CN102216656A - 用于处理室的密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种密封装置。在一些实施方式中，密封装置包括环形体，该环形体包括具有圆形截面的第一部分和从该第一部分径向向外延伸的第二部分，其中该第二部分具有矩形截面。在一些实施方式中，密封装置包括：被配置成保持在第一表面的凹槽中的主体；臂，该臂自主体远离第一表面延伸，且被配置成当向主体偏转时通过第二表面提供力以在第一表面和第二表面之间形成密封。

Description

用于处理室的密封装置
领域
本发明的实施方式一般涉及真空处理室，且特别涉及到用于这类处理室的密封件。
背景
通常，通过包括在待接合(adjoin)的表面之间设置的密封垫、O型环或相似类型的密封件来防止在表面之间所形成的接合(joint)处发生泄漏。用足以压缩密封件并防止气流通过该密封接合处的力可将结合表面压向彼此。然而，在一些工艺中，诸如石英钟形罩之类的易碎部件必须与诸如排气歧管(manifold)这样的排气部件匹配，这里由于易碎部件而不可对密封剂施加较大的力。在这种情况中，由于部件制造和/或装配(assembly)中的偏差(tolerance)而可发生的不对准会引起由于施加到密封件的力的变化致使泄漏。例如在使用大密封表面的情况下，这种不对准会加重。如上所述，由于易碎部件导致不能通过对密封件施加较大压力来适当地补偿沿着密封表面的偏差变化。因此，由于密封件和密封表面之间的间隙或不充分接触可导致发生泄漏。
因此，本领域需要一种改善的密封。
概述
在此提供一种密封装置。在一些实施方式中，密封装置包括环形体，该环形体包括具有圆形截面的第一部分和自第一部分向外径向延伸的第二部分，其中第二部分具有矩形截面。在一些实施方式中，密封装置包括主体，该主体被配置成保留在第一表面的凹槽中；臂，该臂自该主体远离第一表面延伸，并且该臂被配置成当向主体偏转(deflect)时通过第二表面提供一个力以在第一表面和第二表面之间形成密封。下文公开了本发明的其他特征和实施方式。
附图简要说明
因此，为了能详细理解本发明的上述特征，通过参考实施方式，可获得对上述简要概括的本发明的更具体描述，一些实施方式在附图中示出。但是应注意，附图仅示出了本发明的典型实施方式，且由于本发明允许其他等效实施方式，因此不认为其限制本发明的范围。
图1描述了根据本发明一些实施方式的示意性批量处理室的剖面图。
图2A-B描述了根据本发明一些实施方式的示意性批量处理室的侧视图和顶视图。
图3A-B描述了根据本发明一些实施方式的密封装置。
图4A-D描述了根据本发明一些实施方式的密封装置。
为了便于理解，尽可能之处，使用相同参考数字表示图中共用的相同元件。附图不是按比例画出，且为了清楚起见对其进行了简化。可以预期，一个实施方式的元件和特征可有利地结合到其他实施方式中而不需进一步说明。
具体描述
本文公开了密封装置的实施方式。在一些实施方式中，本发明的密封装置有利地改善了对密封表面之间的不对准和/或不均匀性的容限。本发明的密封装置一般可用在需要控制室工艺压力或工艺气氛的任何处理室中。例如，本发明的密封装置可用在真空处理室中、或者利用在其中包含有毒气体的非真空应用中。其他处理室也可从本发明的密封装置获益，如下文所述。
为了说明目的，下文描述本发明的密封装置用在批量处理室中。以下在图1-2中示出了一个示范性批量处理室。在2005年10月13日提出的发明名称为“Reaction Chamber with Opposing Pockets for Gas Injection and Exhaust”的美国专利申请序列号11/249,555、和2006年5月5日提出的发明名称为“Batch Processing Chamber with Diffuser Plate and Injector Assembly”的美国专利申请序列号11/381,966中进一步详细描述了合适的批量处理室实例，本文中通过参考将这些专利申请每一个的内容并入本文。一个适合于与本发明的密封装置一起使用的示范性批量处理室可包括从California的Santa Clara的应用材料公司获得的FLEXSTAR系统。
图1示出了本发明的示范性批量处理室的剖面图。批量处理室100一般包括被配置成容纳基板舟皿(substrate boat)114的石英室101。石英室101一般包括圆顶型室主体102。形成在室主体102一侧上的注射室(injector pocket)104、形成在注射室104的相对侧上的室主体102上的排气组件103、和与室主体102的开口118相邻形成的凸缘117。基板舟皿114被配置成支撑批量基板121并经由开口118传送批量基板121进出石英室101。凸缘117可熔接到室主体102上以减少用于真空密封的O型环。代替铣制在室主体102上的狭槽，排气组件103和注射室104可熔接在室主体102上。注射室104是扁平的石英管子(tubing)，其一端熔接在室主体102上且一端打开。注射室104被配置成容纳注射组件105。在一些实施方式中，排气组件103可包括排气口(未示出)，该排气口被配置成容纳废气(未示出)。如图1中所示，排气组件103包括经由多个石英导管(conduit)108耦合到室主体102的石英管道(tube)107。石英室101通常由可由适合用于炉室的(熔融的)石英制成。在一个方面，石英是一种结合了高纯度和高温特性的经济材料。另一方面，石英能允许宽温度梯度和高加热速度。
石英室101通常由开口118附近的支撑板110支撑。O型环密封件119用于石英室101和支撑板110之间的真空密封。具有孔径120的室叠层支架(chamber stack support)109设置在支撑板110上。一个或多个加热组块111通常设置在室主体102周围，且被配置成经由室主体102提供热能至石英室101内部的基板121。在一个方面，一个或多个加热组块111可具有多个垂直区域。多个石英衬垫(liner)112设置在该一个或多个加热组块111周围以防止热能向外幅射。外部室113设置在石英室101、该一个或多个加热组块111以及石英衬垫112上方并搁在叠层支架109上，提供用于加热组块111和石英衬垫112的真空密封。开口116可形成在外部室113的侧面上，以便注射组件105和排气组件103通过。热绝缘体106通常设置在注射室104和外部室113之间。由于热绝缘体106和石英衬垫112将外部室113与加热组块111和被加热的石英室101隔离，因此外部室113可在加热工艺期间保持“冷却”。相似地，热绝缘体(未示出)可设置在排气组件103和外部室113之间，用于与热绝缘体106相同的目的。在一个方面，外部室113由诸如铝和不锈钢这样的金属制成。
在一个方面，注射组件105和/或排气组件103的温度可独立于石英室101受控。例如，如图1中所示，加热狭槽(slot)122和冷却通道(channel)123提供在注射组件105中，用于单独加热和冷却注射组件105。
在图2A-B中进一步详细示出了处理室100。批量处理室100通常包括限定处理空间237的石英室101，该处理空间237被配置成容纳在基板舟皿114中叠置的批量基板121。一个或多个加热组块111通常布置在石英室101周围，被配置成加热处理空间237内部的基板121。外部室113设置在石英室101和一个或多个加热组块111上方。一个或多个石英衬垫112设置在外部室113和一个或多个加热组块111之间并被配置成保持外部室113冷却。石英室101由石英支撑板110支撑。外部室113连接到由石英支撑板110支撑的室叠层支架109。
石英室101通常包括室主体102，该室主体102具有底部开口118、形成在室主体102一侧上的注射室104、形成在注射室104相对侧上的室主体102上的排气组件103、和与底部开口118相邻形成的凸缘117。注射室104具有扁平的石英管子形状，其一端熔接到室主体102上且一端打开。排气组件103包括经由多个石英导管108熔接到室主体102上的石英管道107。石英管道107具有底部端口(bottom port)251并在底部打开。多个石英导管108被配置成限制处理空间237与石英管道107的排气空间232之间的流体联通。凸缘117可熔接在底部开口118的周围并被配置成辅助室主体102的真空密封。凸缘117通常与具有孔径250和239的石英支撑板110紧密接触。底部开口118与孔径239对准，并且底部端口251排空(empty into)到与孔径250对准的排气歧管260。O型环密封件119可设置在凸缘117和石英支撑板110之间，以密封处理空间237而隔离通过外部室113、室叠层支架109、石英支撑板110和石英室101限定的外部空间238。密封装置300设置在底部端口251周围以密封排气空间232和外部空间238。石英支撑板110进一步被连接到装载和卸载基板舟皿114的装载锁定器240。可在处理空间237和装载锁定器240之间经由孔径239和底部开口118垂直传送基板舟皿114。
注射室104熔接在室主体102的侧面上且限定与处理空间237联通的注射空间241。当基板舟皿114处于工艺位置时该注射空间241通常覆盖基板舟皿114的整个高度，以使设置在注射室104中的注射组件105可提供水平流动的处理气体至基板舟皿114中的每个基板121。在一个方面，注射组件105具有被配置成装配在注射空间241中的插入式中心部分(intruding center portion)242。被配置成保持注射室104的壁的凹槽243通常形成在中心部分242周围。注射室104的壁通常由注射组件105包封。注射开口216形成在外部室113上以提供用于注射组件105的路径。向内延伸的边缘(rim)206形成在注射开口216周围并被配置成遮挡注射组件105不被加热组块111加热。在一方面，通常包括外部室113内部和石英室101外部的外部空间238被保持在真空状态。由于在工艺期间处理空间237和注射空间241通常被保持在真空状态，因此保持外部空间238处于真空状态能降低石英室101上的应力产生的压力。O型环密封件230设置在注射组件105和外部室113之间以提供用于注射空间241的真空密封。密封装置400通常设置在注射室104外部以防止处理空间237和注射空间241中的处理化学物质逃逸到外部空间238。另一方面，外部空间238可保持在大气压下。
参考图2B，跨注射组件105水平地铣制有三个入口通道(channel)226。三个入口通道226中的每一个都被配置成单独用处理气体供应处理空间237。每个入口通道226都连接到靠近中心部分242的端部形成的垂直通道242。垂直通道224还连接到多个均匀分布的水平孔225，并在注射组件105(图2A中所示)的中心部分242上形成垂直喷头。在工艺期间，处理气体首先从其中一个入口通道226流向相应的垂直通道224。接着，处理气体水平通过多个水平孔225流入到处理空间237中。在一个实施方式中，根据在批量处理室100中执行的工艺的需求，或多或少的入口通道226可形成在注射组件105中。在另一实施方式中，由于注射组件105可安装在外部室113外部且可从外部室113外部移除，因此注射组件105可以是可更换(interchangeable)的以满足不同需求。
参考图2A，一个或多个加热器228设置在与入口通道226相邻的注射组件105内部。一个或多个加热器228被配置成加热注射组件105至设定温度，并可由电阻加热元件、热交换器等制成。冷却通道227形成在一个或多个加热器228外部的注射组件105中。在一个方面，冷却通道227提供对注射组件105温度的进一步控制。在另一方面，冷却通道227保持注射组件105的外部表面是冷却的。在一个实施方式中，冷却通道227可包括以一小角度钻取的两个垂直通道，以使该两个垂直通道在一端相遇。水平入口/出口223连接到每个冷却通道227以使热交换流体可连续流过冷却通道227。热交换流体可以是例如全氟聚醚(perfluoropolyether)(例如Galden
Figure BPA00001372102200051
流体)，将其加热到约30℃和约300℃之间的温度。热交换流体也可是在约15℃至95℃之间的所需温度下传送的冷却的水。该热交换流体也可是温度受控的气体诸如氩气或氮气。
排气空间232经由多个石英导管108与处理空间237流体联通。排气空间232通过经由密封装置300耦合到底部端口251的排气歧管260与泵送装置(未示出)流体联通。因此，在处理空间237中的处理气体通过多个石英导管108流入到排气空间232中，然后向下进入到底部端口251并排空到排气歧管260中。位于底部端口251附近的导管108具有比远离底部端口251的导管108强的吸力。为了自顶部至底部产生均匀吸力，例如通过自底部至顶部增加导管108的尺寸可改变多个石英导管108的尺寸(未示出)。
图3A-B中进一步详细描述将排气组件103耦合到石英管道(tube)107的底部端口251附近的排气歧管260的密封装置300。密封装置300通常包括被配置成设置在第一凸缘304和第二凸缘306之间的环形体302。第一凸缘304可耦合到底部端口251附近的石英管道107，和/或可设置在底部端口251附近的石英管道107周围。第二凸缘306可耦合到排气歧管260。在经由密封装置300的最初耦合期间或者在可能发生移动的工艺期间，密封装置300可有利地被配置成补偿石英管道107和排气歧管260之间的不对准。例如，在产生不对准的基板处理期间石英管道107可相对于排气歧管260滑动和/或膨胀。
环形体302可由合适的工艺相容的柔性材料制成。合适材料的实例包括全氟弹性体诸如可分别从DuPont Performance Elastomers和Perlast公司市售获得的KALREZ
Figure BPA00001372102200061
或PERLAST
Figure BPA00001372102200062
。环形体302包括第一部分308和第二部分310。第一部分308设置在石英管道107的外壁附近且与其外壁接触，并与其形成密封。例如第一部分308可具有小于石英管道107外径的内径。第一部分308可具有圆形截面，如图3A-B中所示。但是也可使用具有弯曲表面的其他截面。
第二部分310从第一部分308向外径向延伸并被配置成固定在第一凸缘304和第二凸缘306之间且在其间形成密封。第二部分310可具有矩形截面，如图3A-B中所示。但是，也可采用其他合适的诸如楔形截面或类似物的截面。在一些实施方式中，第二部分310的截面可以是任意合适的形状，使得第二部分的终端可部分地固定(immobilize)在第一和第二凸缘304和306之间。
第一凸缘304可具有任意合适形状，其必须与环形体302和石英管道107的形状共形。例如，第一凸缘304可包括第一凹槽312和第二凹槽314。靠近石英管道107设置的第一凹槽312被配置成用于部分装配在环形体302的第一部分308周围。自第一凹槽314向外径向设置的第二凹槽314被配置成部分装配在环形体302的第二部分310周围。在一些实施方式中，第一凸缘304可进一步包括用于遮挡环形体302的盖(lip)316，例如避免受到自处理室散出的热量影响。盖316可被设置在与石英管道107相邻的第一凸缘304径向内侧附近。第一凸缘304可通过诸如通过夹具、螺钉或类似物的合适的装置(示出了螺栓320)固定到第二凸缘306。在一些实施方式中，第一凸缘304可固定到第二凸缘306而不需通过环形体302的第二部分310，从而使环形体302的变形、磨损或过早破坏的风险减至最小。例如，可使用第二部分310径向向外设置的螺栓320将第一凸缘304固定到第二凸缘306。
第二凸缘304可具有任意合适的形状，其必须与第一凸缘304匹配并且与环形体302的第二部分310匹配。第二凸缘306被配置成当其耦合到第一凸缘304时用于固定环形体302的第二部分310。如图3A中所示，用第二部分310终端附近的第二凸缘306接触第二部分310。在一些实施方式中，将第二凸缘306配置成仅接触环形体302的第二部分310并允许环形体302的第一部分308自由移动。由此，与第一凸缘304相比，第二凸缘306可具有较小的径向宽度，以在石英管道107和第二凸缘306内边缘之间提供间隙318。
间隙318通常设置在环形体302下方，并且例如在石英管道107的滑动移动期间(诸如在组装期间)，利于环形体302移动至间隙318中。如图3A中所示，间隙318设置在第一部分308下方且第二部分310的一部分也可自由移动(例如，第二部分310的一部分在第一和第二凸缘304、306之间不是固定的)。间隙318可具有任意合适的宽度以利于在石英管道107移动期间，例如在组装期间，环形体302在间隙318内移动。
第一和第二凸缘304、306可包括任意合适的材料，其具有对于应用在密封装置300中所必须的，期望的热特性和/或结构特性。在一些实施方式中，第一和/或第二凸缘304、306可包括不锈钢、铝(包括其合金)或类似物。第二凸缘306可由与第一凸缘304相同或不同的材料制成。在一些实施方式中，第一凸缘304可由诸如陶瓷这样的具有低导热性的材料制成，以使密封件(例如环形体302)与加热器(上文关于图1讨论的)热隔离。合适材料的实例包括铝(Al2O3)或类似物。
在图4A-B中进一步详细描述设置在注射室104外部以防止处理空间237和注射空间241中的处理化学物质逃逸到外部空间238中的密封装置400。密封装置400可包括主体402和从主体402延伸的臂404。主体402和臂404可由相似材料制造，如上文关于图3A-B中的主体302讨论的。密封装置400有利于密封大的表面，例如在面对注射组件105的边缘(rim)206的表面406与注射组件105的内表面408之间的表面。内部表面408设置成接近注射开口216的终端且与注射组件面对表面406相邻。
主体402可设置在凹槽410中，该凹槽410可形成在边缘206的注射组件面对表面406中。凹槽410可设置在注射室104周围(例如凹槽410可围绕(circumscribe)注射室104)。凹槽410可形成有外部开口，该外部开口小于该凹槽的内部尺寸，从而构成利于将主体402保持在凹槽内部的限制。主体402可以是闭环结构，其具有相同形状，形状与凹槽410的相同形状共形。例如，主体402可具有环形。然而，也可使用非环形形状。主体402可具有基本与凹槽410的截面形状共形的截面形状，以利于将主体402保持在凹槽410内部。如图4A中所示，主体402可大体上设置在凹槽410内部。虽然主体402示出为梯形截面，但是它可具有任意合适的截面，其基本上与凹槽410的截面形状共形。主体402的合适截面可包括正方形、矩形或类似物。或者，主体不需要与凹槽410的形状基本共形，如以下进一步讨论的。
臂404自主体402在其整个周边附近延伸向注射组件105的内表面408。组装的时候，臂404可通过注射组件105的内表面408被压向主体402。臂404响应于内表面408的挤压向内表面408施加反作用力。臂404通过足以在注射组件面对表面406和内表面408之间形成密封的力接触内表面408。臂404有利地对宽范围的移动提供基本均匀的力，这有利于在注射组件105周围形成均匀密封，即使在存在诸如由于机械加工或组装容限导致的密封表面之间的不均匀距离这样的不均匀性的情况下也是如此。由此，所施加的反作用力可允许在这种不均匀状态下形成密封，而常规密封装置例如O型环不会允许这样。
密封装置400的替代例在图4C-D中示出。密封装置420可包括主体422和臂424。主体422和臂424可包括与上述装置400相似的材料。主体422可具有基本小于凹槽410截面的截面。如图4C中所示，主体422可整体设置在凹槽410内部。臂424自主体422延伸并延伸向注射组件105的内表面408。而且，臂424沿着主体422延伸，这里臂424具有闭环结构。臂424可被配置成通过注射组件105的内部表面408被压向主体422。如上所述，臂424可响应于宽范围压缩而在注射组件105的内部表面408上施加基本均匀的反作用力，并由此在面对表面406的注射组件和内部表面408之间形成密封。
本文已经公开了密封装置的实施方式。在一些实施方式中，密封装置有利地改善了密封表面之间的不对准和/或不均匀性的容限。
虽然前述内容涉及到本发明的实施方式，但是可设计出本发明的其他和进一步的实施方式而不超出本发明的基本范围。

Claims (15)

1.一种密封装置，包括：
环形体，该环形体包括具有圆形截面的第一部分和从所述第一部分向外径向延伸的第二部分，其中所述第二部分具有矩形截面。
2.如权利要求1所述的密封装置，还包括：
第一凸缘和第二凸缘，其中所述环形体的第二部分的终端被挤压在所述第一凸缘和所述第二凸缘之间。
3.如权利要求2所述的密封装置，其中所述第一凸缘还包括第一凹槽，该第一凹槽被配置成在其中装配所述环形体的至少部分第一部分。
4.如权利要求3所述的密封装置，其中所述第一凸缘还包括第二凹槽，该第二凹槽被配置成在其中装配所述环形体的至少部分第二部分。
5.如权利要求2-4中任一项所述的密封装置，还包括：
沿所述环形体的第一部分和所述第一凸缘且径向向内设置的第一壁，其中所述第一部分接触所述第一壁以对其形成密封。
6.如权利要求5所述的密封装置，还包括：
耦合到所述第二凸缘的第二壁，其中间隙使所述第二壁和所述第二凸缘与所述第一壁分开。
7.如权利要求6所述的密封装置，其中所述第一壁包括石英，并且所述第二壁包括金属。
8.如权利要求2-7中任一项的密封装置，其中所述第一凸缘和所述第二凸缘通过螺栓或夹具中的至少一个耦合。
9.如权利要求2-8中任一项所述的密封装置，其中所述第一凸缘还包括：
盖，该盖从所述第一凸缘的径向向内侧向上延伸。
10.如权利要求2-9中任一项所述的密封装置，其中所述第一凸缘包括陶瓷、不锈钢或铝中的至少一种，并且其中所述第二凸缘包括不锈钢或铝中的至少一种。
11.如权利要求1-10中任一项所述的密封装置，其中所述环形体包括全氟弹性体。
12.一种密封装置，包括：
被配置成保持在第一表面的凹槽中的主体；
臂，该臂从所述主体远离所述第一表面延伸，且该臂被配置成当向主体偏转时通过第二表面提供力以在所述第一表面和所述第二表面之间形成密封。
13.如权利要求12所述的密封装置，其中所述主体和所述臂形成在闭环中。
14.如权利要求12-13中任一项所述的密封装置，还包括：
第一表面，该第一表面具有凹槽和保持在其中的所述主体；和
第二表面，该第二表面面对所述第一表面且将所述臂压向所述第一表面。
15.如权利要求12-14中任一项所述的密封装置，其中所述主体和所述臂包括全氟弹性体。
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