CN107803071B - 一种排气系统及防止尘粒回流的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种排气系统及防止尘粒回流的装置及方法，通过实时监测真空泵的马达转速信号及过滤器上游及下游的气体压力，当测得的马达转速等于或低于设定的第一转速，并且测得的上下游压力的差值达到为当前工艺所设定的阈值时，控制阀门在马达转速下降到第二转速之前关闭。因此，本发明可以在故障导致真空泵马达转速降低或停转之前，先行关闭连通反应腔的排气管路，对尘粒回流进行阻断，有效避免反应腔内核心硬件因回流污染造成的损失。

Description

一种排气系统及防止尘粒回流的装置及方法

技术领域

本发明涉及具有真空反应腔的半导体设备，特别涉及一种适用于上述半导体设备的排气系统及防止尘粒回流的装置及方法。

背景技术

现有的MOCVD（金属有机化学气相沉淀）设备包含反应腔，通过反应腔顶部设置的喷淋头，分别将MO 源和工艺气体引入到喷淋头进行混合后注入到反应腔内，作用于反应腔内一个可旋转的加热基座上，从而在该加热基座上放置的衬底片之上生长外延薄膜。

与反应腔的出气口相连通的排气管路上，依次设置有截止阀、过滤器、真空泵、废气处理器。正常的工艺处理过程中，通过真空泵抽气，将反应腔内部的气体以及反应生成物、副产物等灰尘颗粒抽走，使反应腔内处于真空负压状态。但是，在一些特殊情况下，例如真空泵的泵体出现故障时，截止阀尚未关闭，而泵内马达的转速已经开始下降，将导致过滤器下游的压力上升；当下游压力大于反应腔的腔体内部压力时，在腔体和泵体之间过滤器上积聚的大量尘粒杂质，将迅速返流回反应腔，导致腔体内严重污染，甚至会将喷淋头的喷气孔堵塞。

例如，由于真空泵内冷却水泄露、吹扫气体N₂缺少等原因，导致泵体因过热故障停机时可能出现上述尘粒回流的问题；其中，控制吹扫气体N₂关闭时的延迟机制，也会进一步使回流加速，使不利影响扩大。或者，由于反应生成物的颗粒落入泵体导致其功率消耗突然增大，也可能导致突发过载故障；过载时，真空泵变频器的运行频率将自动调整，来阻止部件损坏。例如，在一个具体示例中，真空泵从频率100Hz开始过载补偿，当降低频率至40Hz附近时，泵体的马达转速随频率降低而相应降低，此时如果检测上下游压力可知返流已经出现；但是，基于当前的控制机制，真空泵的控制系统延迟了5s以上才向外发送警报，期间频率进一步降低至2.5Hz，却没有进行任何的软件控制或硬件联动操作；直到警报发出的5s以后，控制系统才发出相应的控制指令，对截止阀等进行关闭。即，原本用以指示频率下降至40Hz的警报发送延迟，在延迟期间频率持续降低至10Hz以下，造成尘粒回流进入反应腔。清洗受污染的反应腔、更换喷淋头等部件至少耗时两周，这样造成长时间的生产停滞，产生巨额经济损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种排气系统及防止尘粒回流的装置及方法，在故障导致真空泵马达转速降低或停转之前，先行关闭连通反应腔的排气管路，对尘粒回流进行阻断。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种防止尘粒回流的方法，用于具有反应腔的半导体设备，所述反应腔的出气口与排气管路连通，该排气管路上依次设置有阀门、过滤器、真空泵、废气处理器；

所述防止尘粒回流的方法中，实时监测真空泵的马达转速信号以及过滤器上游及下游的气体压力；当测得的马达转速等于或低于设定的第一转速，并且测得的上下游压力的差值达到为当前工艺所设定的阈值时，控制阀门在马达转速达到第二转速之前关闭；所述第二转速设定为零或零以上的数值，且第二转速小于第一转速。

优选地，所设定的阈值小于当前工艺正常处理过程中上下游压力的差值。

优选地，通过实时监测反应腔内的气体压力，得到过滤器上游的气体压力，用以计算上下游压力的差值。

优选地，当马达转速等于或低于设定的第一转速时，控制马达转速从第一转速下降到第二转速的时间延长，使得马达转速达到第二转速的时刻在阀门关闭时刻之后。

优选地，通过实时监测真空泵的变频器的输出频率，当测得的输出频率等于或低于设定的第一频率时，控制阀门在输出频率达到第二频率之前关闭；所述第一频率与马达的第一转速相对应，第二频率与马达的第二转速相对应。

本发明的另一个技术方案是提供一种防止尘粒回流的装置，用于具有反应腔的半导体设备，所述反应腔的出气口与排气管路连通，该排气管路上依次设置有阀门、过滤器、真空泵、废气处理器；所述防止尘粒回流的装置中包含监测单元、压差开关，和与之分别信号连接的通讯控制器；所述监测单元实时监测真空泵的马达转速信号并发送给通讯控制器；所述压差开关实时采集过滤器上游及下游的气体压力，计算上下游压力的差值，并发送给通讯控制器；

当所述通讯控制器判断测得的马达转速等于或低于设定的第一转速，并且判断上下游压力的差值达到为当前工艺所设定的阈值时，向阀门的驱动装置发送关闭阀门的控制指令，以控制阀门在马达转速达到第二转速之前关闭；所述第二转速设定为零或零以上的数值，且第二转速小于第一转速。

优选地，所设定的阈值小于当前工艺正常处理过程中上下游压力的差值。

优选地，所述通讯控制器是与真空泵的变频器信号连接以接收变频器的输出频率，并在判断输出频率等于或低于设定的第一频率时，向阀门的驱动装置发送关闭阀门的控制指令，以控制阀门在输出频率达到第二频率之前关闭；所述第一频率与马达的第一转速相对应，第二频率与马达的第二转速相对应。

优选地，所述防止尘粒回流的装置设有计时单元，用来对一个停转延迟时间T_y进行计时；所述停转延迟时间T_y与所述真空泵的马达在常规故障处理时从第一转速下降到第二转速的时间T’的和值T’+T_y，大于或等于时间t；时间t是从采集马达转速信号、判断马达转速信号等于或低于第一转速进而控制阀门关闭所需的时间。

本发明的又一个技术方案是提供一种排气系统，包含与半导体设备的反应腔出气口连通的排气管路，所述排气管路上依次设置有阀门、过滤器、真空泵、废气处理器；所述真空泵的马达在常规故障处理时从第一转速下降到第二转速的时间T大于或等于时间t；或者，所述真空泵的马达在常规故障处理时从第一转速下降到第二转速的时间T’小于时间t，并且时间T’与真空泵马达的停转延迟时间T_y的和值T’+T_y大于或等于时间t；所述第二转速是零或零以上的数值；时间t是从采集马达转速信号、判断马达转速信号等于或低于第一转速进而控制阀门关闭所需的时间。

与现有技术相比，本发明的排气系统及防止尘粒回流的装置及方法，其优点在于：本发明在生产过程对部件信息的实时采集测量，例如进行反应腔与泵体之间的差压检测及报警，马达转速、变频器频率等泵体内部各种状态的监测，实现对灰尘颗粒回流关键信息的预判。本发明在遇到故障发生时，可以采取适当措施，控制阀门快速关闭以切断返流回路，防止灰尘颗粒回流污染核心的真空腔体，从而降低核心硬件损失，方便日常维护，保证平稳生产，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明所述防止尘粒回流的装置的示意图；

图2、图3是本发明中真空泵的两种关闭时间的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种排气系统及防止尘粒回流的装置及方法，适用于具有真空反应腔的任意一种半导体设备，例如是MOCVD设备。所述反应腔的出气口与排气管路连通，该排气管路上依次设置有蝶阀、过滤器、真空泵、废气处理器。

本发明设有通讯控制器，能够根据对真空泵及反应腔腔体运行情况的实时监测结果，预判灰尘颗粒可能回流的关键信息，在遇到真空泵或其他部件发生故障时，采取应急保护措施防止尘粒回流至反应腔。

所述通讯控制器与真空泵马达转速的监测单元信号连接，接收测得的马达转速信号，并且在其判断马达转速低于设定的第一转速时，该通讯控制器向与之信号连接的蝶阀的驱动装置发送关闭阀门的控制指令；基于该控制指令，在马达转速达到第二转速之前使蝶阀先行关闭（第二转速低于第一转速；第二转速可以设为零或零以上的某个数值）。

如图2所示，为了确保蝶阀能够先行关闭，可以根据马达转速信号采集、通讯控制器完成判断及控制信号发送、蝶阀接收控制指令而关闭的总时间t，来对判断节点（第一转速、第二转速）的具体参数进行设计；或者是，以此选择具有相应速度控制机制的真空泵，使得其马达在常规的故障处理机制下从第一转速下降到第二转速的时间T，大于（或等于）上述总时间t。

又或者是，如图3所示，以此来设计一个真空泵马达的停转延迟时间T_y，只需使停转延迟时间T_y与常规故障处理时马达从第一转速下降到第二转速的时间T’相加的和值，能够大于上述的总时间t。即是说，在马达转速到达第一转速起插入一段停转延迟时间T_y，T_y期间控制马达维持第一转速、或维持第一转速与第二转速之间的某个转速来运转，或者控制马达从第一转速下降到第二转速的变化趋缓；直到停转延迟时间T_y结束，就可以不限制其是继续以趋缓的规律降速或是恢复到以常规故障处理时的规律降速，直至马达停转。

因此，在与之相适应的一些示例中，可以为真空泵设置有停转延迟时间T_y的计时单元；所述停转延迟时间T_y的计时单元可以设置在通讯控制器中，或设置在真空泵处。在通讯控制器判断马达转速低于设定的第一转速时，也向该计时单元发送开始计时的控制指令。基于其定义，可知停转延迟时间的结束点与蝶阀关闭的时间点没有必然的先后关系（只需使T_y + T’ > t的关系式满足）。但本发明不限制在实际应用中，例如将蝶阀关闭时，由蝶阀或其他部件向通讯控制器反馈的信号，作为驱使计时单元对停转延迟时间停止计时的信号。

在一些优选的示例中，通讯控制器是与真空泵的变频器信号连接，通过采集变频器的输出频率，来确定与频率相对应的马达转速。定义马达转速是前述第一转速时与之对应的变频器频率为第一频率，马达转速是第二转速时与之对应的变频器频率为第二频率，通讯控制器即是对变频器的实际频率是否达到设定的第一频率、第二频率进行判断，进而提供例如执行蝶阀关闭、停转延迟时间计时等操作的控制指令。一个具体示例中，真空泵正常运转时，变频器频率为100Hz，可以将频率40Hz作为第一频率，频率10Hz作为第二频率；假设发生故障，使马达转速下降，对应频率达到40Hz时，通讯控制器控制蝶阀关闭，使蝶阀关闭早于马达停转。例如，使真空泵的停转时间延迟3~4s，即可以确保蝶阀先行关闭，有效地阻隔尘粒回流。

然而，可能出现在短时间内马达转速低于第一转速后又迅速回到正常转速的情况，这种情况下如果等待足够时间，就可以等到MOCVD工艺完成后再停机检修，不需要一发现马达降低就立即停机造成损失。

因此， 为避免由于马达转速出现上述波动导致对阀门关闭的误操作， 本发明中进一步设有压差开关，其能够根据实时采集的过滤器上游及下游的气体压力，计算上下游压力的差值。通讯控制器配合实施对马达转速及差压检测的判断，确保对灰尘颗粒回流预判的准确性。

在正常的工艺处理过程中，真空泵持续排气，上下游压力的差值应是一个正数（设为第一正数），且数值基本稳定。而在积聚有太多的灰尘颗粒将过滤器出口堵塞时，真空泵虽持续运转，但无法成功将废气抽走或抽排的气体量减少，此时因真空泵马达正常运转使下游压力减小，而上游压力仍大于下游压力，即压差开关测得的上下游压力的差值还是一个正数（设为第二正数，且其大于第一正数）。但是在真空泵等部件故障时，随着变频器输出频率减小、马达转速降低，废气抽排的能力逐渐减弱，导致过滤器下游压力增大；当下游压力大于上游压力时，压差开关测得的上下游压力的差值将变为一个负数，此时开始出现返流。

通讯控制器与差压开关信号连接，接收测得的上下游压力的差值，或接收差压开关发送表示差值为负数的报警信号；差值为负数时，该通讯控制器向蝶阀的驱动装置发送关闭阀门的控制指令。在实际应用中也可以设定不同的控制机制，如定义差值为正数但减少到一个很小的预设数值时，或差值减小到零时，或差值有往负数方向持续减小的趋势时，作为驱使通讯控制器来发送关闭阀门控制指令的信号。

除了差压开关以外，本发明还可以设置能够获取上下游压力差值的其他任意装置：如设置分别采集上下游气体压力的传感器，将测得的上游压力和下游压力发送给通讯控制器，由通讯控制器计算上下游压力的差值，并在差值为负数时提供报警信号；鉴于过滤器上游的气体压力与反应腔内的气体压力基本一致，也可以通过采集反应腔内气体压力的装置，将监测数据发送给通讯控制器，用以计算上下游压力的差值。

可以优选地对应不同阶段的不同正常压差，设定不同的最佳预设压差阀值。通过额外添加其它传感器或者通过有限次的实验积累参数，就可以找到不同工艺步骤下各自最佳的预设压差阀值。

本发明的一个优选示例中，在真空泵的马达转速低于第一转速时，并不是马上停机，而是等待检测到压力差值降低到预设阀值时再停机。当真空泵马达转速在第一转速附近时，过滤器两端的压力差值本身就很小，此时差压开关两端压力差的预设阀值就可以在很小范围内容易地选取，不需要在大范围内做优化选取了，并且这时再强制停机对于尘粒回流的判断也是最精确的。所以本发明既能避免误操作停机，又使得对预设压差阈值的选取更为方便。

本发明所述的蝶阀，也可以用任意一种位于过滤器上游、能根据通讯控制器的指令快速切断返流回路的阀门等装置来替代。蝶阀关闭后，对于冷却水或吹扫气体N₂短缺导致过热，或突发过载等真空泵意外故障，技术人员都可以在短时间内排除后恢复生产，有效避免反应腔内核心硬件因回流污染造成的损失。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种防止尘粒回流的方法，用于具有反应腔的半导体设备，所述反应腔的出气口与排气管路连通，该排气管路上依次设置有阀门、过滤器、真空泵、废气处理器；其特征在于，

所述防止尘粒回流的方法中，实时监测真空泵的马达转速信号以及过滤器上游及下游的气体压力；当测得的马达转速等于或低于设定的第一转速，并且测得的上下游压力的差值达到为当前工艺所设定的阈值时，控制阀门在马达转速达到第二转速之前关闭；所述第二转速设定为零或零以上的数值，且第二转速小于第一转速。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所设定的阈值小于当前工艺正常处理过程中上下游压力的差值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

通过实时监测反应腔内的气体压力，得到过滤器上游的气体压力，用以计算上下游压力的差值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

当马达转速等于或低于设定的第一转速时，控制马达转速从第一转速下降到第二转速的时间延长，使得马达转速达到第二转速的时刻在阀门关闭时刻之后。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过实时监测真空泵的变频器的输出频率，当测得的输出频率等于或低于设定的第一频率时，控制阀门在输出频率达到第二频率之前关闭；所述第一频率与马达的第一转速相对应，第二频率与马达的第二转速相对应。

6.一种防止尘粒回流的装置，用于具有反应腔的半导体设备，所述反应腔的出气口与排气管路连通，该排气管路上依次设置有阀门、过滤器、真空泵、废气处理器；其特征在于，

所述防止尘粒回流的装置中，包含监测单元、压差开关和与之分别信号连接的通讯控制器；所述监测单元实时监测真空泵的马达转速信号并发送给通讯控制器；所述压差开关实时采集过滤器上游及下游的气体压力，计算上下游压力的差值，并发送给通讯控制器；

当所述通讯控制器判断测得的马达转速等于或低于设定的第一转速，并且判断上下游压力的差值达到为当前工艺所设定的阈值时，向阀门的驱动装置发送关闭阀门的控制指令，以控制阀门在马达转速达到第二转速之前关闭；所述第二转速设定为零或零以上的数值，且第二转速小于第一转速。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所设定的阈值小于当前工艺正常处理过程中上下游压力的差值。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述通讯控制器是与真空泵的变频器信号连接以接收变频器的输出频率，并在判断输出频率等于或低于设定的第一频率时，向阀门的驱动装置发送关闭阀门的控制指令，以控制阀门在输出频率达到第二频率之前关闭；所述第一频率与马达的第一转速相对应，第二频率与马达的第二转速相对应。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述防止尘粒回流的装置设有计时单元，用来对一个停转延迟时间T_y进行计时；所述停转延迟时间T_y与所述真空泵的马达在常规故障处理时从第一转速下降到第二转速的时间T’的和值T’+T_y，大于或等于时间t；时间t是从采集马达转速信号、判断马达转速信号等于或低于第一转速进而控制阀门关闭所需的时间。

10.一种排气系统，包含与半导体设备的反应腔出气口连通的排气管路，所述排气管路上依次设置有阀门、过滤器、真空泵、废气处理器；其特征在于，

所述真空泵的马达在常规故障处理时从第一转速下降到第二转速的时间T大于或等于时间t；或者，所述真空泵的马达在常规故障处理时从第一转速下降到第二转速的时间T’小于时间t，并且时间T’与真空泵马达的停转延迟时间T_y的和值T’+T_y大于或等于时间t；

所述第二转速是零或零以上的数值；时间t是从采集马达转速信号、判断马达转速信号等于或低于第一转速进而控制阀门关闭所需的时间。

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