CN115210468A - 冗余泵送系统和利用此泵送系统的泵送方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冗余真空泵送系统(300)和利用此系统的泵送方法，包括初级罗茨泵(302)、第一泵送子系统(310)和第二泵送子系统(320)，其中该第一泵送子系统(310)和第二泵送子系统(320)被布置为并联泵送由初级罗茨泵(302)排空的气体。该第一泵送子系统(310)包括第一次级罗茨泵(311)和第一正排量泵(312)以及定位于该初级罗茨泵(302)的气体排放出口(302b)和该第一次级罗茨泵(311)的气体抽吸入口(311a)之间的第一阀门(313)，并且该第二泵送子系统(320)包括第二次级罗茨泵(311)和第二正排量泵(312)以及定位于该初级罗茨泵(302)的气体排放出口(302b)和该第二次级罗茨泵(321)的气体抽吸入口(321a)之间的第二阀门(323)。根据本发明，该第一泵送子系统(310)和第二泵送子系统(320)被配置为以相同的流速泵送，而该初级罗茨泵(302)被配置为能够以等于初级泵送子系统(310)的泵送流速加上次级泵送子系统(320)的泵送流速的流速F泵送。

Description

冗余泵送系统和利用此泵送系统的泵送方法
技术领域
本发明涉及真空技术领域。更精确地，本发明关于包含至少一个初级罗茨泵和并联布置的两个泵送子系统的冗余泵送系统。本发明还涉及利用此泵送系统的泵送方法。
背景技术
真空泵送系统是许多工业领域中不可或缺的设备，例如在食品和制药工业的冷冻干燥、蒸馏、包装和结晶工艺中，尤其是在半导体工业。
为了在半导体工业中实现质量总较好的制造工艺，在良好控制的空气下执行制造工艺是至关重要的。利用真空泵，可以排空工艺室，并提供许多工艺所需的清洁、低压环境，以及去除未使用的工艺气体和副产品。半导体设备的制造工艺通常涉及到多层的连续沉积和图案化。这些工艺步骤中的许多步骤需要在工艺室中的真空条件，以防止空气中存在的气体分子的干扰和污染。制造半导体设备的几个工艺步骤通常在工艺室(例如真空炉)中进行，例如在工艺室中通过化学气相沉积或化学气相蚀刻处理晶圆。所有这些工艺都需要较低的背景压力，以避免主要由水蒸气造成的污染，以及在工艺室内供应工艺气体的能力。这种工艺气体必须以精确的流速供应到工艺室中，而这种流速通常是很高的。因此，用于排空并维持半导体工艺室中的预定压力的工艺气体的泵送系统需要能够将工艺室排空至较低的端压力，通常至少为10-2mbar，并且能够控制高流速，范围为每分钟几万升。为此，通常将罗茨泵(也称为真空增压器)和干式初级抽气泵结合起来。罗茨泵可以控制高流速，而初级抽气泵由于高压缩比，可以达到足够低的端压力。
如今，在半导体工业中，数百甚至数千块晶圆在单个工艺室中同时被处理。因此，在制造工艺期间，泵送系统的故障会导致晶圆损坏，从而造成重大的经济损失。为了防止泵送系统的故障产生这样的后果，众所周知，通常要提供一种冗余泵送系统。冗余系统的目的是确保当维持工艺室中的工艺条件的泵发生故障时，第二个泵可以接替，以防止工艺条件发生太大变化，最终导致晶圆损坏。
现有技术中已知几种冗余泵送系统，尤其是在半导体工业领域。在第一种已知的冗余泵送系统中，示意性地如图1所示，两个泵送子系统被并联布置。这两个子系统中的每一个都包括罗茨泵和正排量泵，作为增压泵的初级抽气泵。对于每个泵送子系统，阀门被定位在连接罗茨泵和工艺室的管道上。泵送子系统被配置为使得每个子系统都能以所需的流速单独排空工艺室。这意味着，在正常操作期间，两个子系统始终在运行，但只有一个阀门打开。如果阀门打开的泵送子系统出现故障，则这个阀门被关闭，另一个泵送子系统的阀门被打开，以便允许第二个子系统接替。
然而，这种冗余系统有几个缺点。当故障发生时，会出现严重的压力波动和工艺室的污染。这通常导致工艺室中的晶圆严重损坏，并造成重大的经济损失。
第二种已知的在半导体工业中使用的冗余泵送系统，如图2所示，包括连接至工艺室的罗茨泵和并联布置的两个正排量泵。这两个正排量泵通过两个阀与罗茨泵分开。在正常操作期间，两个阀门中只有一个阀门是打开的，只有一个正排量泵作为罗茨泵的初级抽气泵。如果这个初级抽气泵发生故障，相应的阀门关闭，另一个阀门打开，允许第二个正排量泵充当罗茨泵的初级抽气泵。
此第二种已知的冗余泵送统的性能比上述第一种已知的冗余泵送系统当正排量泵发生故障时在污染方面略好。然而，如果该系统的罗茨泵发生故障，工艺室中的晶圆就会发生非常严重的损坏。
因此，本发明的目标是提出一种新型的冗余泵送系统和相应的泵送方法，由于该方法，即使系统中的一个泵发生故障，也能维持工艺室中的压力条件恒定。因此，本发明的目的是提出一种新型的冗余泵送系统和相应的泵送方法，其完全克服了以上描述已知系统的缺点，或至少大大减少了这些缺点。
发明内容
根据本发明，这些目标尤其是通过两个独立权利要求的要素来实现。此外，从属权利要求和说明书中还可以看出更多有利的实施方案。
尤其是，本发明的目的在第一方面是通过一种冗余真空泵送系统实现的，所述冗余真空泵送系统包括初级罗茨泵，所述初级罗茨泵具有能够连接至工艺室的气体抽吸入口和连接至第一泵送子系统和第二泵送子系统的气体排放出口，其中所述第一泵送子系统和第二泵送子系统被布置为并联泵送由所述初级罗茨泵排空的气体，所述第一泵送子系统包括第一次级罗茨泵、第一正排量泵和定位于初级罗茨泵的气体排放出口和第一次级罗茨泵的气体抽吸入口之间的第一阀门，并且所述第二泵送子系统包括第二次级罗茨泵、第二正排量泵和定位于初级罗茨泵的气体排放出口和第二次级罗茨泵的气体抽吸入口之间的第二阀门，其中所述第一泵送子系统和第二泵送子系统被配置为以相同的流速泵送，以及其中所述初级罗茨泵被配置为能够以等于初级泵送子系统的泵送流速加上次级泵送子系统的泵送流速的流速F泵送。
由于这样一种冗余真空泵送系统，即使在系统中的一个泵发生故障的情况下，也可以确保工艺室的压力水平维持恒定。尤其是可以在发生故障的情况下避免压力波动或工艺室的污染。由于初级罗茨泵被配置为能够以等于两个泵送子系统的总流速的泵送流速驱动，在其中一个子系统发生故障的情况下，初级罗茨泵可以充分压缩从工艺室排出的气体，使得仍在运行的子系统的泵送条件不会改变。在初级罗茨泵发生故障的情况下，气体流动可以由子系统单独泵送。由于根据本发明的冗余泵送系统，因此可以克服现有技术中已知系统的缺点。
在本发明的优选实施方案中，第一正排量泵和/或第二正排量泵选自由干式螺杆型泵、干式爪式泵、涡旋泵和隔膜泵组成的组。
在本发明的另一个优选实施方案中，冗余真空泵送系统包括与初级罗茨泵并联布置的带有第三阀门的旁路管道。由于旁路管道和第三阀门，即使初级罗茨泵因故障而成为泵送障碍，也可以从工艺室中排空需要排空的气体流动。
在本发明的另一个优选实施方案中，第一正排量泵和第二正排量泵被连接至废气处理装置，有利的是洗涤器。这样，就可以回收从工艺室中排空的工艺气体和工艺副产品。
在本发明的又一个优选实施方案中，初级罗茨泵的泵送流速为5'000L/min至100'000L/min，有利的是在10'000L/min至70'000L/min之间，优选的是在25'000L/min至55'000L/min之间。这样，可以在现有的生产线上实施，特别是在半导体工业中实施本发明的冗余真空泵送系统。
在本发明的另一个优选实施方案中，冗余真空泵送系统包括故障检测装置，用于检测初级罗茨泵、第一次级罗茨泵、第二次级罗茨泵、第一正排量泵或第二正排量泵中的任何一个的故障。由于这些故障检测装置，可以迅速检测任何故障，并在需要的情况下相应地切换阀门。
在本发明的另一个优选实施方案中，故障检测装置被配置为能够在检测到故障的情况下致动第一阀门、第二阀门和/或第三阀门。这尤其有利的，因为在检测到故障的情况下，正确的阀门可以由故障检测装置自动致动。
在第二方面，本发明的目的是通过利用根据本发明的冗余真空泵送系统的泵送方法实现的，其中初级罗茨泵一直以等于第一泵送子系统的流速和第二泵送子系统的流速之和的额定流速被驱动。利用此泵送方法，可以确保即使在冗余真空泵送系统的任何一个泵发生故障的情况下，工艺室的压力水平也可以维持恒定，并避免晶圆损坏。
在本发明第二方面的第一个优选实施方案中，泵送系统包括带有第三阀门的旁路管道，其中当故障检测装置检测到初级罗茨泵的故障时，第三阀门被切换至它的打开位置。因此，在冗余真空泵送系统的初级罗茨泵发生故障的情况下，需要从工艺室排空的气体可以通过旁路管道排空。
在本发明第二方面的另一个优选实施方案中，当检测到第一次级罗茨泵或第一正排量泵的故障时，故障检测装置关闭第一阀门。这样，可以在第一泵送子系统的任何泵发生故障的情况下自动关闭第一阀门。
在本发明第二方面的又一个优选实施方案中，当检测到第二次级罗茨泵或第二正排量泵发生故障时，故障检测装置关闭第二阀门。这样，可以在第二泵送子系统的任何一个泵发生故障的情况下自动关闭第二阀门。
附图说明
本发明的具体实施方案和优点将从所附的图中变得明显，这些图示出：
图1是现有技术中已知的第一种冗余泵送系统的示意图；
图2是现有技术中已知的第二种冗余泵送系统的示意图；以及
图3是根据本发明的冗余泵送系统的一个优选实施方案的示意图。
具体实施方式
图1示意性地说明了现有技术中已知的第一种冗余泵送系统100。已知的冗余泵送系统100包括并联布置的两个泵送子系统110和120，用于泵送工艺室101。如上文所提及，在某些制造工艺期间，特别是在半导体工业中，必须绝对确保一直维持腔室101中的压力水平，在这种情况下，提供冗余泵送系统。
泵送系统100必须被配置为不仅能够达到预定的端压力，而且能够控制大量的气体流动F，这在涉及化学气相蚀刻工艺或化学气相沉积时尤其重要。这些工艺需要恒定流动的工艺气体被馈送至腔室101，这些气体和工艺的残留物必须由泵送系统100抽走。为了达到足够低的端压力并能够泵送大量的气体流动，通常在半导体工业中使用的已知的泵送系统采用正排量泵(有利的是干式螺杆型泵)和罗茨泵(也被称为增压泵)的结合。由于干式螺杆型泵的高压缩比，可以达到较低的端压力，而罗茨泵可以有效地控制非常大量的气体流动。
因此，返回参考图1，两个泵送子系统110、120各包括罗茨泵111、121和干式螺杆型泵112、122。如上文所提及，这两个子系统是并联布置的，并通过两个阀门113、123被连接至工艺室101。泵送系统100是冗余的，因为在正常操作期间，阀门113是打开的，而阀门123是关闭的。因此，在正常操作期间，从工艺室101中抽出的气体流动F是由子系统110单独泵送。只有在此子系统的任何一个泵发生故障的情况下，阀门113才会关闭，阀门123打开，使得使腔室101被子系统120单独排空。
然而，冗余泵送系统，如图1的系统100，具有许多缺点。首先，当系统必须从子系统110切换至子系统120时，系统遭受严重的压力波动。这种压力波动导致工艺室101的污染，这在许多应用中是不可接受的。此外，在检测到子系统110的故障后的一定时间内，工艺室101中的压力会上升，最终导致晶圆在工艺室101中被损坏。最后，由于在正常操作期间，子系统120的泵121和122一直在运行，罗茨泵121的入口和阀门123之间的压力保持在子系统120的端压力。这意味着，当阀门123响应于子系统110的故障检测突然被打开时，工艺室的压力将受到影响。这样的压力变化不可能保证工艺室中的高质量工艺条件。
图2示意性地说明了现有技术中已知的第二种冗余泵送系统200。该系统200与系统100不同的是，两个泵送子系统210、220各自只包括正排量泵212、222，如干式螺杆型泵。为了控制重要的气体流动F，系统200包括罗茨泵202，它与两个子系统210和220是“交互的”。在正常运行期间，阀门213是打开的，阀门223是关闭的。因此，整个气体流动F仅由罗茨泵202和干式螺杆型泵212泵送。在干式螺杆型泵212发生故障的情况下，阀门213被关闭，阀门223被打开，使得气体流动F可以被罗茨泵202和干式螺杆型泵222的结合排空。
虽然与冗余系统100相比，冗余系统200在干式螺杆型泵212发生故障时能够在工艺室201中保持恒定的压力方面具有更好的性能，但它具有的主要缺点是罗茨泵202的故障导致工艺室201中的压力不可接受地持续上升。
图3示意性地说明了根据本发明的一个优选实施方案的冗余泵送系统300。泵送系统300包括初级罗茨泵302，可以与工艺室301连接，以及两个泵送子系统310和320，泵送子系统310和320中的每一个分别包括次级罗茨泵311、321，以及正排量泵312、322，如干式螺杆型泵。在正常操作期间，阀门313和阀门323总是打开的，从工艺室301排空的气体流动F的一半由子系统310泵送，而另一半由子系统320泵送。对本发明的正确实施至关重要的是，初级罗茨泵302可以以与子系统310和320的总泵送速度相同的泵送速度驱动。换句话说，在正常操作期间，初级罗茨泵302不参与泵送工作，它的入口302a处的压力P1与出口302b处的压力P2相同，即初级罗茨泵302在正常操作中的压缩比等于1。这可以通过具有泵送速度可以适应的初级罗茨泵或具有最大泵送速度等于子系统310和320的泵送速度的初级罗茨泵来实现。
通过具体的实施例可以更好地解释超越本发明的想法。在这个实施例中，假设需要从工艺室中排空的气体的流速F等于20'000L/min。如上文所提及，本发明的冗余泵送系统300被配置为使得初级罗茨泵302可以以等于F的泵送速度驱动，并且使得每个子系统310和320的泵送速度等于F/2，在这个实施例中等于10'000L/min。由于初级罗茨泵302的进入流速和离开流速是相等的，所以初级罗茨泵302在正常操作期间的压缩比Knormal等于1。
这意味着，在正常操作期间，泵送系统300在泵送速度和端压力方面的性能与初级罗茨泵302不存在、关闭或失效时(只要它不对排空造成障碍)的性能相同。在正常操作期间，整个系统300的端压力是由每个子系统310、320的端压力除以K0得出的，K0是在零流速和出口压力下的压缩比。通常，分别的子系统310和320的端压力在0.1mbar左右。初级罗茨泵在此压力范围内的压缩比K0为50左右。因此，整个系统300的端压力大约为2*10-4毫巴。
如果现在子系统320发生故障，阀门323将被关闭，整个流动F将需要由初级罗茨泵302和子系统310的结合来解决。由于子系统310的流速是固定的，等于F/2，初级罗茨泵302必须以2的系数来压缩从工艺室排空的气体。一旦由于子系统320的故障，越过初级罗茨泵302的流速从F下降到F/2时，这就会自动发生。当然，子系统311a入口处的压力P3会比正常操作期间高两倍，但由于初级罗茨泵302现在通过以系数2压缩从工艺室301排空的气体来参与泵送工作，端压力以及泵送速度不会受到子系统320的故障的影响，即使在这种情况下，工艺室的压力也可以维持恒定。
此外，如上文所提及，在初级罗茨泵302发生故障的情况下，只要两个子系统310和320正常运行，系统300的性能就完全不受影响。由于初级罗茨泵302和其中一个子系统310或320同时发生故障的可能性极小，根据本发明的冗余泵送系统300可以规避现有技术中已知的冗余系统的缺点。
此外，可以在泵送系统300中提供带有阀门304的旁路管道303。利用附加的旁路管道303，即使初级罗茨泵302因故障而成为泵送的阻力，可以通过两个子系统310和320将工艺室301排空，并维持工艺室301中的恒定压力。在这种情况下，流动F通过旁路管道304被偏离，并被引导到两个子系统310和320中。
此外，有利的是将两个正排量泵312和322的气体排放出口连接至至少一个废气处理装置，有利的是洗涤器。
最后，应该指出的是，前述内容已经概述了一种相关的非限制性实施方案。本领域的技术人员将清楚，在不背离其精神和范围的情况下，可以对所公开的非限制性实施方案进行修改。因此，所描述的非限制性实施方案应该被认为仅说明了一些更突出的特征和应用。通过以不同的方式应用非限制性实施方案或以熟悉本领域的已知的方式对它们进行修改来实现其他有益的结果。

Claims (14)

1.冗余真空泵送系统(300)，包括初级罗茨泵(302)，所述初级罗茨泵(302)具有能够连接至工艺室(301)的气体抽吸入口(302a)和连接至第一泵送子系统(310)和第二泵送子系统(320)的气体排放出口(302b)，
其中，所述第一泵送子系统(310)和第二泵送子系统(320)被布置为并联泵送由初级罗茨泵(302)排空的气体，
所述第一泵送子系统(310)包括第一次级罗茨泵(311)、第一正排量泵(312)和定位于初级罗茨泵(302)的气体排放出口(302b)和第一次级罗茨泵(311)的气体抽吸入口(311a)之间的第一阀门(313)，并且所述第二泵送子系统(320)包括第二次级罗茨泵(311)、第二正排量泵(312)和定位于初级罗茨泵(302)的气体排放出口(302b)和第二次级罗茨泵(321)的气体抽吸入口(321a)之间的第二阀门(323)，
其特征在于，
所述第一泵送子系统(310)和所述第二泵送子系统(320)被配置为以相同的流速泵送，以及
所述初级罗茨泵(302)被配置为能够以等于初级泵送子系统(310)的泵送流速加上次级泵送子系统(320)的泵送流速的流速F泵送。
2.根据权利要求1所述的冗余真空泵送系统(300)，其中所述第一正排量泵(312)和/或所述第二正排量泵(322)是干式螺杆型泵。
3.根据权利要求1所述的冗余真空泵送系统(300)，其中所述第一正排量泵(312)和/或所述第二正排量泵(322)是干式爪式泵。
4.根据权利要求1所述的冗余真空泵送系统(300)，其中所述第一正排量泵(312)和/或所述第二正排量泵(322)是涡旋泵。
5.根据权利要求1所述的冗余真空泵送系统(300)，其中所述第一正排量泵(312)和/或所述第二正排量泵(322)是隔膜泵。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的冗余真空泵送系统(300)，包括与所述初级罗茨泵(302)并联布置的带有第三阀门(304)的旁路管道(303)。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的冗余真空泵送系统(300)，其中所述第一正排量泵(312)和所述第二正排量泵(322)被连接至废气处理装置，有利的是洗涤器。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的冗余真空泵送系统(300)，其中所述初级罗茨泵(302)的泵送流速为5'000L/min至100'000L/min，有利的是在10'000L/min至70'000L/min之间，优选的是在25'000L/min至55'000L/min之间。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的冗余真空泵送系统(300)，包括故障检测装置，用于检测所述初级罗茨泵(302)、第一次级罗茨泵(311)、第二次级罗茨泵(321)、第一正排量泵(312)或第二正排量泵(322)中的任何一个的故障。
10.根据权利要求9所述的冗余真空泵送系统(300)，其中所述故障检测装置被配置为能够在检测到故障的情况下致动所述第一阀门(313)、第二阀门(323)和/或第三阀门(304)。
11.利用根据前述权利要求中任何一项所述的冗余真空泵送系统(300)的泵送方法，其特征在于，初级罗茨泵(302)一直以等于第一泵送子系统(310)的流速和第二泵送子系统(320)的流速之和的额定流速被驱动。
12.根据权利要求11所述的泵送方法，其中所述泵送系统(300)包括带有第三阀门(304)的旁路管道(303)，其中当故障检测装置检测到初级罗茨泵(320)的故障时，所述第三阀门(304)被切换至它的打开位置。
13.根据权利要求10或11所述的泵送方法，其中当检测到第一次级罗茨泵(311)或第一正排量泵(312)的故障时，故障检测装置关闭第一阀门(313)。
14.根据权利要求10或11所述的泵送方法，其中当检测到第二次级罗茨泵(311)或第二正排量泵(312)的故障时，故障检测装置关闭第二阀门(313)。
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