CN110543194B - 压力控制装置和半导体设备 - Google Patents

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Abstract

一种压力控制装置和半导体设备，反应腔室与真空发生器相连接，压力控制装置包括：压力传感器，用于实时测量反应腔室的压力P；电控调压阀，连接于真空发生器的压缩空气入口端，用于调节真空发生器的负压口端的抽气压力；开度调节机构，设于连接反应腔室与真空发生器的负压口端的管道上，用于调节反应腔室的排气流量；以及控制器，根据压力P与目标压力P0之间的差值调节电控调压阀的压力设定值，从而调节真空发生器的负压口端的抽气压力，并根据反应腔室的进气流量控制开度调节机构的开度，从而调节反应腔室的排气流量，进而控制反应腔室的压力。即使在反应腔室的进气流量大范围变化时，也能够实现压力控制。

Description

压力控制装置和半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，特别涉及一种压力控制装置和包括该压力控制装置的半导体设备。
背景技术
反应腔室的温度、气体流量和压力往往会影响硅片表面工艺的质量。目前普遍采用相对压力控制方法控制反应腔室压力，即根据反应腔室内的压力与周围环境压力的对比来控制反应腔室内的压力。这种控制方法受排气压力的波动影响较大，反应腔室压力容易出现波动。部分工艺要求反应腔室压力较低，超过了厂务端的排气压力。
一种现有的反应腔室压力控制方法通过真空计测量反应腔室压力值，根据反应腔室压力值与设定压力值之间的差值调节真空发生器的抽气控制阀的阀门开度，从而改变反应腔室的排气流量，实现反应腔室内部压力调节。真空发生器可提供稳定的动力源，此动力可远远高于厂务端的供应排气量，消除厂务端排气量变化导致的反应腔室压力波动。
该方法的问题在于对应于指定真空发生器的抽气压力值时，抽气控制阀对于进气流量的控制范围是确定的。当工艺气体进气流量剧烈变化时，无法达到控制目标。因此现有控制方法只适用于工艺气体流量范围变化不大的场合，具有局限性。此外，即使在可控流量范围内，当气体流量发生变化时，控制阀的控制精度会发生波动，控制精度不高。
发明内容
本发明的目的是提出一种压力控制装置，当气体流量发生大范围变化时也能实现反应腔室的稳压控制。
本发明一方面提供一种压力控制装置，用于对反应腔室进行压力控制，所述反应腔室与真空发生器相连接，所述压力控制装置包括：
压力传感器，所述压力传感器用于实时测量所述反应腔室的压力P；
电控调压阀，所述电控调压阀连接于所述真空发生器的压缩空气入口端，用于调节所述真空发生器的负压口端的抽气压力；
开度调节机构，所述开度调节机构设于连接所述反应腔室与所述真空发生器的负压口端的管道上，用于调节所述反应腔室的排气流量；以及
控制器，所述控制器根据所述压力P与目标压力P0之间的差值调节所述电控调压阀的压力设定值，从而调节所述真空发生器的负压口端的抽气压力，并根据所述反应腔室的进气流量控制所述开度调节机构的开度，从而调节所述反应腔室的排气流量，进而控制所述反应腔室的压力。
优选地，所述控制器根据所述反应腔室的进气流量控制所述开度调节机构的开度，从而调节所述管道的流通截面积，实现所述开度调节机构的上游与下游之间的压差分界。
优选地，所述控制器计算所述压力P与目标压力P0之间的差值ΔP，其中ΔP＝P-P0，且当所述差值ΔP大于零时，增大所述电控调压阀的压力设定值，当所述差值ΔP小于零时，减小所述电控调压阀的压力设定值。
优选地，所述控制器根据以下公式(1)计算所述管道的流通截面积，并根据所述流通截面积确定所述开度调节机构的开度：
Figure BDA0002090751880000021
其中，qm表示反应腔室的进气流量，
A表示管道的流通截面积，
P0表示目标压力，
P1表示真空发生器的负压口端的抽气压力，
k表示比热比，
α表示流量系数，
R表示摩尔气体常数，
T0表示管道内的热力学温度。
优选地，根据所述真空发生器的规格参数，以所述电控调压阀的压力设定值确定所述真空发生器的负压口端的抽气压力P1。
优选地，所述压力传感器为真空计，所述压力P为绝对压力。
优选地，所述压力控制装置还包括冷凝器，所述冷凝器设于所述反应腔室与所述开度调节机构之间，用于冷却所述反应腔室排出的气体。
优选地，所述控制器为PLC控制器。
本发明另一方面提供一种半导体设备，包括反应腔室和真空发生器，还包括所述的压力控制装置，所述反应腔室与所述真空发生器的负压口端相连接，所述压力控制装置通过调节所述真空发生器的负压口端的抽气压力和所述反应腔室的排气流量控制所述反应腔室的压力。
优选地，所述反应腔室的排气口端与真空发生器的负压口端连接。
本发明的有益效果在于：通过压力反馈调节，使反应腔室的压力逐渐接近并达到目标压力。且当反应腔室的进气流量大范围变化时，控制器可根据反应腔室的进气流量控制开度调节机构的开度，从而调节反应腔室的排气流量，使其进气流量适应。总体而言，当真空发生器的负压口端的抽气压力基本恒定时，如果反应腔室的进气流量增大，相应地增大开度调节机构的开度从而增大排气流量，反之，如果反应腔室的进气流量减小，相应地减小开度调节机构的开度从而减小排气流量。通过电控调压阀和开度调节机构的共同作用，即使在反应腔室的进气流量大范围变化时，也能够将反应腔室的压力稳定在目标压力，实现反应腔室的压力控制。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。
图1显示真空发生器的工作原理图；
图2显示根据本发明示例性实施例的反应腔室压力控制装置的示意性结构图。
附图标记说明：
1真空发生器，2负压口端，3排气口端，4压缩空气入口端，5反应腔室，6压力传感器，7控制器，8电控调压阀，9开度调节机构，10冷凝器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供一种压力控制装置，用于对反应腔室进行压力控制，反应腔室与真空发生器相连接，压力控制装置包括：
压力传感器，压力传感器用于实时测量反应腔室的压力P；
电控调压阀，电控调压阀连接于真空发生器的压缩空气入口端，用于调节真空发生器的负压口端的抽气压力；
开度调节机构，开度调节机构设于连接反应腔室与真空发生器的负压口端的管道上，用于调节反应腔室的排气流量；以及
控制器，控制器根据压力P与目标压力P0之间的差值调节电控调压阀的压力设定值，从而调节真空发生器的负压口端的抽气压力，并根据反应腔室的进气流量控制开度调节机构的开度，从而调节反应腔室的排气流量，进而控制反应腔室的压力。
进行工艺时，真空发生器对反应腔室抽真空，压力传感器测量反应腔室的压力P，压力信号被反馈至控制器，控制器根据压力P与目标压力P0之间的差值调节电控调压阀的压力设定值，从而可以改变真空发生器的负压口端的抽气压力。通过不断的反馈调节，反应腔室的压力P逐渐接近并达到目标压力P0。进一步的，当反应腔室的进气流量大范围变化时，控制器可根据反应腔室的进气流量qm控制开度调节机构的开度，从而能够调节反应腔室的排气流量，使其进气流量qm适应。总体而言，当真空发生器的负压口端的抽气压力基本恒定时，如果反应腔室的进气流量增大，相应地增大开度调节机构的开度从而增大排气流量，反之，如果反应腔室的进气流量减小，相应地减小开度调节机构的开度从而减小排气流量。通过电控调压阀和开度调节机构的共同作用，即使在反应腔室的进气流量大范围变化时，也能够将反应腔室的压力稳定在目标压力，实现反应腔室的压力控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示例图不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。
首先，参考图1说明真空发生器的工作原理。参考图1所示，真空发生器1设有负压口端2、排气口端3和压缩空气入口端4。通过压缩空气入口端4向真空发生器供应高流量压缩空气，从排气口端3进行排气，从而在负压口端2获得负压、形成抽气压力。可以通过调节压缩空气供应压力来调节真空发生器负压口端2的抽气能力。
图2显示根据本发明示例性实施例的反应腔室压力控制装置的示意性结构图。参考图2所示，本发明实施例提供一种压力控制装置，用于对反应腔室进行压力控制，反应腔室5与真空发生器1相连接，该压力控制装置包括：
压力传感器6，压力传感器6用于实时测量反应腔室5的压力P；
电控调压阀8，电控调压阀8连接于真空发生器的压缩空气入口端4，用于调节真空发生器的进气压力，进而调节真空发生器的负压口端的抽气压力；
开度调节机构9，开度调节机构9设于连接反应腔室5与真空发生器1的负压口端2的管道上，用于调节反应腔室的排气流量；以及
控制器7，控制器7根据压力P与目标压力P0之间的差值调节电控调压阀的压力设定值，从而调节真空发生器的负压口端2的抽气压力，并根据反应腔室的进气流量控制开度调节机构9的开度，从而调节反应腔室的排气流量，进而控制反应腔室的压力。
具体地，反应腔室5的排气口端3与真空发生器1的负压口端2通过管道相连接，开度调节机构9设于该管道上。控制器根据反应腔室的进气流量控制开度调节机构的开度，从而调节管道的流通截面积，使其与反应腔室的进气流量适应。当反应腔室的进气流量增大时，增大开度调节机构的开度从而相应地增大反应腔室的排气流量；反之，当反应腔室的进气流量减小时，减小开度调节机构的开度从而相应地减小反应腔室的排气流量。开度调节机构9还能够实现气体上下游的明显压差分界，保证上下游之间的压力差，有利于气体顺利流向厂务端。
可选地，压力传感器6为真空计，真空计能够测量反应腔室的绝对压力，即压力P为绝对压力，从而可以实现进气流量大范围变化时的绝对压力控制，达到控压目标。
可选地，控制器7为PLC控制器。
可选地，控制器7计算压力P与目标压力P0之间的差值ΔP，ΔP＝P-P，且当差值ΔP大于零时，增大电控调压阀的压力设定值，当差值ΔP小于零时，减小电控调压阀的压力设定值。
具体地，当差值ΔP大于零时，即反应腔室5的压力P大于目标压力P0，增大电控调压阀的压力设定值，真空发生器1的进气压力将增大，真空发生器1的负压口端2的抽气压力随之增大，相应地，反应腔室5的排气流量增大，反应腔室的压力P降低；反之，当差值ΔP小于零时，即反应腔室5的压力P小于目标压力P0，减小电控调压阀的压力设定值，真空发生器1的进气压力将减小，真空发生器1的负压口端2的抽气压力减小，相应地，反应腔室5的排气流量减小，反应腔室的压力P增大。通过控制器的反复调节，最终达到目标压力P0，实现反应腔室的稳压控制。
作为优选方案，控制器7根据以下公式(1)计算管道的流通截面积，并根据流通截面积确定开度调节机构9的开度：
Figure BDA0002090751880000071
其中，qm表示反应腔室的进气流量，
A表示管道的流通截面积，
P0表示目标压力，
P1表示真空发生器的负压口端的抽气压力，
k表示比热比，例如，空气的比热比k为1.4，
α表示流量系数，即实际流量与理论流量的比值，流量系数一般通过实验测定或者根据经验确定，
R表示摩尔气体常数，R＝8.314J/(mol.K)，
T0表示管道内的热力学温度。
反应腔室的进气流量qm已知，目标压力P0为事先设定，根据真空发生器的规格参数，可以确定真空发生器的负压口端的抽气压力P1与真空发生器的压缩空气入口端的进气压力PJ(即压力设置值)之间的函数关系，例如已知的线性关系。因此，可根据进气压力PJ(即电控调压阀的压力设定值)确定抽气压力P1。根据以上公式(1)，即可计算管道的流通截面积A，而根据流通截面积A即可确定开度调节机构的开度。例如，计算得到流通截面积A为连接反应腔室与真空发生器的管道的原始截面积的70％，那么即可确定开度调节机构的开度为70％，这是本领域技术人员容易理解的。
作为优选方案，开度调节机构9可包括密闭腔室和在密闭腔室内做往复运动的活塞，密闭腔室上设有进气口和出气口，活塞的运动可以改变进气口与出气口之间的气体通路的流通截面积，从而改变开度调节机构的开度。或者，开度调节机构9也可以是膜片型的，通过膜片的转动实现开度调节。开度调节机构的具体结构并不被上述描述限制，具有其他结构的开度调节机构也是本领域技术人员容易理解和选用的。
作为优选方案，压力控制装置还包括冷凝器，冷凝器设于反应腔室与开度调节机构之间。压力控制装置和厂务管道具有一定的耐温范围，反应腔室排出的气体温度较高，一般大于200℃，冷凝器可以冷却反应腔室排出的气体，保证通过压力控制装置和厂务管道的气体温度在耐温范围内，保证设备的安全。
本发明实施例还提供一种半导体设备，包括反应腔室和真空发生器，还包括所述的压力控制装置，其中，反应腔室与真空发生器的负压口端相连接，压力控制装置通过调节真空发生器的负压口端的抽气压力和反应腔室的排气流量控制反应腔室的压力。
在示例性实施例中，反应腔室的排气口端与真空发生器的负压口端连接。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种压力控制装置，用于对反应腔室进行压力控制，所述反应腔室与真空发生器相连接，其特征在于，所述压力控制装置包括：
压力传感器，所述压力传感器用于实时测量所述反应腔室的压力P；
电控调压阀，所述电控调压阀连接于所述真空发生器的压缩空气入口端，用于调节所述真空发生器的负压口端的抽气压力；
开度调节机构，所述开度调节机构设于连接所述反应腔室与所述真空发生器的负压口端的管道上，用于调节所述反应腔室的排气流量；以及
控制器，所述控制器根据所述压力P与目标压力P0之间的差值调节所述电控调压阀的压力设定值，从而调节所述真空发生器的负压口端的抽气压力，并根据所述反应腔室的进气流量控制所述开度调节机构的开度，从而调节所述反应腔室的排气流量，进而控制所述反应腔室的压力。
2.根据权利要求1所述的压力控制装置，其特征在于，所述控制器根据所述反应腔室的进气流量控制所述开度调节机构的开度，从而调节所述管道的流通截面积，实现所述开度调节机构的上游与下游之间的压差分界。
3.根据权利要求1所述的压力控制装置，其特征在于，所述控制器计算所述压力P与目标压力P0之间的差值ΔP，其中ΔP＝P-P0，且当所述差值ΔP大于零时，增大所述电控调压阀的压力设定值，当所述差值ΔP小于零时，减小所述电控调压阀的压力设定值。
4.根据权利要求2所述的压力控制装置，其特征在于，所述控制器根据以下公式(1)计算所述管道的流通截面积，并根据所述流通截面积确定所述开度调节机构的开度：
Figure FDA0002090751870000021
其中，qm表示反应腔室的进气流量，
A表示管道的流通截面积，
P0表示目标压力，
P1表示真空发生器的负压口端的抽气压力，
k表示比热比，
α表示流量系数，
R表示摩尔气体常数，
T0表示管道内的热力学温度。
5.根据权利要求4所述的压力控制装置，其特征在于，根据所述真空发生器的规格参数，以所述电控调压阀的压力设定值确定所述真空发生器的负压口端的抽气压力P1。
6.根据权利要求1所述的压力控制装置，其特征在于，所述压力传感器为真空计，所述压力P为绝对压力。
7.根据权利要求1所述的压力控制装置，其特征在于，还包括冷凝器，所述冷凝器设于所述反应腔室与所述开度调节机构之间，用于冷却所述反应腔室排出的气体。
8.根据权利要求1所述的压力控制装置，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。
9.一种半导体设备，包括反应腔室和真空发生器，其特征在于，还包括根据权利要求1-8中任一项所述的压力控制装置，所述反应腔室与所述真空发生器的负压口端相连接，所述压力控制装置通过调节所述真空发生器的负压口端的抽气压力和所述反应腔室的排气流量控制所述反应腔室的压力。
10.根据权利要求9所述的半导体设备，其特征在于，所述反应腔室的排气口端与真空发生器的负压口端连接。
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