CN111101115A - 气路切换装置及其控制方法、半导体加工设备 - Google Patents

气路切换装置及其控制方法、半导体加工设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种气路切换装置及其控制方法、半导体加工设备，属于半导体加工设备技术领域，其可至少部分解决现有的半导体加工设备中压力波动的技术问题。本发明的气路切换装置包括可编程逻辑控制器和至少一个气路切换件，所述气路切换件包括控制信号输入端、气体流入口、第一气体流出口和第二气体流出口；所述控制信号输入端与所述可编程逻辑控制器的一个IO端电连接；所述气路切换件用于在所述控制信号输入端接收第一电平信号时使所述气体流入口流入的气体从所述第一气体流出口流出，以及用于在所述控制信号输入端接收第二电平信号时使所述气体流入口流入的气体从所述第二气体流出口流出。

Description

气路切换装置及其控制方法、半导体加工设备
技术领域
本发明属于半导体加工设备技术领域，具体涉及一种气路切换装置、一种半导体加工设备及一种气路切换装置的控制方法。
背景技术
现有的半导体加工设备中，以原子层沉积(ALD)设备为例，膜层生成具有周期性。其中一个制备周期包括4个工艺步骤：第一步是向工艺腔室内通入反应前驱物(Source)，反应前驱物被吸附在晶圆表面从而形成一层活性剂，当反应前驱物的吸附达到饱和状态时，该化学吸附反应也便结束；第二步是除去(Purge)工艺腔室内残留的反应前驱物及反应副产物；第三步是向工艺腔室通入第二种反应前驱物(Reactant)，第二种反应前驱物与晶圆表面的活性剂发生发化学反应，在晶圆表面生成要制备的单分子层薄膜；第四步是除去工艺腔室内残留的第二种反应前驱物以及副产品。如此完成一个原子层沉积的制备周期。
原子层沉积工艺一般通过可编程逻辑控制器(PLC)来控制设备内的各种阀门的快速开关来实现。如图1所示，可编程逻辑控制器件1包括计算模块和IO模块，计算模块按照梯形图编码的方式依次控制IO模块中的各个IO口的输出。每个IO口电连接并控制一个电磁阀(电磁阀SV1、电磁阀SV2、电磁阀SV3、电磁阀SV4)。每个电磁阀控制一个控制阀。具体地，每个电磁阀控制高压空气(CDA)是否流向对应的控制阀(控制阀PV1、控制阀PV2、控制阀PV3、控制阀PV4)。
假定控制阀PV1是控制对工艺腔室抽气的阀门，控制阀PV2是控制向工艺腔室充入反应前驱物的阀门，控制阀PV1和控制阀PV2为一组。通常通气量和抽气量是由质量流量计(MFC)(图1中未示出)统计的。PLC控制这两个控制阀的流程如下：第一步，第一个IO口(标号为IO1)发出指令控制控制阀PV1关闭，第二个IO口(标号为IO2)发出指令控制控制阀PV2打开；第二步，第二个IO口发出指令控制控制阀PV2关闭，第一个控制阀PV1发出指令控制控制阀PV1打开。PLC程序采用梯形图编码的方式进行设计，按照固定的顺序依次扫描各个IO口(例如是按照IO1、IO2、IO3、IO4的顺序进行循环)，也就是按照固定的顺序依次控制各控制阀。此外由于原子层沉积设备的特性，成对的控制阀不能同时打开，例如控制阀PV1和控制阀PV2不能同时打开。如此造成以下问题：
当PLC扫描到第一个IO口时(也就是扫描到控制阀PV1时)，由于控制阀PV2此时处于打开状态，必须首先在本次扫描过程中关闭控制阀PV2，然后在下一轮扫描过程中打开控制阀PV1。这就导致控制阀PV1和控制阀PV2具有同时处于关闭状态的一段时期，导致工艺腔室内所通入的气体量发生变化，造成工艺腔室内压力波动，影响工艺效果。
发明内容
本发明至少部分解决现有的半导体加工设备内压力波动的问题，提供一种气路切换装置、一种半导体加工设备及一种气路切换装置的控制方法。
根据本发明的第一方面，提供一种气路切换装置，包括可编程逻辑控制器和至少一个气路切换件，所述气路切换件包括控制信号输入端、气体流入口、第一气体流出口和第二气体流出口；
所述控制信号输入端与所述可编程逻辑控制器的一个IO端电连接；
所述气路切换件用于在所述控制信号输入端接收第一电平信号时使所述气体流入口流入的气体从所述第一气体流出口流出，以及用于在所述控制信号输入端接收第二电平信号时使所述气体流入口流入的气体从所述第二气体流出口流出。
可选地，所述气路切换件包括继电器和电磁阀，所述继电器的控制信号输入端作为所述气路切换件的控制信号输入端；
所述继电器被配置为当其控制信号输入端接收到第一电平信号时其第一触点与电源电连接且第二触点与电源断开，当其控制信号输入端接收到第二电平信号时其第二触点与电源电连接且第一触点与电源断开；
所述电磁阀的第一输入端与所述第一触点电连接，所述电磁阀的第二输入端与所述第二触点电连接；
所述电磁阀被配置为当其第一输入端连接电源且第二输入端浮接时控制所述气体流入口流入的气体从所述第一气体流出口流出，当其第二输入端连接电源且第一输入端浮接时控制所述气体流入口流入的气体从所述第二气体流出口流出。
可选地，所述第一触点为常闭触点，所述第二触点为常开触点；或者所述第一触点为常开触点，所述第二触点为常闭触点。
可选地，所述第一电平信号为高电平信号，所述第二电平信号为低电平信号；或者所述第一电平信号为低电平信号，所述第二电平信号为高电平信号。
可选地，所述气路切换装置包括多个气路切换件，每个气路切换件的控制信号输入端分别连接至所述可编程逻辑控制器的不同IO端。
根据本发明第二方面，提供一种半导体加工设备，包括至少一个控制阀组和根据本发明第一方面所提供的气路切换装置，每个控制阀组均包括第一控制阀和第二控制阀，所述气路切换装置的每个气路切换件的第一气体流出口连接一个控制阀组中的所述第一控制阀，第二气体流出口连接该控制阀组中的所述第二控制阀。
可选地，还包括质量流量计、源瓶、工艺腔室以及从所述流量计到所述工艺腔室的第一管路、从所述流量计经所述源瓶到所述工艺腔室的第二管路，其中，
所述第一控制阀用于控制所述第一管路的通断，所述第二控制阀用于控制所述第二管路的通断。
可选地，所述第二控制阀成对设置，其中一个第二控制阀位于所述第二管路中所述流量计与所述源瓶之间的位置，另一个第二控制阀位于所述第二管路中所述源瓶与所述工艺腔室之间的位置。
可选地，所述半导体加工设备为原子层沉积设备。
根据本发明的第三方面，提供一种气路切换装置的控制方法，应用于根据本发明第一方面的气路切换装置，所述控制方法包括：所述可编程逻辑控制器的一个IO端向一个所述控制信号输入端输出第二电平，所述气路切换件使气体流入口流入的气体从第二气体流出口流出；经设定时间后，所述IO端向该控制信号输入端输出第一电平，所述气路切换件使所述气体流入口流入的气体从第一气体流出口流出。
应用本发明所提供的气路切换装置，可实现第一气体流出口流出气体还是第二气体流出口流出气体两种状态无延时地切换。
附图说明
图1为现有的半导体加工设备的气路切换结构的原理图；
图2为本发明的实施例的气路切换装置及其参与构成的半导体加工设备的结构示意图；
图3为图2中气路切换件的一个实例的一种状态的电路图；
图4为图2中气路切换件的一个实例的另一种状态的电路图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种气路切换装置，如图2所示，包括可编程逻辑控制器1和至少一个气路切换件2，气路切换件2包括控制信号输入端21、气体流入口22、第一气体流出口23和第二气体流出口24；控制信号输入端21与可编程逻辑控制器1的一个IO端(图2中的IO1和IO2)电连接；气路切换件2用于在控制信号输入端21接收第一电平信号时将气体流入口22流入的气体从第一气体流出口23流出，以及用于在控制信号输入端21接收第二电平信号时将气体流入口22流入的气体从第二气体流出口24流出。
也即是由可编程逻辑控制器1通过其一个IO端输出两种不同的信号(第一电平信号和第二电平信号，或者说高电平信号和低电平信号)，其中每个电平信号触发气路切换件2将气体流入口22所流入的气体(通常为高压气体，简称CDA)从第一气体流出口23流出或者从第二气体流出口24流出。如将第一气体流出口23和第二气体流出口24分别与原子层沉积设备中的一个控制阀组中的不同的控制阀(例如图2中的控制阀PV1和控制阀PV2，控制阀具体例如是气动阀)相连通，那么在工艺进行过程中的同一时刻，控制阀PV1和控制阀PV2中只有一个控制阀开启，另一个控制阀关闭，二者的切换不存在延时，从而不会对工艺腔室53内的气压造成波动，有利于提高工艺良率。
可选地，第一电平信号为高电平信号，第二电平信号为低电平信号；或者第一电平信号为低电平信号，第二电平信号为高电平信号。也即是具体由可编程逻辑控制器的IO端输出的高电平还是低电平控制气体从第一气体流出口23流出还是从第二气体流出口24流出，本领域技术人员可做出灵活的设定，对此无需做具体限定。
可选地，参见图3和图4，气路切换件2包括继电器3和电磁阀4，继电器3的控制信号输入端31作为气路切换件2的控制信号输入端21；继电器3被配置为当其控制信号输入端31接收到第一电平信号时其第一触点32与电源24V(提供24V电压)电连接且第二触点33与电源24V断开，当其控制信号输入端31接收到第二电平信号时其第二触点33与电源24V电连接且第一触点32与电源24V断开；电磁阀4的第一输入端41与第一触点32电连接，电磁阀4的第二输入端42与第二触点33电连接；电磁阀4被配置为当其第一输入端41连接电源24V且第二输入端42浮接时控制气体流入口22流入的气体从第一气体流出口23流出，当其第二输入端42连接电源24V且第一输入端41浮接时控制气体流入口22流入的气体从第二气体流出口24流出。
继电器3的第一触点32和第二触点33在同一时刻只能有一个是与电源24V连通的。从而当继电器3的控制信号输入端31与可编程逻辑控制器1的一个IO口接收到高电平或者低电平信号时，第一触点32和第二触点33中只有一个是与电源24V连通的。由于第一触点32和第二触点33分别连接电磁阀4的一个输入端(第一输入端41和第二输入端42)，从而在同一时刻，电磁阀4的第一输入端41和第二输入端42中只有一个是连接电源24V的。由于电磁阀4的第一输入端41和第二输出端42分别控制管道中的气体朝不同方向流出，只需对应设计简单的气体管路即可实现气体从第一气体流出口23流出或者从第二气体流出口24流出。如此实现了气体从第一气体流出口流出23和从第二气体流出口24流出的切换，而无延时。在ALD设备中这两个气体流出口分别控制一个控制阀组中的不同控制阀，如此也就可以满足各个控制阀的开关的切换是没有延时的。
具体地，第一触点32为常闭触点，第二触点33为常开触点；或者第一触点32为常开触点，第二触点33为常闭触点。本领域技术人员可以做出灵活的设定。
可选地，气路切换装置包括多个气路切换件2，每个气路切换件2的控制信号输入端21分别连接至可编程逻辑控制器1的不同IO端。
即由可编程逻辑控制器1的不同IO端分别控制不同的气路切换件2。
本实施例还提供一种半导体加工设备，参见图2，包括至少一个控制阀组(例如控制阀PV1和控制阀PV2为一个控制阀组，控制阀PV3和控制阀PV4为一个控制阀组)和根据本实施例所提供的气路切换装置(包括可编程逻辑控制器1和至少一个气路切换件2)，每个控制阀组均包括第一控制阀和第二控制阀，每个气路切换件2的第一气体流出口23连接一个控制阀组中的第一控制阀，第二气体流出24口连接该控制阀组中的第二控制阀阀(例如图2中左侧的气路切换件2的第一气体流出口23连接控制阀PV1，其第二气体流出口24连接控制阀PV2，控制阀PV1和控制阀PV2构成一个控制阀组)。
即有可编程逻辑控制器1控制气路切换件2将高压气体CDA流向成控制阀组中的第一控制阀或第二控制阀，而不会因可编程逻辑器件1的内部逻辑限制出现延时。
可选地，半导体加工设备还包括质量流量计(也称TMA)51、源瓶52、工艺腔室53以及从流量计51到工艺腔室53的第一管路、从流量计51经源瓶52到工艺腔室53的第二管路，其中，第一控制阀(例如控制阀PV1)用于控制第一管路的通断，第二控制阀(例如控制阀PV2)用于控制第二管路的通断。
当气体流向工艺腔室53时，向工艺腔室53所通入的是反应前驱物，当气体流出工艺腔室53时，从工艺腔室53内抽出的是过剩的反应前驱物和反应副产物。
可选地，第二控制阀成对设置，其中一个第二控制阀位于质量流量计51与源瓶52之间，另一个第二控制阀位于源瓶52与工艺腔室53之间。
也即如图2所示，两个控制阀PV2分别设置在质量流量计51和源瓶52之间，以及源瓶52和工艺腔室53之间。
可选地，该半导体加工设备为原子层沉积设备。在工艺腔室53内进行原子层沉积工艺。
本实施例还提供一种气路切换装置的控制方法，应用于根据本的气路切换装置，控制方法包括：可编程逻辑控制器1的一个IO端(例如IO1)向一个控制信号输入端21输出第二电平，气路切换件2使气体流入口22流入的气体从第二气体流出口24流出；经设定时间后，IO端(例如IO1)向该控制信号输入端21输出第一电平，气路切换件2使气体流入口22流入的气体从第一气体流出口23流出。
以图2所示的半导体加工设备为原子层沉积设备为例说明气路切换装置的工作过程。
首先可编程逻辑控制器在第一轮扫描时，第一个IO端(IO1)向第一个气路切换件2发出指令，第一个气路切换件2控制两个第二控制阀(两个控制阀PV2)打开，控制第一控制阀(控制阀PV1)关闭，第一种反应前驱物经源瓶52到达反应腔室53，质量流量计51统计流入的反应前驱物的量。之后可编程逻辑控制器在第二轮扫描时，第一个IO端(IO1)向第一个气路切换件2发出指令，第一个气路切换件2控制两个第二控制阀(两个控制阀PV2)关闭，控制第一控制阀(控制阀PV1)打开，抽气装置(未示出)从反应腔室53抽出过剩的反应前驱物和反应副产物。控制阀PV3和控制阀PV4构成一个控制阀组，它们例如是控制第二种反应前驱物的反应的控制阀，其工作过程同上。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气路切换装置，其特征在于，包括可编程逻辑控制器和至少一个气路切换件，所述气路切换件包括控制信号输入端、气体流入口、第一气体流出口和第二气体流出口；
所述控制信号输入端与所述可编程逻辑控制器的一个IO端电连接；
所述气路切换件用于在所述控制信号输入端接收第一电平信号时使所述气体流入口流入的气体从所述第一气体流出口流出，以及用于在所述控制信号输入端接收第二电平信号时使所述气体流入口流入的气体从所述第二气体流出口流出。
2.根据权利要求1所述的气路切换装置，其特征在于，所述气路切换件包括继电器和电磁阀，所述继电器的控制信号输入端作为所述气路切换件的控制信号输入端；
所述继电器被配置为当其控制信号输入端接收到第一电平信号时其第一触点与电源电连接且第二触点与电源断开，当其控制信号输入端接收到第二电平信号时其第二触点与电源电连接且第一触点与电源断开；
所述电磁阀的第一输入端与所述第一触点电连接，所述电磁阀的第二输入端与所述第二触点电连接；
所述电磁阀被配置为当其第一输入端连接电源且第二输入端浮接时控制所述气体流入口流入的气体从所述第一气体流出口流出，当其第二输入端连接电源且第一输入端浮接时控制所述气体流入口流入的气体从所述第二气体流出口流出。
3.根据权利要求2所述的气路切换装置，其特征在于，所述第一触点为常闭触点，所述第二触点为常开触点；或者所述第一触点为常开触点，所述第二触点为常闭触点。
4.根据权利要求1所述的气路切换装置，其特征在于，所述第一电平信号为高电平信号，所述第二电平信号为低电平信号；或者所述第一电平信号为低电平信号，所述第二电平信号为高电平信号。
5.根据权利要求1所述的气路切换装置，其特征在于，所述气路切换装置包括多个气路切换件，每个气路切换件的控制信号输入端分别连接至所述可编程逻辑控制器的不同IO端。
6.一种半导体加工设备，其特征在于，包括至少一个控制阀组和根据权利要求1-5任意一项所述的气路切换装置，每个控制阀组均包括第一控制阀和第二控制阀，所述气路切换装置的每个气路切换件的第一气体流出口连接一个控制阀组中的所述第一控制阀，第二气体流出口连接该控制阀组中的所述第二控制阀。
7.根据权利要求6所述的半导体加工设备，其特征在于，还包括质量流量计、源瓶、工艺腔室以及从所述流量计到所述工艺腔室的第一管路、从所述流量计经所述源瓶到所述工艺腔室的第二管路，其中，
所述第一控制阀用于控制所述第一管路的通断，所述第二控制阀用于控制所述第二管路的通断。
8.根据权利要求7所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第二控制阀成对设置，其中一个第二控制阀位于所述第二管路中所述流量计与所述源瓶之间的位置，另一个第二控制阀位于所述第二管路中所述源瓶与所述工艺腔室之间的位置。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的半导体加工设备，其特征在于，所述半导体加工设备为原子层沉积设备。
10.一种气路切换装置的控制方法，其特征在于，应用于根据权利要求1-5任意一项所述的气路切换装置，所述控制方法包括：所述可编程逻辑控制器的一个IO端向一个所述控制信号输入端输出第二电平，所述气路切换件使气体流入口流入的气体从第二气体流出口流出；经设定时间后，所述IO端向该控制信号输入端输出第一电平，所述气路切换件使所述气体流入口流入的气体从第一气体流出口流出。
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