基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備的製作方法
2023-10-07 16:56:59 1
專利名稱：基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體設備技術領域，特別涉及一種基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備。
背景技術：
原子層沉積設備中，壓力控制一直是一個頗為複雜的問題。在沉積的各個環節都涉及到壓力的控制問題，沉積開始前，需要對沉積腔室進行充氣，整個設備沉積在工作
中，氣壓常需要保持在F1 Torr到ft
Torr的範圍內，但是在沉積的化學試劑反應階段，沉積腔室的氣壓會發生變化，根據反應物的不同，氣壓可能變大也可能變小，且氣壓的變化量也不是固定不變的，氣壓變化過大或過
小都可能導致腔室的工作氣壓處於P1和玲之外，這樣就可能會導致基片吸附前驅體(或與
前驅體反應)的速率發生變化，在較短時間內，吸附不能達到飽和或表面反應不完全等現象的發生。氣壓過低或過高都可能使化學試劑的反應不充分，進而導致試劑浪費和利用率降低，也會為清理過程帶來不利，延長清理過程，沉積周期反應時間變長，產品質量也得不到保證。
因此，無論氣壓過高還是過低，所有可能的不利因素都會破壞原子層沉積的自限制性，整個沉積過程都不再是我們所期望的，只能看成是一種類似原子層沉積過程，其沉積速率隨氣壓的升高可能增加也可能減小。這將導致沉積速率的不可控，最終影響薄膜的均勻性、純度及厚度控制等性 能。綜合上述分析，在原子層沉積設備工作過程中，腔室氣壓應
該處於一定的範圍內(即工作氣壓屬於iy)。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能使原子層沉積設備的腔室氣壓保持在設定的氣壓範圍內，且能夠快速的達到預設的氣壓值的基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備。為解決上述技術問題，本發明提供了一種基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備，其包括沉積腔室、等離子氣體產生系統、射頻電源匹配器及射頻電源包括氣壓採集電路、模擬退火控制電路、抽氣裝置以及充氣裝置；所述氣壓採集電路採集所述沉積腔室的氣壓；所述模擬退火控制電路接收所述氣壓採集電路採集的氣壓，控制所述充氣裝置對所述沉積腔室充氣，控制所述抽氣裝置對所述沉積腔室抽氣。進一步地，所述抽氣裝置包括電壓電流放大模塊、繼電器、泵組控制器、機械泵、分子泵及手動調節閥；所述電壓電流放大模塊的輸出端依次通過所述繼電器、泵組控制器、機械泵、分子泵及手動調節閥與所述沉積腔室的輸入端連接；
所述電壓電流放大模塊的輸入端與所述模擬退火控制電路的輸出端連接。進一步地，所述充氣裝置包括兩個質量流量控制器、電磁閥及手動調節閥；
其中一所述質量流量控制器的輸入端與所述模擬退火控制電路的輸出端連接，輸出端
依次通過所述電磁閥及手動調節閥與所述沉積腔室的輸入端連接，輸出端還與所述氣壓採集電路連接；
另一所述質量流量控制器的輸入端與所述模擬退火控制電路的輸出端連接，輸出端通過所述電磁閥與所述等離子氣體產生系統連接。進一步地，所述模擬退火控制電路包括計算機和數據處理模塊；
所述計算機通過所述數據處理模塊接收所述氣壓採集電路採集的氣壓，判斷所述沉積腔室的氣壓是否處於預設範圍，當所述氣壓低於預設範圍時，則控制所述質量流量控制器、電磁閥及手動調節閥對所述沉積腔室充氣；
當所述氣壓高於預設範圍時，則通過所述數據處理模塊發送開啟命令，控制所述電壓電流放大模塊輸出高電壓，控制繼電器接通，進而開啟所述泵組控制器的電源，啟動機械泵、分子泵及打開手動調節閥對所述沉積腔室抽氣。進一步地，所述充氣裝置還包括惰性氣體源瓶，所述惰性氣體源瓶的輸入端通過一電磁閥與所述一質量流量控制器的輸出端連接，所述惰性氣體源瓶的輸出端與手動電磁閥連接。進一步地，所述 原子層沉積設備還包括溫度控制器，所述溫度控制器連接在所述沉積腔室與所述數據處理模塊之間。本發明提供的基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備，採用基於模擬退火算法的自適應控制算法控制原子層沉積設備的腔室氣壓，使之保持在設定的氣壓範圍內，且能夠快速的達到預設的氣壓值，不但能夠使原子層沉積設備迅速進入穩定的工作狀態，而且能夠減少化學試劑的浪費，提高實際利用率，降低殘留試劑對氣體試劑的汙染，降低沉積反應周期時間，能夠得到均勻性、純度及厚度控制等性能良好的薄膜。
圖1為本發明實施例提供的氣壓控制電路的原理示意圖。圖2為本發明實施例提供的基於模擬退火的PID控制模型圖。圖3為本發明實施例提供的基於模擬退火算法的控制氣壓的流程圖。圖4為本發明實施例提供的基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備的結構示意圖。其中，1-質量流量控制器、2-電磁閥、8-惰性氣體源瓶、10-手動調節閥、12-射頻電源、13-射頻電源匹配器、14-等離子體產生系統、15-沉積腔室、16-分子泵、17-機械泵、18-泵組控制器、20-溫度控制器、21-計算機、22-數據處理模塊、23-壓力傳感器、24-繼電器、25-電壓電流放大模塊、26-氣體。
具體實施方式
本發明為基於模擬退火算法的氣壓控制結構，該結構主要用於測量沉積腔室中的氣壓，使之快速達到沉積工作所需要的氣壓，並控制在預設的工作氣壓範圍內，使原子層沉積設備工作在適宜的氣壓，避免氣壓過高或過低時帶來的不利影響，導致薄膜的均勻性、純度等性能的不可控，生產性能不好的產品。因而本發明針對氣壓不適宜對沉積效果帶來的不良後果，採用基於模擬退火的PID控制算法，能夠有效的將氣壓保持在設定的範圍。本發明提供的一種基於模擬退火算法的自適應氣壓控制算法的原子層沉積設備，該算法實現的電路圖如圖1所示。基於模擬退火算法的控制器由兩部分組成一是經典的
PID控制器(PID方法控制規律的數學模型為Vq -1 e + —Je dt+ 11；―) + Vd )，用於
* %1|L· .J
直接對被控對象進 行閉環控制，並且參數(K,、 ,、Τ )在線整定；二是模擬退火(SAA)部分，
'J Jf5
根據系統的運行狀態，通過模擬退火的自適應和加權係數調整，從而調節PID參數，使系統動態過程各階段的PID參數處於最佳狀態，以獲得滿意的控制效果。應用模擬退火的PID控制模型如圖2所述。這種模擬退火算法的應用形式是從選定的初始解開始，在藉助於控制參數t遞
增時產生一系列Markov鏈中，利用一個新解產生裝置和接受準則，重複進行包括「產生新解-計算目標函數-判斷是否接受新解-接受(或捨棄)新解」這四個階段，不斷對當前解進行迭代，從而達到目標函數最優的執行過程，流程圖如圖3所述。在控制系統實施過程中，首先將需要控制的氣壓參數由傳感器轉換成一定的信號後再與預先設定的值進行比較，把比較得到的差值信號經過計算後得到相應的控制值，將控制量送給控制系統進行相應的控制，如果氣壓過低則通入一定量的惰性氣體，若氣壓過高則需要抽取一部分氣體，使整個腔室的氣壓處於動態平衡的狀態。沉積過程中，不斷進行上述工作，從而達到自動調節的目的。下面結合一具體實施例對本發明提供的基於模擬退火算法的自適應氣壓控制算法的原子層沉積設備進行詳細說明。如圖4所示，基於模擬退火算法的自適應氣壓控制算法的原子層沉積設備包括沉積腔室15、等離子氣體產生系統14、射頻電源匹配器13、射頻電源12、溫度控制器20、氣壓採集電路、模擬退火控制電路、抽氣裝置以及充氣裝置。其中，氣壓採集電路包括壓力傳感器23及模數轉換電路(圖中未示出)。壓力傳感器23採集沉積腔室15的氣壓。模數轉換電路將採集的氣壓進行模數轉換。模擬退火控制電路包括計算機21和數據處理模塊22。數據處理模塊22接收經過模數轉換電路轉換的氣壓信號，並將該信號傳送給計算機21進行處理。數據處理模塊22接收溫度控制器20從沉積腔室15所採集到溫度信號，控制沉積腔室15進行加熱或散熱，使其溫度保持在使沉積設備正常工作的範圍。抽氣裝置包括電壓電流放大模塊25、繼電器24、泵組控制器18、機械泵17、分子泵16及手動調節閥10。電壓電流放大模塊25的輸出端依次通過繼電器24、泵組控制器18、機械泵17、分子泵16及手動調節閥10與沉積腔室15的輸入端連接。充氣裝置包括兩個質量流量控制器1、電磁閥2及手動調節閥10。其中，一質量流量控制器I的輸入端與數據處理模塊22的輸出端連接，輸出端依次通過電磁閥2及手動調節閥10與沉積腔室的輸入端連接，輸出端還與壓力傳感器23連接。另一質量流量控制器I的輸入端與數據處理模塊22的輸出端連接，輸出端通過電磁閥2與等離子氣體產生系統14連接。計算機21判斷沉積腔室15的氣壓是否處於預設範圍，當氣壓低於預設範圍時，則控制質量流量控制器1、電磁閥2及手動調節閥10將氣體26送入沉積腔室15。當沉積腔室15達到所需工作壓強時，關閉質量流量控制器I和手動調節閥10，停止充氣。當氣壓高於預設範圍時，則通過數據處理模塊22發送開啟命令，控制電壓電流放大模塊25輸出高電壓，控制繼電器24接通，進而開啟泵組控制器18的電源，啟動機械泵17、分子泵16及手動調節閥10對沉積腔室15抽氣，抽本底真空。沉積結束後，計算機控制整個設備空運行η個周期，對原子層沉積設備閥進行吹掃淨化，所以充氣裝置還包括惰性氣體源瓶8。惰性氣體源瓶8的輸入端通過一電磁閥2與一質量流量控制器I的輸出端連接，惰性氣體源瓶8的輸出端與手動電磁閥10連接。惰性氣體源瓶8的個數可以是兩個，而且各自設有電磁閥2。計算機21通過數據處理模塊22發送控制指令，控制惰性氣體源瓶8上的電磁閥2打開，從而開啟惰性氣體源瓶8，對反應腔室15進行淨化。
另外，計算機21設置沉積工作所需要的參數，計算機21將參數加入控制命令發送到射頻電源12的接收部件中，控制射頻電源12的開啟以及對輸出功率的設定，射頻電源12的輸出功率作為數據處理模塊22的接收量被反饋給計算機21，計算機對該功率進行分析，以使等離子體產生系統工作在穩定的狀態。本發明用於原子層沉積設備，在進行原子層沉積時，可確保原子層沉積設備工作在適當的氣壓下，且能夠快速達到設備所需氣壓，進而減少工作時間，且由於工作在正常氣壓下，化學試劑就能夠得到充分反應和使用，減少試劑浪費尾氣汙染，提高設備沉積性能，得到均勻性極好和純度極高的高質量產品。最後所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照實例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備，包括沉積腔室、等離子氣體產生系統、射頻電源匹配器及射頻電源，其特徵在於，還包括 氣壓採集電路、模擬退火控制電路、抽氣裝置以及充氣裝置； 所述氣壓採集電路採集所述沉積腔室的氣壓； 所述模擬退火控制電路接收所述氣壓採集電路採集的氣壓，控制所述充氣裝置對所述沉積腔室充氣，控制所述抽氣裝置對所述沉積腔室抽氣。
2.根據權利要求1所述的原子層沉積設備，其特徵在於，所述抽氣裝置包括 電壓電流放大模塊、繼電器、泵組控制器、機械泵、分子泵及手動調節閥； 所述電壓電流放大模塊的輸出端依次通過所述繼電器、泵組控制器、機械泵、分子泵及手動調節閥與所述沉積腔室的輸入端連接； 所述電壓電流放大模塊的輸入端與所述模擬退火控制電路的輸出端連接。
3.根據權利要求3所述的原子層沉積設備，其特徵在於，所述充氣裝置包括 兩個質量流量控制器、電磁閥及手動調節閥； 其中一所述質量流量控制器的輸入端與所述模擬退火控制電路的輸出端連接，輸出端依次通過所述電磁閥及手動調節閥與所述沉積腔室的輸入端連接，輸出端還與所述氣壓採集電路連接； 另一所述質量流量控制器的輸入端與所述模擬退火控制電路的輸出端連接，輸出端通過所述電磁閥與所述等離子氣體產生系統連接。
4.根據權利要求3所述的原子層沉積設備，其特徵在於，所述模擬退火控制電路包括 計算機和數據處理模塊； 所述計算機通過所述數據處理模塊接收所述氣壓採集電路採集的氣壓，判斷所述沉積腔室的氣壓是否處於預設範圍，當所述氣壓低於預設範圍時，則控制所述質量流量控制器、電磁閥及手動調節閥對所述沉積腔室充氣； 當所述氣壓高於預設範圍時，則通過所述數據處理模塊發送開啟命令，控制所述電壓電流放大模塊輸出高電壓，控制繼電器接通，進而開啟所述泵組控制器的電源，啟動機械泵、分子泵及打開手動調節閥對所述沉積腔室抽氣。
5.根據權利要求3或4所述的原子層沉積設備，其特徵在於，所述充氣裝置還包括 惰性氣體源瓶，所述惰性氣體源瓶的輸入端通過一電磁閥與所述一質量流量控制器的輸出端連接，所述惰性氣體源瓶的輸出端與手動電磁閥連接。
6.根據權利要求4所述的原子層沉積設備，其特徵在於，所述原子層沉積設備還包括 溫度控制器，所述溫度控制器連接在所述沉積腔室與所述數據處理模塊之間。
全文摘要
本發明公開了一種基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備，包括沉積腔室、等離子氣體產生系統、射頻電源匹配器、射頻電源、氣壓採集電路、模擬退火控制電路、抽氣裝置以及充氣裝置。本發明提供的基於模擬退火算法的自適應壓力控制的原子層沉積設備，採用基於模擬退火算法的自適應控制算法控制原子層沉積設備的腔室氣壓，使之保持在設定的氣壓範圍內，且能夠快速的達到預設的氣壓值，不但能夠使原子層沉積設備迅速進入穩定的工作狀態，而且能夠減少化學試劑的浪費，提高實際利用率，降低殘留試劑對氣體試劑的汙染，降低沉積反應周期時間，能夠得到均勻性、純度及厚度控制等性能良好的薄膜。
文檔編號C23C16/52GK103046029SQ20111030998
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月13日
發明者王燕, 李勇滔, 夏洋, 趙章琰, 石莎莉 申請人:中國科學院微電子研究所