PC控制技術(shù)在ALD系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

徐碩,張軒雄,明帥強

(1.上海理工大學(xué),上海 200093;2.嘉興科民電子設(shè)備技術(shù)有限公司,浙江 嘉興 314006;3.中國科學(xué)院微電子研究所儀器設(shè)備研發(fā)中心,北京 100029)

薄膜技術(shù)是物理科學(xué)、信息器件的基礎(chǔ),在半導(dǎo)體器件、傳感器、平板顯示及太陽能電池等方面有重要的應(yīng)用[1]。原子層沉積(Atomic Layer Deposition,ALD)技術(shù)是一種特別的薄膜生長技術(shù),可以使沉積材料的原子(或者分子)逐層沉積在基底表面[2]。與化學(xué)氣相沉積技術(shù)中一種(或者多種)前驅(qū)體源連續(xù)(同時)通入反應(yīng)腔室不同,ALD技術(shù)是將前驅(qū)體源以脈沖的形式交替通入反應(yīng)腔室中并在基底表面發(fā)生吸附和反應(yīng)生成薄膜[3]。表面化學(xué)反應(yīng)的自限制性[4]和自飽和性是ALD技術(shù)的基礎(chǔ),決定了ALD薄膜具有表面均勻和薄膜厚度精確可控等特點,使其在微電子和其他納米器件制造領(lǐng)域備受關(guān)注,成為集成電路工業(yè)中極其重要的主流薄膜制備技術(shù)[3,5]。

近年來,國內(nèi)外的半導(dǎo)體制造商都先后推出了不同類型的原子層沉積設(shè)備,其控制系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)[6](如圖1所示)。傳統(tǒng)PLC控制以硬件PLC為控制器,因受限于硬件PLC自身的內(nèi)存及處理器,導(dǎo)致傳統(tǒng)PLC控制存在數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換能力較弱的問題;此外,由于不同品牌的PLC互不兼容且編程語言差異較大[7],使程序的調(diào)試和移植變得困難且不利于后期的維護和升級。所以,傳統(tǒng)PLC控制中的硬件結(jié)構(gòu)兼容性較差、軟件開放性差等問題束縛了ALD設(shè)備生產(chǎn)的發(fā)展。

圖1 傳統(tǒng)PLC控制結(jié)構(gòu)

為解決當(dāng)前國內(nèi)原子層沉積設(shè)備控制系統(tǒng)不足,系統(tǒng)兼容性、開放性較差等問題,本文提出基于PC控制的自動控制方案。文中采用倍福C6030工業(yè)PC作為控制器,以Windows 7為操作系統(tǒng),運用EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)進行控制器與I/O模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換,使用TwinCAT(基于Windows操作系統(tǒng)的自動化控制技術(shù))為控制軟件控制整個系統(tǒng)的運行,設(shè)計出基于PC控制的原子層沉積系統(tǒng)。

2 ALD工藝過程與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 ALD工藝過程

原子層沉積(ALD)是通過將氣相前驅(qū)體脈沖交替通入反應(yīng)室,利用化學(xué)鍵交替吸附并在沉積基底表面形成薄膜的方法[3]。ALD循環(huán)原理如圖2所示。

a．前驅(qū)體A蒸汽脈沖進入反應(yīng)室,在暴露的沉積基底表面發(fā)生化學(xué)吸附反應(yīng);

b． 通入惰性氣體(如高純N2),把未反應(yīng)的前驅(qū)體A以及反應(yīng)生成的副產(chǎn)物吹掃出反應(yīng)室;

c． 前驅(qū)體B蒸汽脈沖進入反應(yīng)室,繼續(xù)進行化學(xué)吸附反應(yīng);

d． 通入惰性氣體,把未反應(yīng)的前驅(qū)體B以及反應(yīng)生成的副產(chǎn)物吹掃出反應(yīng)室。

a、b、c、d四個步驟稱為一個ALD沉積周期(ALD cycle),在理想的情況下,每一次循環(huán)結(jié)束之后就可以在基底表面沉積生成單原子層的薄膜。所以通過控制循環(huán)的次數(shù)就可以精確地控制薄膜的厚度[8]。

圖2 ALD循環(huán)原理

原子層沉積控制技術(shù)的關(guān)鍵在于薄膜沉積循環(huán)時對前驅(qū)體源的流量、反應(yīng)腔室溫度的精微控制,其高精度的系統(tǒng)控制是影響ALD工藝平臺對基底薄膜生長質(zhì)量及薄膜生長速率至關(guān)重要的因素。

2.2 ALD工藝平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

ALD工藝平臺由反應(yīng)腔室、進源/載氣管路、抽氣管路及控制系統(tǒng)組成[9]。其氣路原理如圖3所示。

(1)反應(yīng)腔室:該部分為薄膜生長提供了工藝環(huán)境。加熱裝置放于反應(yīng)腔室底部進行加熱,樣品襯底通過腔室外的電阻加熱板傳導(dǎo)加熱。反應(yīng)腔室內(nèi)部溫度通過熱電偶進行測量,并將信號傳輸至溫度信號采集模塊進行處理。

(2)進源/載氣管路:該部分的作用是把前驅(qū)體源載入反應(yīng)腔室內(nèi)進行薄膜生長。管路材料均由金屬材料制成,以提高對前驅(qū)體源的加熱效率。該管路接入前驅(qū)體源瓶(S1、S2、S3、S4)和惰性氣體源瓶,用來載入前驅(qū)體、吹掃腔室;由于前驅(qū)體是以短脈沖的形式交替進入腔室的,所以在管路上設(shè)置了ALD閥(如V1、V2、Vb1等)、質(zhì)量流量計(MFC1、MFC2),用來控制調(diào)整載氣、吹掃使其能夠交替進行。

圖3 ALD氣路原理圖

(3)抽氣管路:該部分與泵組相連,用來維持腔室內(nèi)的真空環(huán)境,并將反應(yīng)剩余的前驅(qū)體及生成的副產(chǎn)物經(jīng)吹掃后排出系統(tǒng)外。由于在ALD反應(yīng)前腔室內(nèi)需要達到真空狀態(tài),ALD薄膜生長時需要維持一定時間讓前驅(qū)體進行氣體擴散和化學(xué)吸附,所以在管路上設(shè)置了真空計和氣動閥門(Vg、Vf),用來檢測腔室內(nèi)真空狀態(tài)和阻斷泵組對腔室抽氣。

(4)控制系統(tǒng):在傳統(tǒng)工藝流程中,操作人員需要根據(jù)設(shè)備工藝狀態(tài)和工藝經(jīng)驗來判定是否進入下一循環(huán),導(dǎo)致工藝操作容易出錯,薄膜生長效率低下[10]。基于PC的控制系統(tǒng)中,操作人員通過HMI操作界面編寫工藝配方、設(shè)置工藝參數(shù),經(jīng)PC中的控制模塊完成對工藝環(huán)境(溫度、真空度)及工藝步驟的控制,實現(xiàn)整個工藝流程的自動化,從而大大提高薄膜的性能及生長效率。

3 ALD控制系統(tǒng)分析與控制程序設(shè)計

3.1 ALD工藝環(huán)境控制與分析

ALD薄膜生長過程中,反應(yīng)腔室的真空度、溫度,進源管道的溫度,前驅(qū)體進源量的大小是影響薄膜生長質(zhì)量的重要因素,因此對ALD薄膜生長而言,反應(yīng)腔室內(nèi)的真空度控制、各個模塊的溫度控制顯得非常重要。

反應(yīng)腔室真空度控制部分(如圖4所示)主要涉及:反應(yīng)腔室、真空泵組、真空計、MFC及載氣。PC控制系統(tǒng)通過真空計采集反應(yīng)腔室真空度信號,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到輸入PC機進行處理,然后通過相關(guān)算法生成質(zhì)量流量計外控參數(shù)信號,從而完成對反應(yīng)腔室真空氣壓穩(wěn)定性的控制。真空泵組在真空度控制模塊中主要用來減小腔室氣壓,進而完成載氣。

圖4 真空氣壓控制結(jié)構(gòu)分析

溫度控制部分可分為:反應(yīng)腔室溫度控制模塊、前驅(qū)體進源管路溫度控制模塊及前驅(qū)體源溫度控制模塊。進源管路和反應(yīng)腔室均由金屬材料制成,故采用電阻絲來完成加熱任務(wù)。各個模塊的溫度通過熱電偶讀取輸出電壓信號,經(jīng)溫度采集模塊轉(zhuǎn)換輸入到PC機進行處理,然后通過相關(guān)算法生成固態(tài)繼電器外控參數(shù)信號,進而控制交流電源的加熱功率輸出,最終使ALD設(shè)備各加熱模塊溫度穩(wěn)定(以反應(yīng)腔室溫度控制為例,如圖5所示)。

圖5 反應(yīng)腔室溫度控制結(jié)構(gòu)分析

3.2 ALD系統(tǒng)硬件選型

基于系統(tǒng)需求分析,為了實現(xiàn)ALD設(shè)備薄膜生長工藝流程的自動化,并長時間維持薄膜生長的工藝環(huán)境,在留有部分拓展空間的前提下,確定控制系統(tǒng)硬件部分配置清單如表1所示。

選用倍福E系列(ELxxxx)端子作為I/O模塊,經(jīng)EK1100耦合器將I/O模塊連接到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中。其中EL2008、EL2809為數(shù)字量輸出模塊,用來對電磁閥、繼電器以及泵組的運行進行控制;EL3318、EL3314為溫度采集模塊,用來接收熱電偶檢測信號;EL6021、EL6002分別為RS485和RS232通訊模塊,用來連接真空計、流量計與控制器的通訊。系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

表1 ALD控制系統(tǒng)部分配置清單

圖6 系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)

3.3 真空度控制程序設(shè)計

ALD系統(tǒng)真空度控制結(jié)構(gòu)中,載氣流量控制是影響反應(yīng)腔室氣壓穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。要達到符合工藝條件的穩(wěn)定真空氣壓狀態(tài),需要真空計實時采集反應(yīng)腔室內(nèi)的氣壓信號,與工藝真空氣壓對比后,經(jīng)PC機發(fā)出控制信號調(diào)節(jié)MFC閥值,進而穩(wěn)定腔室氣壓。如圖7所示,本機系統(tǒng)采用閉環(huán)控制來穩(wěn)定反應(yīng)腔室的工藝氣壓。

圖7 ALD真空閉環(huán)控制

3.4 溫度控制程序設(shè)計

前驅(qū)體進源管路及反應(yīng)腔室的溫度控制具有大慣性、純滯后的特點。若溫區(qū)加熱達到設(shè)定值才關(guān)斷固態(tài)繼電器,由于溫度的滯后效應(yīng),會導(dǎo)致溫區(qū)溫度超過設(shè)定值過大;若溫區(qū)加熱沒有達到目標(biāo)值便關(guān)斷繼電器,則會因為關(guān)斷繼電器過早而導(dǎo)致溫區(qū)無法達到目標(biāo)溫度。如圖8所示(以反應(yīng)腔室溫度控制為例),為使反應(yīng)腔室溫度具有良好的穩(wěn)定性,溫區(qū)內(nèi)的溫度控制采用PID控制。在進行工藝操作之前,設(shè)置各路溫區(qū)目標(biāo)溫度,并通過觸發(fā)繼電器的輸出對溫區(qū)進行加熱;同時熱電偶實時檢測反應(yīng)腔室的溫度,并根據(jù)當(dāng)前溫度差值及變化速率調(diào)節(jié)繼電器輸出,進而調(diào)節(jié)加熱絲的輸出功率,最終確保溫區(qū)溫度達到目標(biāo)溫度并保持穩(wěn)定。

圖8 反應(yīng)腔室溫度控制設(shè)計

3.5 ALD工藝配方指令設(shè)計

根據(jù)ALD工藝流程的特性,系統(tǒng)人機交互的配方控制模塊給操作人員提供5條具體的操作指令(Dose、Purge、Reaction、Goto、End),以滿足操作人員生長不同性能薄膜的需求。

Dose:進源時間指令。用來設(shè)定前驅(qū)體源瓶閥門打開時間。

Purge:吹掃指令。關(guān)閉源瓶閥門,打開排氣管路閥門,完成反應(yīng)腔室內(nèi)的吹掃。

Reaction:反應(yīng)進行指令。關(guān)閉載氣管路和排氣管路的閥門,腔室內(nèi)處于反應(yīng)狀態(tài)。

Goto:循環(huán)指令。用來設(shè)置ALD反應(yīng)循環(huán)次數(shù)。

End:結(jié)束指令。

ALD工藝的指令流程如圖9所示。

4 ALD工藝檢測分析

系統(tǒng)工藝測試以在4英寸多晶硅基底表面生長TiO2薄膜為目標(biāo),前驅(qū)體源選用四二甲氨基肽(C8H24N4Ti)作為Ti源,H2O作為O源。工藝實驗以99.99%純度N2作為載氣,配置流量為10 sccm來維持反應(yīng)腔室真空度為0.15 Torr,循環(huán)1000次。工藝配方設(shè)置如表2所示,膜厚非均勻性與折射率非均勻性測試結(jié)果如表3、表4所示,測試點位編號如圖10所示。

圖9 工藝指令流程

表2 ALD工藝配方設(shè)置

表3 薄膜厚度均勻性測試結(jié)果

表4 薄膜折射率非均勻性測試結(jié)果(800 nm波長下)

如上表所示,基于PC控制的ALD系統(tǒng)能夠正常生長TiO2,其膜厚非均勻性為0.38%,符合半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域均勻性大于99%的標(biāo)準(zhǔn)[7],可應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。

圖10 測試點位編號

5 結(jié) 論

著眼于計算機技術(shù)的發(fā)展和性價比的日益提高,通過分析ALD薄膜生長工藝特點,選定控制系統(tǒng)的硬件配件,并采用PC控制結(jié)構(gòu)(PC+軟PLC)替代傳統(tǒng)的PLC控制結(jié)構(gòu)(PC+硬件PLC),設(shè)計出基于PC控制的ALD系統(tǒng),從而實現(xiàn)降低原子層沉積設(shè)備成本、能耗,提高設(shè)備靈活性、生產(chǎn)效率,進而促進原子層沉積設(shè)備的生產(chǎn)發(fā)展。PC控制結(jié)構(gòu)不僅可以合理有效地緩解國內(nèi)原子層沉積設(shè)備控制系統(tǒng)不足、硬件成本高等問題,還為PC控制技術(shù)應(yīng)用于薄膜生長提供了指導(dǎo)。此外,采用PC控制器結(jié)合EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)的ALD控制系統(tǒng),其優(yōu)點在于:

(1)工業(yè)PC作為主控制器,系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力強,執(zhí)行速度快,可靠性高;

(2)使用EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù),數(shù)據(jù)傳輸和交換速度快;使用TwinCAT作為控制軟件,增強了系統(tǒng)編程的開放性與兼容性;

(3)硬件結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化,極大降低了ALD系統(tǒng)的硬件成本。