二端，與第一反應腔221的第一端相連接；
98.所述第一反應腔221的第二端，與第一負載電容ca1的第二端相連接。
99.所述控制模塊210，與第一固態繼電器ssr1的第一端連接，對第一固態繼電器ssr1進行開啟或斷開；
100.所述射頻電源230的第一端，與第一固態繼電器ssr1的第二端連接；
101.所述射頻電源230的第二端，與射頻阻抗240的第一端相連接；
102.所述射頻阻抗240的第二端，與第一負載電容ca1的第二端、第一反應腔221的第二端相連接。
103.在本實施例中，所述控制模塊210，控制固態繼電器進行斷開，對應的射頻迴路不向反應腔提供射頻能量；
104.所述控制模塊210，控制固態繼電器進行開啟，對應的射頻迴路向反應腔提供射頻能量。
105.控制模塊210能夠分別控制第一固態繼電器ssr1、第二固態繼電器ssr2、第三固態繼電器ssr3斷開、開啟。
106.控制模塊210控制的第一固態繼電器ssr1、第二固態繼電器ssr2、第三固態繼電器ssr3均為斷開狀態時，第一射頻電路、第二射頻電路、第三射頻電路均不提供射頻能量。
107.控制模塊210隻控制第一固態繼電器ssr1、第二固態繼電器ssr2、第三固態繼電器ssr3其中一個在某個時段導通。
108.第一固態繼電器ssr1導通時，第一射頻迴路開始為第一反應腔221提供射頻能量。
109.第二固態繼電器ssr2導通時，第二射頻迴路開始為第二反應腔222提供射頻能量。
110.第三固態繼電器ssr3導通時，第三射頻迴路開始為第三反應腔223提供射頻能量。
111.固態繼電器(solid state relay，縮寫ssr)，是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關。用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離。固態繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅動大電流負載。
112.固態繼電器，是一種全部由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元件(如開關三極體、雙向可控矽等半導體器件)的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此，又被稱為「無觸點開關」。固態繼電器是一種四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。它既有放大驅動作用，又有隔離作用，很適合驅動大功率開關式執行機構，較之電磁繼電器可靠性更高，且無觸點、壽命長、速度快，對外界的幹擾也小，已被得到廣泛應用。
113.由於輸入端的負載是發光二極體，這使ssr的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用時可直接與計算機輸出接口相接，即受「1」與「0」的邏輯電平控制。
114.固態繼電器存在以下優點：
115.(1)ssr內部無機械部件，結構上採用了灌注全密封方式，因此，ssr具有耐振、耐腐蝕、長壽命及高可靠等優點，其開關壽命高達1010萬次；
116.(2)低噪聲：交流型ssr採用了過零觸發技術，因此在線路上有效地降低了電壓上升速率dv/dt和電流上升速率di/dt值，使ssr長期工作時對市電的幹擾極小；
117.(3)開關時間短，約為10ms，可應用在頻率較高的場合；
118.(4)輸入電路與輸出電路之間採用光電隔離，絕緣電壓2500v以上；
119.(5)輸入功耗很低，與ttl，coms電路兼容；
120.(6)輸出端有保護電路；
121.(7)負載能力強。
122.進一步地，所述可調電容的電容值可調，用以調整射頻迴路阻抗，使得射頻迴路阻抗與射頻電源、射頻阻抗的兩者總阻抗之差值小於一定閾值。
123.第一射頻迴路導通時，第一可調電容cb1能夠調整射頻迴路阻抗，使得射頻迴路阻抗值與射頻電源、射頻阻抗兩者之和(即總阻抗值)相接近，從而差值小於一定閾值。
124.第二射頻迴路導通時，第二可調電容cb2能夠調整射頻迴路阻抗，使得射頻迴路阻抗值與射頻電源、射頻阻抗兩者之和(即總阻抗值)相接近，從而差值小於一定閾值。
125.第三射頻迴路導通時，第三可調電容cb3能夠調整射頻迴路阻抗，使得射頻迴路阻抗值與射頻電源、射頻阻抗兩者之和(即總阻抗值)相接近，從而差值小於一定閾值。
126.當射頻迴路阻抗與射頻電源、射頻阻抗兩者之和相接近，差值小於一定閾值時，射頻迴路反射功率最小。
127.更進一步的，所述斷路器，接收射頻迴路的反射功率，判斷射頻迴路的反射功率是否大於預設閾值，如果大於預設閾值，則斷開電路以保護固態繼電器。
128.當第一射頻迴路反射功率超過一定值時，第一斷路器251能夠在短時間內斷開，從而保護第一固態繼電器ssr1。
129.當第二射頻迴路反射功率超過一定值時，第二斷路器252能夠在短時間內斷開，從而保護第二固態繼電器ssr2。
130.當第三射頻迴路反射功率超過一定值時，第三斷路器253能夠在短時間內斷開，從而保護第三固態繼電器ssr3。
131.圖3揭示了現有技術的原子層沉積機臺的供能時間段的示意圖，如圖3所示，灰色塊狀、斜線塊狀和條紋塊狀的3個射頻電源的三個射頻迴路的供能時間段相同，供能時間的起始時間和中間停止時間完全相同，不存在分時控制。
132.供能時間段包括若干次供能時間和中間停止時間，所述若干次供能時間和中間停止時間相互間隔排序，並且間隔時間固定。
133.圖4揭示了根據本發明一實施例的原子層沉積多腔單電源控制系統的供能時間段的示意圖，如圖4所示，灰色塊狀、斜線塊狀和條紋塊狀的3個射頻電源的三個射頻迴路的供能時間段分時順序開啟或斷開，最終的控制電源控制時序為最底下的形成的曲線。
134.原子層沉積射頻供能方式為起-停-起-停的若干次供能時間段的方式。
135.每一次射頻供能時間為0.15秒左右，中間停止時間為0.55秒左右；
136.在射頻供能之前，腔體需要通入反應氣體，射頻供能時反應氣體繼續通入；
137.射頻供能停止時，反應供能氣體立即停止通入，並通入惰性氣體將未反應的氣體置換，置換完成後將反應腔抽至0至5託的，然後重複上一過程。
138.因此，本發明提出的原子層沉積多腔單電源控制系統，其對射頻功能的控制方式與原子層沉積方式可以進行完美匹配。
139.當某一反應腔需要進行原子層沉積時，控制模塊210控制該射頻迴路所在的固態繼電器，按照原子層沉積工藝的方式進行射頻供能。
140.當多個反應腔進行原子層沉積工藝時：
141.所述控制模塊210，根據正在進行原子層沉積的反應腔對應的供能時間段，調整其他反應腔進行原子層沉積工藝的供能時間段順序，依次順序開啟或斷開對應射頻迴路的固態繼電器。
142.如圖4所示，當已經有某一反應腔需要原子層沉積時，另外一個反應腔也需要進行原子層沉積，控制模塊210能夠調根據正在進行的原子層沉積的射頻迴路供能時間段，調整即將要進行射頻供能的反應腔的起-停-起-停的供能時間段，能夠實現已經供能的反應腔供能後，控制模塊210立刻斷開該迴路固態繼電器，同時開啟即將進行射頻供能的反應腔。
143.當有兩個反應腔正在進行原子層沉積時，控制模塊210能夠調根據正在進行的原子層沉積的射頻迴路供能時間段，調整即將要進行射頻供能的反應腔的起-停-起-停的供能時間段，能夠按照順序依次對供能的反應腔供能後，控制模塊210立刻斷開該射頻迴路的固態繼電器，同時開啟即將進行射頻供能的反應腔。
144.同樣的，當某一反應腔已經達到設定的供能次數後，控制模塊能夠停止改反應腔射頻能量供應，其他反應腔射頻供應時間段不受影響。
145.更進一步的，多個反應腔的供能時間之和，不大於多個反應腔的中間停止時間中的最小值。
146.如圖4所示，單電源射頻供應三個射頻迴路需要滿足在每一次三個射頻迴路供能時間之和小於三個射頻迴路中間停止時間的最小值，從而保證三個射頻迴路可以分時進行供能。
147.特別地，所述固態繼電器具有自動降溫的供能，能夠保障固態繼電器溫度在額定溫度內工作。
148.在本實施例中，所述第一固態繼電器ssr1、第二固態繼電器ssr2、第三固態繼電器ssr3，均設有降溫模塊：
149.所述降溫模塊，將固態繼電器保持在額定溫度範圍內。
150.降溫模塊的降溫模式包括風冷模式和液冷模式：
151.在風冷模式時，降溫模塊可以是風扇；
152.在液冷模式時，降溫模塊可以是冷卻液降溫裝置。
153.本發明提出來一種原子層沉積三腔單電源控制系統，具體具有以下有益效果：
154.1)相對於軟啟動控制(例如plc邏輯控制)承受負載有限、電磁繼電器控制響應慢且存在感應電弧，採用固態繼電器既能夠實現射頻電流的快速切換，又能夠滿足大電流負載；
155.2)採用單電源控制多個反應腔，能夠有效減少射頻電源的個數，減少設備投入成本；
156.3)採用斷路器，發生反射功率過大時，斷路器能夠快速斷開射頻迴路，避免固態繼電器燒毀，能夠有效保障固態繼電器使用的長效性。
157.儘管為使解釋簡單化將上述方法圖示並描述為一系列動作，但是應理解並領會，這些方法不受動作的次序所限，因為根據一個或多個實施例，一些動作可按不同次序發生和/或與來自本文中圖示和描述或本文中未圖示和描述但本領域技術人員可以理解的其他動作並發地發生。
158.如本技術和權利要求書中所示，除非上下文明確提示例外情形，「一」、「一個」、「一
種」和/或「該」等詞並非特指單數，也可包括複數。一般說來，術語「包括」與「包含」僅提示包括已明確標識的步驟和元素，而這些步驟和元素不構成一個排它性的羅列，方法或者設備也可能包含其他的步驟或元素。
159.在本發明的描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
160.在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵之「上」或之「下」可以包括第一和第二特徵直接接觸，也可以包括第一和第二特徵不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特徵接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」包括第一特徵在第二特徵正上方和斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」包括第一特徵在第二特徵正下方和斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
161.在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連同。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
162.本領域技術人員將可理解，信息、信號和數據可使用各種不同技術和技藝中的任何技術和技藝來表示。例如，以上描述通篇引述的數據、指令、命令、信息、信號、位(比特)、碼元、和碼片可由電壓、電流、電磁波、磁場或磁粒子、光場或光學粒子、或其任何組合來表示。
163.本領域技術人員將進一步領會，結合本文中所公開的實施例來描述的各種解說性邏輯板塊、模塊、電路、和算法步驟可實現為電子硬體、計算機軟體、或這兩者的組合。為清楚地解說硬體與軟體的這一可互換性，各種解說性組件、框、模塊、電路、和步驟在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此類功能性是被實現為硬體還是軟體取決於具體應用和施加於整體系統的設計約束。技術人員對於每種特定應用可用不同的方式來實現所描述的功能性，但這樣的實現決策不應被解讀成導致脫離了本發明的範圍。
164.結合本文所公開的實施例描述的各種解說性邏輯模塊、和電路可用通用處理器、數位訊號處理器(dsp)、專用集成電路(asic)、現場可編程門陣列(fpga)或其它可編程邏輯器件、分立的門或電晶體邏輯、分立的硬體組件、或其設計成執行本文所描述功能的任何組合來實現或執行。通用處理器可以是微處理器，但在替換方案中，該處理器可以是任何常規的處理器、控制器、微控制器、或狀態機。處理器還可以被實現為計算設備的組合，例如dsp與微處理器的組合、多個微處理器、與dsp核心協作的一個或多個微處理器、或任何其他此類配置。
165.上述實施例是提供給熟悉本領域內的人員來實現或使用本發明的，熟悉本領域的人員可在不脫離本發明的發明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本發明的保護範圍並不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特徵的最大範圍。