CN114901951A - 真空泵、用于抽空半导体处理腔室的真空泵组以及抽空半导体处理腔室的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于抽空半导体处理腔室的真空泵、真空泵组和方法。该真空泵被构造成安装到半导体处理腔室，以将该腔室抽空到1 mbar和5×10^‑2 mbar之间的压力。该真空泵包括：转子，其可旋转地安装在定子内。转子包括多个成角度的叶片，叶片沿着从入口到出口的螺旋路径布置。定子包括多个穿孔元件，其被布置成与所述螺旋路径相交，穿孔允许沿着螺旋路径行进的气体分子穿过穿孔元件。转子安装在磁悬浮轴承上；并且朝向真空泵的入口定位的穿孔元件包括大于40%的透过性，并且朝向真空泵的出口定位的穿孔元件包括大于30%的透过性。

Description

真空泵、用于抽空半导体处理腔室的真空泵组以及抽空半导 体处理腔室的方法

技术领域

本发明的领域涉及真空泵以及抽空半导体处理腔室的方法。

背景技术

真空泵被设计和构造成在特定压力范围内有效地操作。没有一个泵可以在所有压力范围内有效地操作。

图1是示出了泵送速度相对于压力的曲线图，并且示出了在不同压力范围内操作的流动状态（flow regime）以及在这些流动状态和压力范围内泵送时有效的泵。因此，在分子流动状态100中的高真空下，涡轮分子泵110是有效的，而在粘性流动状态300中的低真空下，诸如罗茨鼓风机泵的粗泵150是有效的。在过渡流动状态200中，在分子和粘性流都出现的压力下，可以使用拖曳泵140。形成为叶片和拖曳组合的复合泵120从分子流延伸到过渡流动状态的较高真空部分。

常规拖曳泵的泵送机构需要转子靠近定子旋转，以便优化泵的压缩比，而这限制了定子通道的深度，这进而限制了常规拖曳泵的泵送容量。

越来越需要在一定压力范围内操作半导体处理腔室，该压力范围对于涡轮泵来说可能太高而不能在没有过热的情况下维持（通常压力高于0.05 mbar），但是由于连接管的传导性，该压力范围对于远程安装的罗茨鼓风机来说太低而不能有效（通常小于0.2mbar）。

希望提供一种泵，其具有合理的容量并且在某些半导体处理腔室所需的压力下进行泵送时是有效的。

发明内容

第一方面提供一种真空泵，用于安装到半导体处理腔室，以将所述室抽空到1mbar和5×10^-2 mbar之间的压力，所述真空泵包括：转子，所述转子可旋转地安装在定子内；所述转子包括多个成角度的叶片，所述叶片沿着从入口到出口的螺旋路径布置；所述定子包括多个穿孔元件，所述多个穿孔元件被布置成与所述螺旋路径相交，所述穿孔允许沿着所述螺旋路径行进的气体分子穿过所述穿孔元件；所述转子安装在磁悬浮轴承上；并且朝向所述真空泵的入口定位的所述穿孔元件包括大于40%的透过性（transparency），并且朝向所述真空泵的出口定位的所述穿孔元件具有大于30%的透过性。

透过性是与气流通道相交的穿孔元件的穿孔的总面积和与给定流动路径通道相交的元件的总面积的比率。

提供一种泵，其能够在常规拖曳泵的压力范围内泵送，但也具有高透过性，使得该泵能够在较低压力下以相对高的泵送速度有效地泵送，而在较高压力下，当泵被诸如罗茨鼓风机的另一泵支持时，泵的透过性允许有效地泵送。透过性确实减小了压缩，特别是在较高压力下，但是这是可接受的，因为在这些压力下，前级泵（backing pump）即使在从远处连接时也能够有效地泵送，只要前级泵和腔室之间的任何泵的透过性不是太高以至于它过度地阻碍流动即可。因此，泵在图1的过渡流动状态200中有效地泵送，并且可以被看作提供了拖曳加强泵（drag plus pump）130的效果。

当气体流过泵时，气体被压缩，并且这种压缩意味着开放或透过区域可朝向出口减小。

在一些实施例中，朝向所述真空泵的入口定位的所述穿孔元件包括大于50%的透过性，并且朝向所述真空泵的出口定位的所述穿孔元件包括大于40%的透过性。

在一些实施例中，所述转子和定子由不锈钢和铝中的至少一者形成。

由不锈钢形成转子和定子中的至少一者的优点在于，不锈钢可以在相对高的温度下操作，并且这使得泵能够在升高的温度下操作。在泵从半导体处理腔室泵送的情况下，这是有利的，因为较高的温度减少了泵内的颗粒的沉积量。

铝不能在这样的高温下操作，然而它确实具有高热导率的优点，并且有助于将热量从泵的内部传导出去。

在一些实施例中，所述转子由不锈钢形成，并且所述穿孔元件由铝形成。

泵内的转子将会加热到比定子更高的温度，因为它比旋转的转子更容易冷却定子。因此，有利的是，形成能够在相对高的温度下操作的不锈钢转子，同时形成具有较高热导率并且能够用于将热量从泵的内部传导出去的铝定子。

在定子包括延伸到泵中并且气体通过其行进的穿孔元件的实施例中，重要的是这些穿孔元件不过热，因为这可能导致它们屈曲（buckling）。这些元件的任何变形都可能是有问题的，因为转子和这些定子元件之间的间隙通常相当紧密以提供有效的泵送，并且任何屈曲都可能导致转子和定子元件之间的碰撞。用铝来形成穿孔元件允许热量从定子的中心部分朝向较冷的边缘传导，并且有助于减小定子的温度升高，并且减轻这种屈曲或变形。

在一些实施例中，所述转子和定子中的至少一者包括高发射率涂层。

如前所述，从泵去除至少一些热量以避免其过热是所希望的，并且在转子和/或定子上提供高发射率涂层可以帮助减少温度升高。

在一些实施例中，所述真空泵被构造成以300和1200升/秒之间的泵送速度操作。

根据实施例的真空泵的一个优点是其在相对低的压力下的相对高的泵送速度，该优点使得其对于抽空半导体处理腔室特别有效。这与许多常规拖曳泵形成对比。在这方面，转子和定子之间不存在具有受限深度的通道（其在常规拖曳泵中存在），这允许泵送速度增加，尽管它确实降低了压缩比，特别是在其操作范围的较高压力下。然而，由于诸如罗茨鼓风机泵的前级泵可以在这些“较高”压力下提供有效的压缩，因此这种压缩的减小是可接受的。

在一些实施例中，所述真空泵包括入口导管，所述入口导管从所述真空泵的入口延伸并且被构造成连接到所述半导体处理腔室，所述入口导管具有小于2 m、优选地小于1m的长度。

根据实施例的真空泵的另一优点在于，其安装在磁悬浮轴承上。这允许真空泵在对半导体处理腔室进行抽空时放置在半导体生产厂内并且靠近半导体处理腔室。这允许真空泵通过相对短的导管连接到半导体处理腔室，在一些实施例中，连接导管小于2 m，优选地小于1 m。当在低压下泵送时，在泵和待抽空的腔室之间具有长导管显著降低了泵送效率，并且是许多不具有磁悬浮轴承并因此需要远离半导体处理腔室的常规真空泵（例如罗茨鼓风机）不适合将这些腔室泵到低压的一个原因。

在一些实施例中，所述转子的在所述泵的入口级处的所述叶片比所述转子的在所述泵的其它级中的所述叶片更宽。

在一些情况下，可能有利的是使叶片的宽度在泵的入口级处延伸以在泵的入口处捕获更多气体分子并将它们发送到泵送通道中以前进通过泵。泵的入口承受最低压力，并且在这个位置处分子的捕获是最有挑战性的。

在一些实施例中，所述定子还包括由一堆环形成的圆柱形表面，每个环具有圆柱形内表面，所述多个穿孔元件安装在相应的环上，使得所述多个穿孔元件形成在不同的轴向位置处与所述螺旋路径相交的多个穿孔盘。

螺旋通道可以在圆柱形表面内，转子在该表面内旋转。圆柱形表面可以由一堆环形成，定子的穿孔盘可以安装在所述一堆环之间的不同轴向位置处。因此，当气体流过泵时，螺旋路径在不同的轴向位置处被穿孔盘拦截。这里涉及的轴线是转子的旋转轴线。

第二方面提供了用于抽空半导体处理腔室的真空泵组，其包括根据任一前述权利要求所述的真空泵以及被布置为用于所述真空泵的前级泵的罗茨鼓风机和初级真空泵。

包括由罗茨鼓风机和初级泵支持的根据第一方面的真空泵的真空泵组提供了用于诸如半导体处理腔室的真空腔室的有效泵送布置，该真空腔室被抽空至1 mbar和5×10^-2mbar之间的压力。这种压力适合于半导体工艺，包括半导体器件制造工艺，例如ALD（原子层沉积）工艺。根据第一方面的真空泵在相对低的压力下提供相对高的泵送速度，但是仅具有适度的压缩比，特别是在其操作范围的较高压力下。然而，当与罗茨鼓风机泵结合使用时，由于罗茨鼓风机的特性和第一方面的真空泵的高透过性，该组合可提供在整个压力范围内所需的压缩。在这点上，在半导体真空腔室的抽空中，罗茨鼓风机的有效操作的限制是由于罗茨鼓风机不能安装在洁净室内而导致需要的导管的长度。然而，结合第一方面的真空泵使用它，该真空泵可以安装在洁净室/生产厂中并且在操作范围的较低压力下有效地抽空，提供了可以在1 mbar至5×10^-2 mbar的整个压力范围内有效地抽空半导体处理腔室的泵的组合。

在一些实施例中，该真空泵组还包括用于将所述真空泵连接到所述半导体处理腔室的长度小于2 m、优选地小于1 m的导管以及用于将所述真空泵连接到所述罗茨鼓风机和初级泵的较长导管，使得所述罗茨鼓风机和初级泵被定位成远离所述半导体处理腔室。较长导管允许罗茨鼓风机泵安置成远离真空腔室和洁净室，并且在一些实施例中，较长导管至少8 m长。

第三方面提供一种抽空半导体处理腔室的方法，所述方法包括：将根据任一前述权利要求所述的真空泵定位在半导体生产厂内，并且通过长度小于2 m的导管将所述真空泵附接到半导体处理腔室；将罗茨鼓风机和初级泵定位在远离半导体生产厂的位置，并且将所述真空泵的出口经由较长导管附接到所述罗茨鼓风机泵的入口；操作所述真空泵以将所述半导体处理腔室抽空到1 mbar和5×10^-2 mbar之间的真空。

在所附独立和从属权利要求中阐述了进一步的特定和优选方面。从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征适当地组合，并且可以与除了在权利要求中明确阐述的那些组合之外的组合进行组合。

在设备特征被描述为可操作以提供功能的情况下，将会理解的是，这包括提供该功能或者被适配或构造成提供该功能的设备特征。

附图说明

现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了曲线图，该曲线图示出了由不同类型的泵有效地泵送的不同压力范围；

图2示出了半导体处理腔室和根据实施例的用于抽空半导体处理腔室的泵组；

图3示出了根据实施例的泵的真空泵；

图4示出了用于根据实施例的真空泵的转子；

图5示意性地示出了根据实施例的泵内的气流；以及

图6示出了根据实施例的定子的穿孔元件部分。

具体实施方式

在更详细地讨论实施例之前，首先将会提供概述。

由于必须使用狭窄的通道，所以拖曳泵通常具有相对低的体积速度，例如在大型涡轮泵上小于100 l/s。专利申请US2015/0037137中描述的“Schofield拖曳泵”通过使气体穿过拖曳表面中的一个来减轻这种速度限制，并且由此使得能够设计出容量高得多的机器。它可以提供600 l/s左右的泵送容量。

本拖曳泵的发明人认识到拖曳泵的性质使其对于将半导体处理腔室抽空到1mbar和5×10^-2 mbar之间的压力特别有效。特别地，如果其被设计成具有足够的透过性，则其可以在较低压力下提供有效的泵送，而在较高压力下，其可能不是那么有效，透过性可确保流到诸如罗茨鼓风机的前级泵的流不会被过度地阻碍或限制，从而允许泵的组合在宽的压力范围内提供有效的泵送。

这种类型的拖曳泵的使用使得半导体处理腔室能够被有效地在1 mbar和5×10^-2mbar之间泵送。在实施例中，泵由远程安装的常规干式泵和罗茨鼓风机组合支持，通常在半导体生产厂的地下室中。

这种拖曳泵设计的另一特征是，它可由高强度不锈钢形成，因此，使得转子能够在比由铝制成的转子高得多的温度下使用。这对于防止泵内的半导体副产物的冷凝是重要的。由于小的叶片几何形状，尤其是在排放区段中，因此非常难以由不锈钢制造涡轮泵。

提高泵送速度和透过性的另一特征是，在一些实施例中，排放口不被过度地限制，使得Schofield泵的排放口具有与罗茨鼓风机泵的入口的尺寸相似的尺寸。也就是在入口尺寸的20%内，连接两者的导管也具有类似的尺寸。

图2示出了位于洁净室或半导体生产厂内的半导体处理腔室5，并且具有根据实施例的真空泵10，真空泵10经由相对较短的导管12附接到半导体处理腔室。真空泵10是Schofield泵，并且具有安装在磁悬浮轴承上的转子，使得其可以位于洁净室内并且通过相对短且宽的导管12连接到半导体处理腔室5。

远离真空泵10和半导体处理腔室5的是前级泵组合90，其包括罗茨鼓风机和初级泵。这些位于远离洁净室70的地下室80中，因为它们的操作产生振动，泵90的轴承不是磁悬浮的。为此，前级泵组合90和Schofield泵10之间的导管92相对长，并且这影响前级泵90的效率，特别是在低压下的效率。

具有相对高的泵送容量的Schofield泵10（其靠近半导体处理腔室5附接）与前级泵90（其可以在有效泵送范围的较高压力下有效泵送）的组合提供了一个泵组，其在过渡流动范围内有效地泵送，尤其是在该流动范围的较高压力侧，从而提供了由图1中的被示为“拖曳加强”的虚线所表示的有效泵送。

图3示意性地示出了Schofield真空泵10。真空泵10包括多个穿孔定子元件14，其包括穿孔盘，气体通过穿孔盘从入口16流到排放口18。穿孔盘安装在圆柱环40上的不同轴向位置处，并且在转子35的叶片30的排之间延伸，叶片30形成从入口16到出口18的螺旋路径，螺旋转子35安装在轴42上，并且在操作期间旋转。轴42安装在磁悬浮轴承45上。

图4示出了转子35的另一视图，其示出了螺旋叶片30。如可以看出的，螺旋转子叶片30形成螺旋路径。转子35的旋转将动量赋予叶片所接触到的气体分子并且将它们通过穿孔元件14（见图3）朝向出口18发送。与定子盘的非穿孔部分的冲击减慢了气体分子并且提供拖曳泵的拖曳，从而将分子轨迹拉向输出部。图5示出了一些示例性的分子轨迹。

图5示意性地示出了泵的机构的一部分的周向截面并且示出了操作原理。当在操作中时，具有成角度的叶片30的转子以相对高的速度旋转。该操作原理以线性方式示出了泵的部件，转子的旋转运动被示为由箭头指示的线性运动。

在该实施例中，有四个定子穿孔盘14，其将泵分成五个级A至E。级A在第一定子元件50的上游，相继的下游级由相继的定子元件51-53分开。

成角度的转子叶片30形成从入口16到出口18的螺旋流动路径通道，穿孔盘元件14与流动路径通道相交。图5示出了一些不同的可能的气体分子路径。第一路径由箭头60示出。分子进入在高真空压力下操作的泵的入口。它撞击转子叶片30，并且通过转子的相对运动将动量赋予分子，并且分子朝向定子元件偏转，在定子元件处，分子撞击实心部分并且减速。接下来，分子撞击转子叶片30的下侧表面并且再次被朝向定子元件引导，在这种情况下，分子的路径与盘穿孔38相互作用，从而允许分子穿过相交的盘进入泵的下一区段，即如图所示的区段B。

另一分子的第二路径由箭头62示出。这里，分子的路径穿过转子上的穿孔，从而允许分子从区段B前进到区段C，在区段C，分子与转子叶片30相互作用并且从表面朝向其刚刚穿过的定子元件51发射。这里，其与定子元件的下游表面相互作用并且因此保持在区段C内。然后，其路径继续来到第三定子元件52上，从这里来到通道的相对的侧壁，即转子叶片30的下侧，并且然后通过第三定子的穿孔进入区段D中。因此，动量可以通过由转子叶片的上表面和下表面形成的通道的任一侧壁或通过两个表面传递到气体分子。

不同分子的第三路径由箭头64示出。这里，分子经由第二定子51中的穿孔从区段B进入区段C，在那里，分子被转子叶片30偏转并且通过定子的穿孔38返回到区段B并接触转子叶片30的下侧。

因此，迁移到泵的入口中的气体分子遇到转子叶片30或穿孔定子盘14的表面。一些分子穿过穿孔38并且撞击转子的表面。离开转子表面的气体分子的动量受到转子的旋转运动的影响，并且很有可能的是分子具有传递到其的动量，该动量具有沿转子运动方向的主要分量。结果，撞击和离开转子表面的大部分分子被推向排放口。

在图5的示例中，气体的压缩从级A到级E增加，而转子间隔朝向级E的越来越减小和/或侧壁相对于转子轴线的倾斜角度增加。这可以有助于在气体分子朝向出口被压缩时保持泵效率。在其它实施例中，定子盘间隔和转子叶片角在不同的级中是恒定的，然而，入口级可具有增加宽度的转子叶片，以在高真空入口处捕获更多的气体分子。

图6示出了穿孔定子元件14。在该实施例中，穿孔定子盘由两个元件形成，这两个元件结合在一起以形成盘。穿孔定子盘具有大于30%的透过性，并且在优选实施例中，包括在穿孔之间延伸的径向延伸壁，以便将热量从中心部分传导到外部部分，从而限制盘的中心环的热量增加。此外，在盘的中心环中设置了凹进（indent），并且在一些情况下在形成盘的两个元件之间设置了间隙，并且这些提供了用于内环膨胀进入的空间，从而减少了膨胀将会导致环的屈曲与相关联的轴向运动的可能性，该轴向运动可导致转子和定子之间的碰撞。

尽管在本文中已经参考附图详细公开了本发明的说明性实施例，但是应当理解，本发明不限于该确切的实施例并且本领域技术人员可以在其中实现各种改变和修改，而不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围。

参考标记

5 真空腔室

10 真空泵

12、92 导管

14 穿孔定子元件

16 入口

18 出口

30 转子叶片

35 转子

38 穿孔

40 环

42 轴

45 轴承

50、51、52、53 穿孔盘

60、62、64 分子路径

70 洁净室

80 地下室

90 前级泵组

100 分子流

110 涡轮分子泵

120 复合泵

130 拖曳加强泵

140 拖曳泵

150 粗泵

200 过渡流

300 粘性流

Claims (12)

1. 一种真空泵，用于安装到半导体处理腔室，以将所述室抽空到1 mbar和5×10^-2mbar之间的压力，所述真空泵包括：

转子，所述转子可旋转地安装在定子内；

所述转子包括多个成角度的叶片，所述叶片沿着从入口到出口的螺旋路径布置；

所述定子包括多个穿孔元件，所述多个穿孔元件被布置成与所述螺旋路径相交，所述穿孔允许沿着所述螺旋路径行进的气体分子穿过所述穿孔元件；

所述转子安装在磁悬浮轴承上；并且

朝向所述真空泵的入口定位的所述穿孔元件包括大于40%的透过性，并且朝向所述真空泵的出口定位的所述穿孔元件包括大于30%的透过性。

2.根据权利要求1所述的真空泵，其中，朝向所述真空泵的入口定位的所述穿孔元件包括大于50%的透过性，并且朝向所述真空泵的出口定位的所述穿孔元件包括大于40%的透过性。

3.根据权利要求1所述的真空泵，其中，所述转子和定子由不锈钢和铝中的至少一者形成。

4.根据权利要求3所述的真空泵，其中，所述转子由不锈钢形成，并且所述穿孔元件由铝形成。

5.根据任一前述权利要求所述的真空泵，其中，所述转子和定子中的至少一者包括高发射率涂层。

6.根据任一前述权利要求所述的真空泵，其中，所述真空泵被构造成以300和1200升/秒之间的泵送速度操作。

7. 根据任一前述权利要求所述的真空泵，其中，所述真空泵包括入口导管，所述入口导管从所述真空泵的入口延伸并且被构造成连接到所述半导体处理腔室，所述入口导管具有小于2 m，优选地小于1 m的长度。

8.根据任一前述权利要求所述的真空泵，其中，在所述泵的入口级处的所述转子的所述叶片比在所述泵的其它级中的所述转子的所述叶片更宽。

9.根据任一前述权利要求所述的真空泵，其中，所述定子还包括由一堆环形成的圆柱形内表面，每个环具有圆柱形内表面，所述多个穿孔元件安装在相应的环上，使得所述多个穿孔元件形成在不同的轴向位置处与所述螺旋路径相交的多个穿孔盘。

10.一种用于抽空半导体处理腔室的真空泵组，包括：根据任一前述权利要求所述的真空泵以及被布置为用于所述真空泵的前级泵组合的罗茨鼓风机和初级真空泵。

11. 根据权利要求10所述的真空泵组，还包括用于将所述真空泵连接到所述半导体处理腔室的长度小于2 m、优选地小于1 m的导管以及用于将所述真空泵连接到所述罗茨鼓风机和初级泵的较长导管，使得所述罗茨鼓风机和初级泵被定位成远离所述半导体处理腔室。

12.一种抽空半导体处理腔室的方法，所述方法包括：

将根据任一前述权利要求所述的真空泵定位在半导体生产厂内，并且通过长度小于2m的导管将所述真空泵附接到半导体处理腔室；

将罗茨鼓风机和初级泵定位在远离所述半导体生产厂的位置，并且将所述真空泵的出口经由较长导管附接到所述罗茨鼓风机泵的入口；

操作所述真空泵以将所述半导体处理腔室抽空到1 mbar和5×10^-2 mbar之间的真空。

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