PC控制技術在ALD系統中的應用研究

徐碩,張軒雄,明帥強

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

薄膜技術是物理科學、信息器件的基礎,在半導體器件、傳感器、平板顯示及太陽能電池等方面有重要的應用[1]。原子層沉積(Atomic Layer Deposition,ALD)技術是一種特別的薄膜生長技術,可以使沉積材料的原子(或者分子)逐層沉積在基底表面[2]。與化學氣相沉積技術中一種(或者多種)前驅體源連續(同時)通入反應腔室不同,ALD技術是將前驅體源以脈沖的形式交替通入反應腔室中并在基底表面發生吸附和反應生成薄膜[3]。表面化學反應的自限制性[4]和自飽和性是ALD技術的基礎,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域備受關注,成為集成電路工業中極其重要的主流薄膜制備技術[3,5]。

近年來,國內外的半導體制造商都先后推出了不同類型的原子層沉積設備,其控制系統大多采用傳統PLC控制系統[6](如圖1所示)。傳統PLC控制以硬件PLC為控制器,因受限于硬件PLC自身的內存及處理器,導致傳統PLC控制存在數據處理和數據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],使程序的調試和移植變得困難且不利于后期的維護和升級。所以,傳統PLC控制中的硬件結構兼容性較差、軟件開放性差等問題束縛了ALD設備生產的發展。

圖1 傳統PLC控制結構

為解決當前國內原子層沉積設備控制系統不足,系統兼容性、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PC作為控制器,以Windows 7為操作系統,運用EtherCAT現場總線技術進行控制器與I/O模塊之間的數據傳輸與交換,使用TwinCAT(基于Windows操作系統的自動化控制技術)為控制軟件控制整個系統的運行,設計出基于PC控制的原子層沉積系統。

2 ALD工藝過程與結構設計

2.1 ALD工藝過程

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

a．前驅體A蒸汽脈沖進入反應室,在暴露的沉積基底表面發生化學吸附反應;

b． 通入惰性氣體(如高純N2),把未反應的前驅體A以及反應生成的副產物吹掃出反應室;

c． 前驅體B蒸汽脈沖進入反應室,繼續進行化學吸附反應;

d． 通入惰性氣體,把未反應的前驅體B以及反應生成的副產物吹掃出反應室。

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,每一次循環結束之后就可以在基底表面沉積生成單原子層的薄膜。所以通過控制循環的次數就可以精確地控制薄膜的厚度[8]。

圖2 ALD循環原理

原子層沉積控制技術的關鍵在于薄膜沉積循環時對前驅體源的流量、反應腔室溫度的精微控制,其高精度的系統控制是影響ALD工藝平臺對基底薄膜生長質量及薄膜生長速率至關重要的因素。

2.2 ALD工藝平臺結構設計

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

(1)反應腔室:該部分為薄膜生長提供了工藝環境。加熱裝置放于反應腔室底部進行加熱,樣品襯底通過腔室外的電阻加熱板傳導加熱。反應腔室內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體源載入反應腔室內進行薄膜生長。管路材料均由金屬材料制成,以提高對前驅體源的加熱效率。該管路接入前驅體源瓶(S1、S2、S3、S4)和惰性氣體源瓶,用來載入前驅體、吹掃腔室;由于前驅體是以短脈沖的形式交替進入腔室的,所以在管路上設置了ALD閥(如V1、V2、Vb1等)、質量流量計(MFC1、MFC2),用來控制調整載氣、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,用來維持腔室內的真空環境,并將反應剩余的前驅體及生成的副產物經吹掃后排出系統外。由于在ALD反應前腔室內需要達到真空狀態,ALD薄膜生長時需要維持一定時間讓前驅體進行氣體擴散和化學吸附,所以在管路上設置了真空計和氣動閥門(Vg、Vf),用來檢測腔室內真空狀態和阻斷泵組對腔室抽氣。

(4)控制系統:在傳統工藝流程中,操作人員需要根據設備工藝狀態和工藝經驗來判定是否進入下一循環,導致工藝操作容易出錯,薄膜生長效率低下[10]。基于PC的控制系統中,操作人員通過HMI操作界面編寫工藝配方、設置工藝參數,經PC中的控制模塊完成對工藝環境(溫度、真空度)及工藝步驟的控制,實現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控制系統分析與控制程序設計

3.1 ALD工藝環境控制與分析

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

反應腔室真空度控制部分(如圖4所示)主要涉及:反應腔室、真空泵組、真空計、MFC及載氣。PC控制系統通過真空計采集反應腔室真空度信號,經A/D轉換到輸入PC機進行處理,然后通過相關算法生成質量流量計外控參數信號,從而完成對反應腔室真空氣壓穩定性的控制。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 真空氣壓控制結構分析

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

圖5 反應腔室溫度控制結構分析

3.2 ALD系統硬件選型

基于系統需求分析,為了實現ALD設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境,在留有部分拓展空間的前提下,確定控制系統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EK1100耦合器將I/O模塊連接到EtherCAT網絡中。其中EL2008、EL2809為數字量輸出模塊,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。系統總體控制結構如圖6所示。

表1 ALD控制系統部分配置清單

圖6 系統總體控制結構

3.3 真空度控制程序設計

ALD系統真空度控制結構中,載氣流量控制是影響反應腔室氣壓穩定的關鍵因素。要達到符合工藝條件的穩定真空氣壓狀態,需要真空計實時采集反應腔室內的氣壓信號,與工藝真空氣壓對比后,經PC機發出控制信號調節MFC閥值,進而穩定腔室氣壓。如圖7所示,本機系統采用閉環控制來穩定反應腔室的工藝氣壓。

圖7 ALD真空閉環控制

3.4 溫度控制程序設計

前驅體進源管路及反應腔室的溫度控制具有大慣性、純滯后的特點。若溫區加熱達到設定值才關斷固態繼電器,由于溫度的滯后效應,會導致溫區溫度超過設定值過大;若溫區加熱沒有達到目標值便關斷繼電器,則會因為關斷繼電器過早而導致溫區無法達到目標溫度。如圖8所示(以反應腔室溫度控制為例),為使反應腔室溫度具有良好的穩定性,溫區內的溫度控制采用PID控制。在進行工藝操作之前,設置各路溫區目標溫度,并通過觸發繼電器的輸出對溫區進行加熱;同時熱電偶實時檢測反應腔室的溫度,并根據當前溫度差值及變化速率調節繼電器輸出,進而調節加熱絲的輸出功率,最終確保溫區溫度達到目標溫度并保持穩定。

圖8 反應腔室溫度控制設計

3.5 ALD工藝配方指令設計

根據ALD工藝流程的特性,系統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。用來設定前驅體源瓶閥門打開時間。

Purge:吹掃指令。關閉源瓶閥門,打開排氣管路閥門,完成反應腔室內的吹掃。

Reaction:反應進行指令。關閉載氣管路和排氣管路的閥門,腔室內處于反應狀態。

Goto:循環指令。用來設置ALD反應循環次數。

End:結束指令。

ALD工藝的指令流程如圖9所示。

4 ALD工藝檢測分析

系統工藝測試以在4英寸多晶硅基底表面生長TiO2薄膜為目標,前驅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來維持反應腔室真空度為0.15 Torr,循環1000次。工藝配方設置如表2所示,膜厚非均勻性與折射率非均勻性測試結果如表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工藝配方設置

表3 薄膜厚度均勻性測試結果

表4 薄膜折射率非均勻性測試結果(800 nm波長下)

如上表所示,基于PC控制的ALD系統能夠正常生長TiO2,其膜厚非均勻性為0.38%,符合半導體工藝領域均勻性大于99%的標準[7],可應用于產業化領域。

圖10 測試點位編號

5 結 論

著眼于計算機技術的發展和性價比的日益提高,通過分析ALD薄膜生長工藝特點,選定控制系統的硬件配件,并采用PC控制結構(PC+軟PLC)替代傳統的PLC控制結構(PC+硬件PLC),設計出基于PC控制的ALD系統,從而實現降低原子層沉積設備成本、能耗,提高設備靈活性、生產效率,進而促進原子層沉積設備的生產發展。PC控制結構不僅可以合理有效地緩解國內原子層沉積設備控制系統不足、硬件成本高等問題,還為PC控制技術應用于薄膜生長提供了指導。此外,采用PC控制器結合EtherCAT現場總線技術的ALD控制系統,其優點在于:

(1)工業PC作為主控制器,系統數據處理能力強,執行速度快,可靠性高;

(2)使用EtherCAT現場總線技術,數據傳輸和交換速度快;使用TwinCAT作為控制軟件,增強了系統編程的開放性與兼容性;

(3)硬件結構得到優化,極大降低了ALD系統的硬件成本。