CN1529839A - 原子层沉积室的阀控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种半导体处理室的阀控制系统，包括系统控制计算机和多个与处理室相联系的电可控阀。此系统还包括与系统控制计算机通信的可编程逻辑控制器，并且该可编程逻辑控制器在操作中被连接至电可控阀。阀控制的刷新时间可以小于10毫秒。因而，阀控制操作不会显著增加原子层沉积方法中高重复性循环所需的时间周期。通过可编程逻辑控制器的输出电源可以实施硬件联锁。

Description

原子层沉积室的阀控制系统
本申请要求2001年3月7日提交的序列号为09/800,881的美国申请的优先权。
技术领域
本发明涉及半导体制造方法，更具体地说涉及控制沉积室的设备及方法。
背景技术
在诸如硅晶片或玻璃板之类的基片上制作用于计算机、监视器等的半导体器件。通过一系列制造步骤，例如薄膜沉积、氧化或氮化、蚀刻、抛光、和热及光刻处理，制作这些器件。
通常在低压处理室中执行薄膜沉积。在化学气相沉积中，晶片或其它基片被载入处理室中并在适当条件下暴露至处理气体，以在晶片上沉积薄膜形式的处理气体或处理气体的成分。
有许多不同种类的化学气相沉积方法，其中最近开发的一种方法称作原子层沉积(ALD)或原子层化学气相沉积(ALCVD)。在原子层沉积中，在晶片被交替地暴露至一种以上处理气体的重复过程中，多种薄膜层被沉积在晶片上。ALD方法的每个循环需要打开和关闭多个控制处理气体或清洗气体至处理室流量的阀门。因为每个循环被重复多次，产生、传送和执行阀打开及关闭命令所需的时间量，可能是完成ALD方法所需的整体耗费时间中的重要因素。本发明人已经意识到改进ALD方法的生产量的关键在于缩短阀控制命令的“刷新时间”，其中“刷新时间”指产生、传送和执行命令所需的时间。
发明内容
按照本发明，提供一种半导体处理室的阀控制系统。此阀控制系统包括系统控制计算机和多个与处理室相联系的电可控阀。此阀控制系统还包括与系统控制计算机通信的可编程逻辑控制器，在操作中被连接至电可控阀。此可编程逻辑控制器可以控制具有小于10毫秒的刷新时间、最好采用1毫秒(msec)数量级的刷新时间的电可控阀。
此阀控制系统还可以包括将可编程逻辑控制器连接至电可控阀的接口板和驱动器电路。此接口板可以包括固态继电器。
可编程逻辑控制器可以包括适合从可编程逻辑控制器提供输出信号的输出电源。阀控制系统还可以包括操作中连接至输出电源的联锁电路，并且其当联锁条件发生时适合禁止输出电源。
系统控制计算机可以在操作中连接至可编程逻辑控制器的输出电源，并且可以响应操作员输入信号而适合禁止输出电源。阀控制系统可以包括控制面板，该控制面板在操作中连接至系统控制计算机并适合接收操作员输入。
阀控制系统的多个电可控阀可以包括第一阀、第二阀和第三阀。第一阀可以连接至第一处理气体源，第二阀可以连接至第二处理气体源，而第三阀可以连接至清洗气体源。
按照本发明的另一方面，提供一种操作与半导体处理室联系的阀的方法。本方法包括产生阀的操作命令，传送所产生操作命令至阀，并在阀处执行所传送操作命令。产生、传送和执行步骤可以在不超过10毫秒的时间周期内全部执行。
按照本发明的另一方面，提供一种操作与半导体处理室联系的阀的方法。本方法包括提供电可控阀，并从系统控制计算机中下载处理方法(process recipe)命令至可编程逻辑控制器。本方法还包括根据所下载处理方法命令，在可编程逻辑控制器处反复地产生打开和关闭命令。本方法中还包括从可编程逻辑控制器传送打开和关闭命令至电可控阀，并响应所传送打开和关闭命令重复地打开和关闭电可控阀的步骤。
按照本发明此方面的方法还可以包括响应电可控阀的打开而使处理气体或清洗气体流动至半导体处理室。
利用按照本发明装配的阀控制系统，可以使用一毫秒数量级的刷新时间产生并执行处理气体或清洗气体的阀打开或关闭命令。具有如此快的刷新时间，可以一种有效的方法执行ALD所需的许多重复的气体流动循环，从而增加生产量。
本发明的方面也要求通过可编程逻辑控制器的输出电源的硬件联锁操作，以满足安全需求。并且，按照本发明的一方面，在互连PLC与阀的接口电路中采用固态继电器。固态继电器的使用允许系统按长使用寿命操作，尽管ALD处理需要相当大量的开-关循环。
从下面的优选实施方式的详细说明、所附权利要求书和附图中，本发明的进一步特征和优点将变得更全面而明显。
附图说明
图1为按照本发明的一种实施方式提供的阀控制系统的示意框图；
图2是作为图1系统的部件的接口板的示意图；而
图3是表示ALD工艺的阀控制操作的流程图。
具体实施方式
现在将参照图1说明按照本发明的一种实施方式提供的阀控制系统，图1为此阀控制系统的示意框图。在图1中标号10通常代表阀控制系统。阀控制系统10用于控制多个与处理室14相联系安装的电可控阀12。处理室14可以是传统的化学气相沉积室，修改以优化ALD方法的生产量。对处理室14的修改可以包括直接在处理室14的盖上安装阀12，和在处理室14中为与气体分配装置(未显示)非常接近的基片(未显示)提供处理位置。这些修改都是设计来最小化气体暴露循环时间。
如前面提到的那样，阀12为电可控阀，并且最好为可以从加利福尼亚圣克拉拉的Fujikin美国股份有限公司获得的NC型阀。每个阀12被连接至相应的气体源16。气体源16可以包括两种或更多的处理气体源和清洗气体源。
阀控制系统10包括系统控制计算机18和可编程逻辑控制器(PLC)20，PLC 20通过通信通路22与系统控制计算机18进行数据通信。对系统控制计算机18和PLC 20编程以按照主从布置操作，以使系统控制计算机18委派PLC 20阀12控制的。更具体地说，系统控制计算机18可以将定义阀操作方法的数据下载至PLC 20，并且PLC 20接着控制阀12执行所下载的阀控制方法。
系统控制计算机18可以是传统的可编程控制处理室14操作的个人电脑。除了委派给PLC 20的处理气体和清洗气体阀控功能外，系统控制计算机18可以控制处理室14的所有其它功能，包括例如加热器、升降机、泵、和诸如不同于通过PLC 20控制的阀12的排气阀之类的阀门的控制。适合于接收操作员输入的传统控制面板24被连接至系统控制计算机18。
PLC 20通过接口板26及驱动器28被连接至阀12。驱动器28可以通过由Fujikin销售的型号为23-6C-DR的电路构成。图2示意说明接口板26的外观。图2不需加以说明，但是需要指出的是接口板26的每个信号通路包括相应的固态继电器30。接口板26起到使驱动器28隔离PLC 20的输出的作用。
继续参照图1，PLC 20可以由例如Allen Bradley-Micrologix1500型之类的传统设备构成。PLC 20包括输出电源32，其为由PLC 20通过未显示的场效应晶体管(FETs)输出的信号提供电源。联锁电路34被连接至PLC 20的电源32。按照传统的实施方式，联锁电路34适合于接收传感器信号以指示需要立即停止处理操作的条件。这种条件可以称为“联锁条件”，例如气体室门(未显示)的打开。按照本发明，一旦联锁电路34接收到指示联锁条件的信号，联锁电路34禁止PLC 20的电源32，从而导致任何打开的阀12立即关闭。
系统控制计算机18也被连接至PLC 20的电源32，目的是禁止电源32并因而当接收到由操作员通过控制面板24发出的停机信号时关闭任何打开的阀12。
系统控制计算机18可以通过通信通路22下载命令至PLC 20，包括ALD方法过程中的阀操作方法。并且，PLC 20可以通过通信通路22发送数据消息至系统控制计算机18。这种数据消息可以包括确认消息和状态消息，举例说来，指示已经在工艺中根据一种方法执行了多次气体暴露循环，或者指示一种方法已经完成。
在操作中，系统控制计算机18控制处理室14的部件以执行诸如在处理室14中加载用于处理晶片、在处理室14中适当的位置定位晶片用以处理、和抽空处理室14之类的功能。当处理室14准备好执行原子层沉积工艺时，系统控制计算机18将指示依据阀12的控制的工艺方法的数据下载至PLC 20。根据所下载数据，PLC 20通过接口板26和驱动器28输出命令信号至阀12，以选择性打开和关闭阀12，并从而选择性将处理室14中的晶片暴露至来自气体源16的气体。
图3为通过PLC 20启动的与处理室14中执行的ALD方法相关的一系列功能的流程图。
在图3的程序的起始是步骤50，其中PLC 20增加计数器，此计数器可以在初始程序(未显示)中已经被复位。步骤50之后是步骤52，其中PLC 20产生并输出命令以打开第一阀12。假定第一阀12被连接至第一处理气体源，其可以是例如硅烷(SiH4)或乙硼烷(B2H2)。那么第一阀响应来自PLC 20的命令而打开，并且第一处理气体进入第一处理室14，并冲击晶片以在晶片上沉积第一薄膜。第一阀在预定的时间周期内保持打开状态，例如此时间周期可以是几十毫秒。然后，利用按照此方法的预定计时，PLC 20产生并传送命令以关闭第一阀(步骤54)。第一阀响应关闭命令而被关闭。同时，PLC 20发出命令以打开第二阀(步骤56)，第二阀可以连接至氩气之类的清洗气体源。接着清洗气体流入处理室14。在预定的时间周期内清洗继续，此时间周期可以为大约几百毫秒，然后，利用预定的计时，PLC 20发出命令(步骤58)以关闭第二阀，从而终止清洗。
步骤58之后是步骤60。PLC 20在步骤60产生并传送命令以打开第三阀12。假定第三阀被连接至第二处理气体源，其可以是例如氟化钨(WF6)。当打开第三阀时，第二处理气体进入处理室14并冲击晶片以在晶片上沉积第二薄膜层。第三阀可以在预定的时间周期内保持在打开位置，此时间周期可以是几十毫秒。然后，以预定计时，PLC 20发出命令以关闭第三阀(步骤62)，并同时发出命令打开第二阀(步骤64)以启动另一清洗。在预定的时间周期内清洗继续，此时间周期可以与步骤56的清洗相同，然后当PLC 20发出命令(步骤66)以关闭第二阀时清洗被终止。
总结步骤52-66中发生的情况，在一短暂阶段中利用第一处理气体在晶片上沉积薄膜，随后是清洗阶段，而随后是第二短暂阶段，其中利用第二处理气体在晶片上沉积薄膜，随后是第二清洗。可以认为这四阶段组成一循环，并需要四打开阀的命令和四关闭阀的命令。在一方面，布置控制系统10，并选择阀12，以使产生、传送和执行阀打开或关闭命令所需的刷新时间小于10毫秒。例如，产生并传送此命令可以花费小于1毫秒的时间，而通过阀执行此命令可以花费大约3毫秒。如果按照传统的实施方式，通过系统控制计算机18产生并传送每个阀打开和关闭的阀操作信号，将不会是这种情况。在这点上传统实施方式可能需要等于1秒或更多的时间产生并传送每个阀控制命令。本发明提供的较快刷新时间也通过选择如上所述类型的阀12和驱动器28并通过在接口板26中使用固态继电器得到支持。
步骤66之后是判定块68，其中确定是否ALD方法的方法已经完成。如果没有，(即，如果需要进一步的循环)，图3的程序从判定块68返回至步骤50以使计数器被增加，从而再次执行步骤52-66的循环。ALD方法的典型方法可能需要10-20的较少循环或者200-300的较多循环或更多。一旦已经执行了此方法所需的循环数目，在步骤68就做出肯定的确定，并完成ALD方法(步骤70)。这可能包括，例如从处理室14去除晶片。
因为利用本发明的布置处理气体和清洗气体阀开口和关闭命令的刷新周期相当短，可以快速地执行ALD所需的大量阀操作循环，从而提高ALD方法的生产量。此外，可以布置本发明的控制系统以使通过PLC 20的输出电源提供硬件联锁；因而可以遵照硬件联锁所需的安全调节。此外，可以使用高速度且长寿命的固态继电器实施从PLC 20至阀12的信号通路，以获得较短的刷新时间，并且经管继电器需要非常大量的重复操作，控制系统耐用。
此外，所选择的本发明系统的阀可以非常快速地响应操作命令信号，从而最小化刷新时间。
本发明的阀控制装置还具有降低系统控制计算机处理负担的优点，因为ALD处理所需的大量重复命令被通过PLC 20而不是系统控制计算机18产生。
虽然根据图3说明的循环操作模式对ALD操作而言具有优势，以其可以被预期以非循环操作模式操作控制系统10，其中可以通过系统控制计算机18产生直接打开或关闭阀12的命令，并通过PLC20、接口板26和驱动器28逐一传送。
以上说明仅公开本发明的一种优选实施方式；对本领域的技术人员而言，很明显可以在本发明的领域内对上述设备做出修改。因此，虽然已经按照其一种优选实施方式公开本发明，应该理解其它实施方式可以包括在如权利要求书所限定的本发明的精神和领域内。

Claims (24)

1.一种用于半导体处理室的阀控制系统，包括：
系统控制计算机；
多个与处理室相联系的电可控阀；
与系统控制计算机通信的可编程逻辑控制器，并且该可编程逻辑控制器在操作中被连接至电可控阀。
2.如权利要求1的阀控制系统，其中可编程逻辑控制器按小于10毫秒的刷新时间控制电可控阀。
3.如权利要求1的阀控制系统，还包括将可编程逻辑控制器连接至电可控阀的接口板和驱动器电路。
4.如权利要求3的阀控制系统，其中接口板包括固态继电器。
5.如权利要求1的阀控制系统，其中可编程逻辑控制器包括适于从可编程逻辑控制器提供输出信号的输出电源；并且还包括操作中连接至输出电源的联锁电路，并且该联锁电路当联锁条件发生时适于禁止输出电源。
6.如权利要求5的阀控制系统，其中系统控制计算机在操作中被连接至输出电源，并且可以响应操作员输入信号而适于禁止输出电源。
7.如权利要求6的阀控制系统，还包括控制面板，在操作中该控制面板连接至系统控制计算机并适于接收操作员输入。
8.如权利要求1的阀控制系统，其中多个电可控阀包括第一阀、第二阀和第三阀，并且其中：
第一阀被连接至第一处理气体源；
第二阀被连接至第二处理气体源；
而第三阀被连接至清洗气体源。
9.一种操作与半导体处理室联系的阀的方法，本方法包括以下步骤：
产生阀的操作命令；
传送所产生操作命令至阀；并
对阀执行所传送操作命令；
其中产生、传送和执行步骤可以在不超过10毫秒的时间周期内被全部执行。
10.如权利要求9的方法，其中执行步骤包括打开阀。
11.如权利要求9的方法，其中执行步骤包括关闭阀。
12.如权利要求9的方法，还包括产生、传送和执行步骤被重复至少10次循环。
13.如权利要求12的方法，其中产生、传送和执行步骤被重复至少200次循环。
14.一种操作与半导体处理室联系的阀的方法，本方法包括以下步骤：
提供电可控阀；
从系统控制计算机中下载处理方法命令至可编程逻辑控制器；
根据所下载处理方法命令，在可编程逻辑控制器处反复地产生打开和关闭命令；
从可编程逻辑控制器传送打开和关闭命令至电可控阈；并响应所传送打开和关闭命令重复地打开和关闭电可控阀。
15.如权利要求14的方法，还包括响应电可控阀的打开而使处理气体流动至半导体处理室。
16.如权利要求14的方法，还包括响应电可控阀的打开而使清洗气体流动至半导体处理室。
17.一种设备，包括：
适合与系统控制计算机通信的可编程逻辑控制器，和至少一个与半导体处理室相联系的电可控阀，可编程逻辑控制器还适于：
产生至少一个阀的操作命令；和
传送所产生操作命令至至少一个阀从而在至少一个阀处执行所传送操作命令；
其中产生、传送和执行步骤可以在不超过10毫秒的时间周期内被全部执行。
18.一种设备，包括：
适合与系统控制计算机通信的可编程逻辑控制器，和至少一个与半导体处理室相联系的电可控阀，可编程逻辑控制器还适于：
从系统控制计算机下载处理方法命令；
根据所下载的处理方法命令重复地产生打开和关闭命令；和
传送打开和关闭命令至至少一个电可控阀从而重复打开和关闭至少一个电可控阀。
19.一种系统，包括：
至少一个与半导体处理室相联系的电可控阀；
适合与系统控制计算机及至少一个电可控阀通信的可编程逻辑控制器，并且还适于：
产生至少一个阀的操作命令；和
传送所产生操作命令至至少一个阀从而在至少一个阀处执行所传送操作命令；
其中产生、传送和执行步骤可以在不超过10毫秒的时间周期内被全部执行。
20.如权利要求19的系统，其中可编程逻辑控制器适于通过至少一个固态继电器与至少一个电可控阀通信。
21.一种系统，包括：
至少一个与半导体处理室相联系的电可控阀；
适合与系统控制计算机及至少一个电可控阀通信的可编程逻辑控制器，并且还适于：
从系统控制计算机下载处理方法命令；
根据所下载的处理方法命令重复地产生打开和关闭命令；和
传送打开和关闭命令至至少一个电可控阀以重复打开和关闭至少一个电可控阀。
22.如权利要求21的系统，其中可编程逻辑控制器适于通过至少一个固态继电器与至少一个电可控阀通信。
23.一种系统，包括：
多个与半导体处理室相联系的电可控阀；
多个连接至多个电可控阀的驱动器；
多个连接至多个驱动器的固态继电器；
适合与系统控制计算机及多个电可控阀通信的连接至多个固态继电器的可编程逻辑控制器，并且对每个电可控阀而言还适于：
产生阀的操作命令；和
传送所产生操作命令至阀从而在阀处执行所传送操作命令；
其中产生、传送和执行步骤可以在不超过10毫秒的时间周期内被全部执行。
24.一种系统，包括：
多个与半导体处理室相联系的电可控阀；
多个连接至多个电可控阀的驱动器；
多个连接至多个驱动器的固态继电器；
适合与系统控制计算机及多个电可控阀通信的连接至多个固态继电器的可编程逻辑控制器，此可编程逻辑控制器还适于：
从系统控制计算机下载处理方法命令；
根据所下载的处理方法命令重复地产生打开和关闭命令；和
传送打开和关闭命令至多个电可控阀的其中之一或更多个从而重复打开和关闭一个或更多个电可控阀。
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