CN101282836A - 使用涡轮泵的宽范围压力控制 - Google Patents

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Abstract

本发明是用于控制真空工艺腔内工艺流率和压力的装置和方法，该真空工艺腔由涡轮分子泵抽空。控制泵和工艺腔之间的节流阀以调节压力和流率。还控制泵下游的前级阀以将节流阀的设定维持在较佳的稳定运行范围内。

Description

使用涡轮泵的宽范围压力控制
技术领域
本发明一般地涉及真空抽吸领域，且更具体地涉及用于以变化的流率和压力提供并精确控制高度真空的方法和装置。
背景技术
某些研究和制造工艺需要使用具有高度真空的工艺腔。可能由于多个原因中的任何一个而需要这种真空。在某些情况下，必须去除工艺过程中会引起化学反应或物理损坏的大气成分(例如在诸如钛的活性金属的真空熔化时)。在其它情况下，使用真空来扰乱正常室内条件下存在的平衡条件，诸如在从成批材料去除挥发性液体或者滞留或溶解气体时(例如，将油脱气、冷冻-烘干)或在从表面释放吸收的气体时(例如在制造期间对微波管的洗涤)。真空还用于这样的工艺：其中必须延长微粒在与其它微粒碰撞之前行进的距离，由此使微粒能够跟随源和目标之间的无碰撞路线(例如在真空喷涂、微粒加速器、电视机显像管中)。最后，真空用于通过降低每秒的分子冲击数量来制备清洁表面。这降低了污染的几率(例如在清洁表面研究和纯的薄膜制备时)。
在半导体晶片加工时，在薄膜的化学气相沉积(CVD)和蚀刻操作过程中使用真空，主要是为了降低污染并使微粒轨道最大。尽管本文主要结合半导体晶片制造操作来描述本发明的真空系统，但该系统也可用于其它工艺以及以上需要使用真空的任何研究活动。
诸如干蚀刻器之类的基于等离子体的半导体制造设备通常在2-250微托(mTorr)的压力范围内运行，该压力范围具有精确控制的真空度。如图1的示例性系统100所示，用涡轮分子泵130来抽空工艺腔110。通常使用一个或多个电容压力计112来测量工艺腔110内的压力。通过将压力计测量值馈送到工具控制器115来控制腔的压力，工具控制器115控制并设定(sequencing)整个工艺。工具控制器115对阀控制器125发出指令，该阀控制器125驱动放置在腔110和涡轮分子泵130之间的叶片或蝶形节流阀120上的步进电动机。改变节流阀120的开度的大小可改变腔110内的压力。
通过设定质量流量控制装置105来设定气体流率以维持通过腔的恒定流率。当使用节流阀120来调节腔压力时，质量流率控制装置保持恒定的质量流率。如本文所使用的那样，术语“抽吸速度”是指通过泵的气体体积流量。例如可以每分钟标准立方厘米(SCCM)为单位测量气体流量。
最近，半导体工艺的要求迫使工具制造商安装较大的涡轮分子泵以达到较低压力的高气体流量。所要求的气体流量有时可高达1000SCCM。此外，对于诸如穿透蚀刻、原处光阻材料条或腔清洁的工艺步骤，产生对工艺腔内的高压低流速条件的需求。
节流阀技术通常基于步进电动机致动器，该致动器具有其可采用的固定数量的位置。例如，摆式闸阀在本领域中通常用作节流阀。摆式闸阀具有通过具有有限的角位分辨率(resolution)的伺服电动机转动到或转出密封位置的摆动板。
为了在低压时维持稳定的压力控制，该阀可在20-80％的开度范围内运行。图2中示出了理论闸阀的流动特性的曲线图，其中曲线230表示流率210作为阀开度百分比220的函数。可以看出在20-80％的开度范围240中，曲线230没有过小或过大的斜率，能够进行稳定的控制。
所示示例系统对半导体工艺方法中的低压、高流率步骤进行优化，在该方法中节流阀运行接近于打开到使传导率最大但不会打开到限制控制稳定性。
在较高压力、高流速条件下，节流阀几乎完全关闭以限制气体到涡轮分子泵的传导率。在该区域，压力控制的分辨率受到限制，步进电动机的一步会导致传导率的很大变化，且因此破坏了控制稳定性。
如图2所示，为了保持腔内的较高压力，阀必须在0-20％的开度范围260内运行。但是在该区域，阀开度的很小变化会导致流率的很大变化，引起压力控制的不稳定性。当该阀节流具有大直径入口的大涡轮分子泵时，这限制了以较高压力和较低流速进行控制的稳定性。
在同一方法中使用低压、高流速和高压、低流速步骤还对硬件工程师提出了显著的稳定性问题。
用几种方式解决了该问题，但只有有限的成功。例如，已将惰性气体加入工艺气体流以增加泵的气体负载。该技术相对快速地起作用，且确实增加了工艺腔压力而不需要节流阀在其较佳运行范围以外运行。但是该技术显著地增加了气体消耗和所有权成本并可能会产生不合要求的工艺效果。
可改变涡轮泵电动机的转速以调节工艺腔压力。该技术还产生有效抽吸速度下的所要求的变化，但需要很多时间以在工艺方法中的高压和低压步骤之间使转子减速和加速。转速变化通常花费60秒以上的时间，并对生产率造成不可接受的损失。
改变前级泵(backing pump)转速以改变工艺腔压力。前级泵通常用于主涡轮分子泵下游以减小主泵的排出压力。改变前级泵的转速可改变主泵的压降，改变工艺腔压力。该技术还需要额外的时间来改变工艺腔压力。此外，为了实现腔到腔的可重复性，还需要前级泵位于到涡轮泵的精确且一致的距离。
另一方法是用更昂贵的具有级数更多的伺服电动机的节流阀。但是该技术方案由于成本太高而不受欢迎。
已经尝试使用排出口节流阀和其它形式的前级压力控制装置来控制涡轮泵的入口压力。这些情况中的每个都关注用调节前级压力的一些设置来代替入口节流闸阀。
因此目前需要提供一种可用于半导体晶片的制造所出现的较高压力、较低流速工艺的真空排气装置和方法。具体地说，该技术应当反应更迅速，并用比目前使用的技术要低的成本和低的维护需要来实施。在本发明人的知识范围内，目前还没有这样的技术可供使用。
发明内容
本发明通过提供一种用于从真空腔的排气口排出气体以维持腔内工艺压力的装置来解决上述需要。该装置包括：压力传感器，该压力传感器用于测量真空腔内压力；节流阀，该节流阀与真空腔的排气口连通，用于调节来自排气口的流量；高真空泵，该高真空泵具有泵入口和前级端口，泵入口与节流阀连通；前级阀(backing valve)，该前级阀与泵的前级端口(backing port)连通以调节来自前级端口的流量；以及至少一个控制器，该控制器用于根据来自压力传感器的测量值来调节节流阀和前级阀的开度大小，以维持腔内的工艺压力。
该控制器可包括处理器，该处理器具有来自压力传感器的输入，该输入用于接收压力测量值，且该处理器还具有到前级阀和节流阀的输出，该输出用于发送开度大小调节信号。
该控制器可包括：工具控制器，该工具控制器连接到压力传感器，以通过至少一个工艺流率和工艺压力来设定工艺腔；节流阀控制器，该节流阀控制器连接到节流阀以控制节流阀的开度；前级阀控制器，该前级阀控制器连接到前级阀以控制前级阀的开度；以及处理器，该处理器与工具控制器、节流阀控制器和前级阀控制器通信。该处理器具有用于存储计算机可读指令的存储介质，所述指令可由处理器执行以根据压力传感器的测量值调节节流阀和前级阀的开度大小，以维持腔内至少一个工艺流率和工艺压力。
压力传感器可以是电容压力计。前级阀可以是蝶阀、摆式闸阀或其它限制孔口的装置。
节流阀可以是摆式闸阀。节流阀还可包括步进电动机定位装置。
可将节流阀控制成具有有限数量的离散开度大小。在该情况下，该控制器还用于调节前级阀的开度大小以在腔内达到工艺压力，该工艺压力在两相邻的离散节流阀开度大小所产生的那些工艺压力之间。
可维持腔内的工艺压力而不改变涡轮分子泵的转速。
本发明的另一实施例是通过调节从真空腔的排气口流出并通过涡轮分子泵的排气来控制真空腔内工艺压力的方法。该方法包括以下步骤：读取真空腔内的压力；控制节流阀的开度来至少部分地根据压力读数调节从排气口到涡轮分子泵的流量，节流阀开度具有较佳的运行范围；以及控制涡轮分子泵下游的前级阀以将节流阀开度保持在较佳运行范围内。
该方法还可包括以下步骤：从存储介质读取计算机可执行指令，所述指令用于执行该方法的至少一部分。
读取压力的步骤可包括读取从电容压力计接收的信号。控制前级阀的步骤可包括转动蝶阀。控制节流阀的开度的步骤可包括推进和缩回摆式闸阀。
控制节流阀的开度的步骤可包括致动步进电动机定位装置。可将节流阀控制成具有有限数量的离散开度大小，在这一情况中，控制前级阀的步骤包括调节前级阀的开度大小以在腔内达到工艺压力，该工艺压力在两相邻的离散节流阀开度大小所产生的那些工艺压力之间。
可以控制腔内的工艺流率和工艺压力而不改变涡轮泵的转速。
本发明的另一实施例是一种从真空腔的排气口并通过涡轮分子泵排出废气以保持腔内工艺压力的方法。该方法包括以下步骤：测量真空腔内的压力；调节节流阀的开度大小，该节流阀连通在真空腔的排气口和涡轮分子泵之间；以及调节前级阀的开度大小，该前级阀与泵的前级端口连通以调节泵的压缩比。节流阀和前级阀的开度大小维持腔内的工艺压力。
可将节流阀控制成具有有限数量的离散开度大小，在此情况中，调节前级阀的步骤还包括调节前级阀的开度大小以在腔内达到工艺压力，该工艺压力在两相邻的离散节流阀开度大小所产生的那些工艺压力之间。
附图说明
图1是示出现有技术真空排气装置的功能构件的示意图。
图2是对于理论闸阀的阀开度与流率关系的曲线图。
图3是示出根据本发明的真空排气装置的功能构件的示意图。
图4是示出根据本发明一实施例的方法的框图。
图5是示出根据本发明另一实施例的方法的框图。
具体实施方式
本发明是用于动态调节与涡轮泵和工艺腔之间的节流闸阀结合使用的大涡轮分子泵的有效抽吸速度的系统和方法。该系统和方法能够进行宽范围的稳定压力控制。
参照一实施例描述本发明，在该实施例中抽空用于加工半导体的工艺腔。本领域的技术人员会认识到该系统可用于需要高度真空的其它应用场合，诸如研究仪器。
本发明利用涡轮分子泵的压缩特性来动态调节泵入口处的抽吸速度。涡轮泵的压缩比通常使得当前级压力变化时，入口压力保持恒定。但是，在某一前级压力以上(这由涡轮泵转子设计确定)，前级压力的变化会导致入口压力的变化。
通过将诸如蝶阀之类的简单粗糙的控制阀添加到涡轮泵的前级端口并提供具有适当压力控制算法的控制器，可动态地降低泵的有效抽吸速度，使入口节流阀在较佳的20-80％开度范围内打开，同时改进压力分辨率和控制。
图3中示出本发明系统的示例性实施例300。在该实施例中，将工艺气体通过质量流量控制装置305引入工艺气体腔310。在工艺腔310和涡轮分子泵330之间设有节流阀320。节流阀320可例如是瑞士Haag的VAT真空阀公司(VAT Vakuumventile AG)制造的具有一体式控制器的65.0系列的摆式压力控制阀。本领域的技术人员会认识到也可使用诸如常规闸阀之类的其它类型的节流阀。
该阀由阀控制器325来控制。尽管图3的控制器325示出与阀320分开，但控制器325可与阀320整合在单个紧凑的壳体内。
如上所述，节流阀320可使用步进电动机来定位摆式板。本发明的一个优点是可使用具有步进伺服电动机定位装置的标准节流阀，而没有靠近阀行程极端的定位分辨率所引起的缺点。
在涡轮分子泵330的后侧是本发明的前级阀340。前级阀340可以是便宜、粗分辨率的蝶形阀。例如，在本发明的一实施例中，前级阀是由马萨诸塞州威尔明顿(Wilmington)的MKS仪器有限公司生产的153型排气节流阀。本领域的技术人员会理解，也可使用其它类型的控制阀作为本发明的前级阀。
控制器345控制前级阀340的定位。该控制器可以是独立的或一体的。用于前级阀的定位伺服装置不必是如节流阀中使用的步进电动机，而可以是成本更低、更粗糙的定位装置。
工具控制器315被连接成接收来自压力传感器312的信号，压力传感器312可以是电容压力计。工具控制器还协调要在工艺腔内完成的工艺步骤。
系统控制器350可以是嵌入式PC运行系统控制软件，诸如可从加利福尼亚州Sylmar的ASC工艺系统(ASC Process Systems)购得的CPC控制软件的削减版。系统控制器350连接成接收来自工具控制器315的信息，包括实际和所要求的工艺腔压力。该系统控制器还连接到节流阀控制器325和前级阀控制器345，并根据存储在系统控制器中的压力控制算法指示那些控制器打开或关闭它们相应的阀，该系统控制器编译来自工具控制器315的信号。
工具控制器315、阀控制器325、系统控制器350和阀控制器345包括用于根据来自压力传感器的测量值调节节流阀和前级阀开度大小的总控制器360。尽管图3中将各个单个的控制器显示为分开的，但是应当注意到这些控制器中的任何两个或多个可整合到用于控制本发明的系统的单个控制器中。
诊断工作站360可设置成为系统的控制器元件编制程序，并改变这些程序来执行新的工艺方法等。
图4中示出根据本发明用于控制真空腔内的工艺压力的方法400。通过调节从真空腔的排气口流出并通过涡轮分子泵的废气来控制该压力。首先，读取真空腔内的压力(步骤420)。接着，控制节流阀的开度(步骤430)来调节从排气口到涡轮分子泵的流量。该控制至少部分地根据压力读数。节流阀开度具有较佳的运行范围。
控制涡轮分子泵下游的前级阀(步骤440)以将节流阀开度保持在较佳运行范围内。
图5中示出本发明的方法的另一实施例500。该方法用于从真空腔的排气口、经涡轮分子泵排出气体，以保持腔内的工艺流率和工艺压力。该方法开始于测量真空腔内的压力(步骤520)。调节连通在真空腔的排气口和涡轮分子泵之间的节流阀的开度大小(步骤530)。还调节与泵的前级端口连通的前级阀的开度大小，该开度大小用来调节泵的压缩比(步骤540)。调节节流阀和前级阀的开度大小以保持腔内的工艺压力。
应当理解以上详细说明在各方面都是说明和示例性的，而非限制，且本文所揭示的本发明的范围并不由具体实施方式所确定，而是由根据专利法许可的最宽范围解释的权利要求书所确定。例如，尽管系统描述为控制半导体加工腔内的压力和流速，但它还可与需要高度真空的任何系统结合使用。应当理解本文所示和所述的实施例仅是对本发明原理的说明，且本领域的技术人员可进行各种更改而不脱离本发明的范围和精神。

Claims (19)

1.一种用于从真空腔的排气口排气以维持所述腔内工艺压力的装置，所述装置包括：
压力传感器，所述压力传感器用于测量所述真空腔内压力；
节流阀，所述节流阀与所述真空腔的所述排气口连通以调节来自所述排气口的流量；
高真空泵，所述高真空泵具有泵入口和前级端口，所述泵入口与所述节流阀连通；
前级阀，所述前级阀与所述泵前级端口连通，用于调节来自所述前级端口的流量；以及
至少一个控制器，所述控制器用于根据来自所述压力传感器的测量值来调节所述节流阀和所述前级阀的开度大小，以维持所述腔内的所述工艺压力。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个控制器包括至少一个处理器，所述至少一个处理器具有来自所述压力传感器的输入，用于接收所述压力测量值，且该处理器还具有到所述前级阀和节流阀的输出，所述输出用于发送开度大小调节信号。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个控制器包括：
工具控制器，所述工具控制器连接到所述压力传感器，以通过至少一个工艺流率和工艺压力来为工艺腔设定程序；
节流阀控制器，所述节流阀控制器连接到所述节流阀以控制所述节流阀的开度；
前级阀控制器，所述前级阀控制器连接到所述前级阀以控制所述前级阀的开度；以及
处理器，所述处理器与所述工具控制器、所述节流阀控制器和所述前级阀控制器通信，所述处理器具有用于存储计算机可读指令的存储介质，所述指令可由所述处理器执行以根据来自所述压力传感器的测量值调节所述节流阀和所述前级阀的开度大小，以维持所述腔内所述至少一个工艺流率和工艺压力。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力传感器是电容压力计。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述前级阀是蝶阀。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述节流阀是摆式闸阀。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述节流阀还包括步进电动机定位装置。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，可将所述节流阀控制成具有有限数量的离散开度大小，且所述控制器还用于调节所述前级阀的所述开度大小以在所述腔内达到工艺压力，所述工艺压力在两相邻的离散节流阀开度大小所产生的那些工艺压力之间。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，保持所述腔内的所述工艺流率和所述工艺压力而不改变所述高真空泵的转速。
10.一种用于通过调节从真空腔的排气口并经涡轮分子泵排出的废气以控制所述真空腔内工艺压力的方法，所述方法包括以下步骤：
读取所述真空腔内的压力；
控制节流阀的开度来至少部分地根据所述压力读数调节从所述排气口到所述涡轮分子泵的流量，所述节流阀开度具有较佳的运行范围；以及
控制所述涡轮分子泵下游的前级阀以将所述节流阀开度保持在所述较佳运行范围内。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
从存储介质读取计算机可执行指令，所述指令用于执行所述方法的至少一部分。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，读取所述压力的所述步骤包括读取从电容压力计接收的信号。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制前级阀的所述步骤包括转动蝶阀。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制所述节流阀的所述开度的步骤包括推进和缩回摆式闸阀。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制所述节流阀的开度的步骤包括致动步进电动机定位装置。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，可将所述节流阀控制成具有有限数量的离散开度大小，且控制所述前级阀的步骤包括调节所述前级阀的开度大小以在所述腔内达到工艺压力，所述工艺压力在两相邻的离散节流阀开度大小所生成的那些工艺压力之间。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制所述腔内的所述工艺流率和所述工艺压力而不改变涡轮泵的转速。
18.一种从真空腔的排气口并通过涡轮分子泵排气以保持所述腔内工艺压力的方法，所述方法包括以下步骤：
测量所述真空腔内的压力；
调节节流阀的开度大小，所述节流阀连通在所述真空腔的所述排气口和所述涡轮分子泵之间；
调节前级阀的开度大小，所述前级阀与所述泵的前级端口连通，从而调节所述泵的压缩比；
由此调节所述节流阀和所述前级阀的所述开度大小来维持所述腔内的所述工艺压力。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述节流阀被控制成具有有限数量的离散开度大小，且调节所述前级阀的步骤还包括调节所述前级阀的所述开度大小以在所述腔内达到工艺压力，所述工艺压力在两相邻的离散节流阀开度大小所产生的那些工艺压力之间。
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