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Die Erfindung betrifft ein Vakuumsystem mit einem Vakuumventil mit einer Mehrzahl von Ventiltellern und entsprechender Mehrzahl von Ventilteilöffnungen.
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Allgemein sind Vakuumventile zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und zum im Wesentlichen gasdichten Schliessen eines Fliesswegs, der durch eine in einem Ventilgehäuse ausgeformte Öffnung führt, in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt und kommen insbesondere bei Vakuumkammersystemen im Bereich der IC-, Halbleiter- oder Substratfertigung, die in einer geschützten Atmosphäre möglichst ohne das Vorhandensein verunreinigender Partikel stattfinden muss, zum Einsatz.
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Derartige Vakuumkammersysteme umfassen insbesondere mindestens eine zur Aufnahme von zu bearbeitenden oder herzustellenden Halbleiterelementen oder Substraten vorgesehene, evakuierbare Vakuum- oder Prozesskammer, die mindestens eine Vakuumkammeröffnung besitzt, durch welche die Halbleiterelemente oder anderen Substrate in die und aus der Vakuumkammer führbar sind, sowie mindestens eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer. Beispielsweise durchlaufen in einer Fertigungsanlage für Halbleiter-Wafer oder Flüssigkristall-Substrate die hochsensiblen Halbleiter- oder Flüssigkristall-Elemente sequentiell mehrere Prozess-Vakuumkammern, in denen die innerhalb der Prozess-Vakuumkammern befindlichen Teile mittels jeweils einer Bearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden. Sowohl während des Bearbeitungsprozesses innerhalb der Prozess-Vakuumkammern, als auch während des Transports von Kammer zu Kammer müssen sich die hochsensiblen Halbleiterelemente oder Substrate stets in geschützter Atmosphäre - insbesondere in luftleerer Umgebung - befinden.
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Hierfür kommen zum einen Peripherieventile zum Öffnen und Schliessen einer Gaszu- oder Gasabfuhr und zum anderen Transferventile zum Öffnen und Schliessen der Transferöffnungen der Vakuumkammern für das Ein- und Ausführen der Teile zum Einsatz.
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Die von Halbleiterteilen durchlaufenen Vakuumventile werden aufgrund des beschriebenen Anwendungsgebiets und der damit verbundenen Dimensionierung als Vakuum-Transferventile, aufgrund ihres mehrheitlich rechteckigen Öffnungsquerschnitts auch als Rechteckventil und aufgrund ihrer üblichen Funktionsweise auch als Schieberventil, Rechteckschieber oder Transferschieberventil bezeichnet.
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Peripherieventile hingegen werden insbesondere zur Steuerung oder Regelung des Gasflusses zwischen einer Vakuumkammer und einer Vakuumpumpe oder einer weiteren Vakuumkammer eingesetzt. Peripherieventile befinden sich beispielsweise innerhalb eines Rohrsystems zwischen einer Prozess-Vakuumkammer oder einer Transferkammer und einer Vakuumpumpe, der Atmosphäre oder einer weiteren Prozess-Vakuumkammer. Der Öffnungsquerschnitt derartiger Ventile, auch Pumpenventile genannt, ist in der Regel kleiner als bei einem Vakuum-Transferventil. Da Peripherieventile abhängig vom Einsatzgebiet nicht nur zum vollständigen Öffnen und Schliessen einer Öffnung, sondern auch zum Steuern oder Regeln eines Durchflusses durch kontinuierliches Verstellen des Öffnungsquerschnitts zwischen eine vollständigen Offenstellung und einer gasdichten Geschlossenstellung eingesetzt werden, werden sie auch als Regelventile bezeichnet. Ein mögliches Peripherieventil zur Steuerung oder Regelung des Gasflusses ist das Pendelventil.
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Bei einem typischen Pendelventil, wie beispielsweise aus der US 6,089,537 (Olmsted) bekannt, wird in einem ersten Schritt ein in der Regel runder Ventilteller über eine in der Regel ebenfalls runde Öffnung von einer die Öffnung freigebenden Stellung in eine die Öffnung überdeckende Zwischenstellung rotatorisch geschwenkt. Im Falle eines Schieberventils, wie beispielsweise in der US 6,416,037 (Geiser) oder der US 6,056,266 (Blecha) beschrieben, ist der Ventilteller, wie auch die Öffnung, meist rechteckig ausgebildet und wird in diesem ersten Schritt linear von einer die Öffnung freigebenden Stellung in eine die Öffnung überdeckende Zwischenstellung geschoben. In dieser Zwischenstellung befindet sich der Ventilteller des Pendel- oder Schieberventils in einer beabstandeten Gegenüberlage zu dem die Öffnung umgebenden Ventilsitz. In einem zweiten Schritt wird der Abstand zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz verkleinert, so dass der Ventilteller und der Ventilsitz gleichmässig aufeinandergedrückt werden und die Öffnung im Wesentlichen gasdicht verschlossen wird. Diese zweite Bewegung erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen in eine senkrechte Richtung zum Ventilsitz. Die Abdichtung kann z.B. entweder über einen auf der Verschlussseite des Ventiltellers angeordneten Dichtungsring, der auf den die Öffnung umlaufenden Ventilsitz gepresst wird, erfolgen, oder über einen Dichtungsring auf dem Ventilsitz, gegen den die Verschlussseite des Ventiltellers gedrückt wird. Durch den in zwei Schritten erfolgenden Schliessvorgang wird der Abdichtring zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz kaum Scherkräften, die den Abdichtring zerstören würden, unterworfen, da die Bewegung des Ventiltellers im zweiten Schritt im Wesentlichen geradlinig senkrecht auf den Ventilsitz stattfindet.
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Unterschiedliche Dichtvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
US 6,629,682 B2 (Duelli). Ein geeignetes Material für Dichtungsringe und Dichtungen bei Vakuumventilen ist beispielsweise Fluorkautschuk, auch FKM genannt, insbesondere das unter dem Handelsnamen „Viton“ bekannte Fluorelastomer, sowie Perfluorkautschuk, kurz FFKM.
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Die beschriebene mehrstufige Bewegung, bei welcher das Verschlussglied zuerst quer über die Öffnung geschoben wird, ohne dass es zu einer Berührung der Dichtung mit dem Ventilsitz kommt, und das Verschlussglied im Anschluss im Wesentlichen senkrecht auf den Ventilsitz gedrückt wird, bietet neben dem Vorteil, dass die Dichtung nahezu ausschliesslich senkrecht verpresst wird, ohne dass es zu einer Quer- oder Längsbelastung der Dichtung kommt (Partikelvermeidung), auch die Möglichkeit einer Regelung des Durchflusses eines Mediums (z.B. Prozessgas) durch die Ventilöffnung.
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Da oben genannte Ventile unter anderem bei der Herstellung hochsensibler Halbleiterelemente zum Einsatz kommen, muss - wie bereits erwähnt - die insbesondere durch die Betätigung des Ventils und durch die mechanische Belastung des Ventilverschlussgliedes verursachte Partikelgenerierung und die Anzahl der freien Partikel im Ventilraum möglichst geringgehalten werden. Die Partikelgenerierung ist primär eine Folge von Reibung beispielsweise durch Metall-Metall-Kontakt oder durch Abrasion.
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Wie oben beschrieben werden Vakuumregelventile zur Einstellung einer definierten Prozessumgebung in einer Prozesskammer eingesetzt. Die Regelung erfolgt hier typischerweise anhand eines Drucksignals, welches eine Information über den Kammerinnendruck bereitstellt, und anhand einer Zielgrösse, d.h. eines Solldrucks, die mittels der Regelung erreicht werden soll. Die Stellung eines Ventilverschlusses (Ventilteller) wird dann im Rahmen der Regelung so variiert, dass innerhalb eines bestimmten Zeitraums der Solldruck erreicht wird.
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Eine für das Einregeln benötigte Zeit hängt dabei unmittelbar von der Grösse des Volumens der zu evakuierenden Prozesskammer ab. Eine vergleichsweise gross dimensionierte Kammer kann insbesondere bei der Bearbeitung von kleinen Substraten daher nachteilig sein, d.h. ein grosses Totvolumen soll entsprechend vermieden werden.
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Den obigen Ausführungsformen ist gemein, dass insbesondere bei einem Regeln eine durch eine dieser Konstruktionen resultierende Regelkurve (Volumenstrom über Zeiteinheit) typischerweise mit einem nachteiligen Kurvenverlauf auftritt. Im Speziellen zeigt die Kurve im Übergang von einem fast geschlossenen Ventilzustand in einen vollständig geschlossenen Ventilzustand einen deutlich inhomogenen Kurvenverlauf aufgrund eines dabei auftretenden „Zuschnappeffekts“. Ein Strom durch die Öffnung wird dabei abrupt unterbrochen. Eine Feinregelung bei sehr kleinen Drücken ist dadurch nur sehr schwer umsetzbar bzw. nicht möglich.
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Als weiterer kritischer Faktor ist in Zusammenhang mit der Halbleiterfertigung die Verwendung und die Handhabung von für einzelne Bearbeitungsschritte erforderlichem Prozessgas zu nennen. Das Regelventil übernimmt hierbei typischerweise auch die Funktion, eine definierte Gaskonzentration bereitzustellen, d.h. mittels eines variierbaren Gasabflusses durch das Ventil einzuregeln. Das Prozessgas wird dabei zumeist an einer der Evakuieröffnung gegenüberliegenden Seite der Prozesskammer zugeführt.
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Neben der Gaskonzentration und dem Atmosphärendruck ist hierbei auch eine möglichst homogene Verteilung des Prozessgases zumindest im Bereich des zu bearbeitenden Substrats vorteilhaft. Ein möglichst symmetrischer Fluss des Gases durch die Prozesskammer, also sowohl bei der Gaszugabe als auch bei der Evakuierung, kann hierzu hilfreich sein.
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Die
US 6,994,311 B2 offenbart ein Vakuumregelventil mit dem Ziel des Herstellens eines symmetrischen Flusses durch eine Öffnung in einer geöffneten Ventilposition. Der Ventilteller ist zentral an einer Führung (Ventilstange) aufgehängt und kann axial geführt werden, so dass ein Volumenstrom durch die Öffnung in Abhängigkeit des Abstands zwischen Ventilteller und Ventilsitz eingestellt werden kann. Ein Nachteil dieser Lösung besteht jedoch weiterhin darin, dass zur Bereitstellung der Führung des Ventiltellers eine mechanische Verbindung in das Zentrum der Ventilöffnung vorhanden sein muss. Diese mechanische Verbindung löst die Symmetrie der Strömung zumindest in Teilen auf und führt zu Turbolenzen an den Verbindungselementen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde ein Vakuumregelventil bzw. Vakuumbearbeitungssystem bereitzustellen, welches einerseits eine präzise Regelung bzw. Einstellung der Ventilöffnung und damit eines Stroms durch die Öffnung und andererseits eine homogene Fluidverteilung in einer Prozesskammer bereitstellt.
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Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung die obigen Verbesserungen bei vergleichsweise kurzen Verstellzeiten des Ventilverschlusses bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Bearbeitungssystem, das die präzise Regelung eines Fluidstroms und ein vergleichsweise kleines Prozessvolumen bereitstellt.
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Diese Aufgaben werden durch die Verwirklichung der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft einen Aufbau eines Vakuumbearbeitungssystems welches zumindest eine Vakuumkammer bzw. Prozesskammer und ein Vakuumventil, insbesondere ein Vakuumregelventil, aufweist. Das Vakuumventil stellt einen verbesserten Durchfluss und ein Abströmen von Prozessfluid aus einem Prozessvolumen hinsichtlich der Homogenität des Strömungsverhaltens bereit. Zugleich kann eine Verstellzeit für eine Änderung eines Offenzustandes in einen Geschlossenzustand (oder umgekehrt) signifikant verbessert, d.h. reduziert, werden. Durch den erfindungsgemässen Aufbau wird die Vakuumkammer mittels des Ventils in eine Haupt- und in eine Nebenkammer unterteilt, wobei das Ventil innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist.
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Die genannten Vorteile und Verbesserungen werden insbesondere durch ein Unterteilen einer im Stand der Technik bekannten bislang einzigen Ventilöffnung in eine Mehrzahl von Ventilteilöffnungen des Vakuumventils bereitgestellt. Die Teilöffnungen sind vorzugsweise symmetrisch um eine zentrale Ventilachse angeordnet. Jede Ventilteilöffnung wird jeweils von einem Ventilsitz bereitgestellt und von einer Dichtfläche umlaufen. Die Summe der Flächen der mehreren Ventilteilöffnungen ergibt die Fläche der Ventilgesamtöffnung.
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Der gesamte Ventilöffnungsquerschnitt ergibt sich aus der Summe der Öffnungsquerschnitte der mehreren Ventilteilöffnungen, wobei der Öffnungsquerschnitt vom jeweiligen Öffnungszustand der Ventilteilöffnungen abhängt, d.h. von der durch den jeweiligen Ventilverschluss freigegebenen Durchflussfläche.
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Die Ventilsitze bilden insbesondere eine untere Begrenzung der Hauptprozesskammer und eine obere Begrenzung der Nebenprozesskammer. Eine Dichtung zur Herstellung eines gasdichten Abschlusses der Hauptprozesskammer ist vorzugsweise an der Unterseite der Ventilsitze vorgehen, also nicht in der Hauptprozesskammer sondern in der Nebenprozesskammer. Entsprechend befindet sich die Ventilteller zum Schliessen der Öffnungen in der Nebenprozesskammer und können in dieser Kammer entlang einer Verstellachse bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Dichtung seitens der Ventilteller vorgesehen sein.
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Dadurch, dass die Ventilteller samt Antriebskomponenten in oder an der Nebenprozesskammer angeordnet sind, wird ein Fluidfluss in oder durch die Hauptkammer durch das Ventil nicht beeinflusst. Hierdurch kann ein verbesserter symmetrischer (Durch-) Fluss und damit eine verbesserte Substratbearbeitung in der Hauptprozesskammer erfolgen.
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Die Ventilsitze sind bevorzugt um den zentralen Chuck derart angeordnet, dass ein Fluidfluss um den Chuck mit einer homogenen Fliessverteilung erfolgen kann.
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Die Erfindung betrifft also ein Vakuumbearbeitungssystem zur Bearbeitung, insbesondere mittels Abscheiden (ALD, atomic layer deposition/epitaxy) oder Ätzen (ALE, atomic layer etching), eines Substrats oder Werkstücks, insbesondere eines Halbleiters.
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Das Vakuumbearbeitungssystem weist eine Vakuumkammer auf, die ein evakuierbares Innenvolumen zur Erzeugung eines Vakuums und zur Bearbeitung des Substrats in dem Innenvolumen definiert. Zudem weist das Vakuumbearbeitungssystem ein Vakuumregelventil zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms eines durch die Vakuumkammer strömenden Fluids und zum gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs des Fluids auf.
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Das Vakuumregelventil verfügt über mindestens einen ersten Ventilsitz, der eine eine erste Öffnungsachse definierende erste Ventilöffnung und eine die erste Ventilöffnung umlaufende erste Dichtfläche aufweist, und über mindestens einen ersten Ventilteller mit einer zu der ersten Dichtfläche korrespondierenden ersten Kontaktfläche.
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Das Vakuumbearbeitungssystem weist mindestens eine Antriebseinheit auf, die derart ausgebildet ist und mit dem ersten Ventilteller derart gekoppelt ist, dass dieser Ventilteller zumindest von einer Offenposition in eine Schliessposition und zurück verstellbar (z.B. motorisiert) ist. In der Offenposition liegen der erste Ventilteller und der erste Ventilsitz relativ zueinander kontaktlos vor. In der Schliessposition besteht über ein dazwischenliegendes Dichtelement ein dichtender Kontakt zwischen der ersten Dichtfläche und der ersten Kontaktfläche, wobei die erste Ventilöffnung dadurch gasdicht verschlossen ist.
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Erfindungsgemäss ist der erste Ventilsitz innerhalb der Vakuumkammer angeordnet und unterteilt die Vakuumkammer in eine Hauptprozesskammer zur Bearbeitung des Substrats und in eine Nebenprozesskammer. Die erste Dichtfläche erstreckt sich orthogonal zur ersten Öffnungsachse und weist in Richtung der Nebenprozesskammer, insbesondere parallel zur ersten Öffnungsachse. Der erste Ventilteller ist in der Nebenprozesskammer verstellbar angeordnet.
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In einer Ausführungsform kann das Vakuumregelventil einen zweiten Ventilsitz aufweisen, der eine eine zweite Öffnungsachse definierende zweite Ventilöffnung und eine die zweite Ventilöffnung umlaufende zweite Dichtfläche aufweist, sowie einen zweiten Ventilteller mit einer zu der zweiten Dichtfläche korrespondierenden zweiten Kontaktfläche. Der zweite Ventilsitz kann innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein und zusammen mit dem ersten Ventilsitz die Vakuumkammer in die Hauptprozesskammer und die Nebenprozesskammer unterteilen. Die zweite Dichtfläche erstreckt sich orthogonal zur zweiten Öffnungsachse und weist in Richtung der Nebenprozesskammer, insbesondere parallel zur zweiten Öffnungsachse. Der zweite Ventilteller kann in der Nebenprozesskammer verstellbar angeordnet sein.
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Hierdurch kann eine Ventilgesamtöffnung des Vakuumregelventils zumindest durch die erste Ventilöffnung als erste Ventilteilöffnung und die zweite Ventilöffnung als zweite Ventilteilöffnung gebildet sein.
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Die Bereitstellung von mindestens zwei Gruppen, jeweils umfassend mindestens einen Ventilsitz und einen Ventilverschluss (Ventilteller), erlaubt eine symmetrische Anordnung um ein Zentrum des Vakuumventils. Damit kann einerseits ein symmetrischer Volumenstrom durch das Ventil und andererseits eine vergleichsweise schnelle Betätigung (d.h. schnelles Verstellen der Ventilschlüsse aufgrund der vergleichsweise geringen Einzelmassen der Ventilverschlüsse) mit der Möglichkeit einer sehr flexiblen Volumenstromregelung, d.h. auch das Erreichen eines vergleichsweise grossen Gesamtöffnungsquerschnitts aus einer Geschlossenposition (und umgekehrt) in kurzer Zeit, bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform kann das Vakuumbearbeitungssystem einen dritten Ventilsitz aufweisen, der eine eine dritte Öffnungsachse definierende dritte Ventilöffnung und eine die dritte Ventilöffnung umlaufende dritte Dichtfläche aufweist. Entsprechend kann ein dritter Ventilteller mit einer zu der dritte Dichtfläche korrespondierenden dritten Kontaktfläche vorgesehen sein.
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Der dritte Ventilsitz kann innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein und zusammen mit dem ersten und zweiten Ventilsitz die Vakuumkammer in die Hauptprozesskammer und die Nebenprozesskammer unterteilen. Die dritte Dichtfläche kann sich orthogonal zur dritten Öffnungsachse erstrecken und in Richtung der Nebenprozesskammer weisen, insbesondere parallel zur dritten Öffnungsachse. Der dritte Ventilteller kann in der Nebenprozesskammer verstellbar angeordnet sein.
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Hierbei kann die Ventilgesamtöffnung zusätzlich durch die dritte Ventilöffnung als dritte Ventilteilöffnung gebildet sein.
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Durch das Anordnen einer dritten Kombination oder weiterer Kombinationen aus Ventilsitz und Ventilteller kann die Symmetrie der gesamten Ventilöffnung um eine Zentralachse des Ventils erhalten oder vergrössert werden und damit die Symmetrie des Volumenstroms (konzentrisch) durch das Ventil weiter verbessert werden.
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Insbesondere kann die Antriebseinheit derart mit dem zweiten bzw. dritten Ventilteller gekoppelt sein, dass die gekoppelten Ventilteller zumindest von einer jeweiligen Offenposition, in welcher der jeweilige Ventilteller und der jeweilige Ventilsitz relativ zueinander kontaktlos vorliegen, in eine Schliessposition, in welcher über ein jeweils dazwischenliegendes Dichtelement ein axial dichtender Kontakt zwischen der jeweiligen Dichtfläche und der jeweiligen Kontaktfläche besteht und die jeweilige Ventilteilöffnung dadurch gasdicht verschlossen ist, und zurück verstellbar sind.
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Die Antriebseinheit kann beispielsweise als Aktuator oder Elektromotor, insbesondere Linearmotor oder Schrittmotor, ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform kann das Vakuumregelventil eine Kopplungsanordnung aufweisen, welche Kopplungsanordnung eine mechanische Kopplung des ersten Ventiltellers mit dem zweiten Ventilteller, und insbesondere mit dem dritten Ventilteller, derart bereitstellt und derart mit der Antriebseinheit verbunden ist, dass die jeweiligen Ventilteller mittels der Antriebseinheit gemeinsam verstellbar sind. Die Kopplungsanordnung kann beispielsweise mit einer Welle, Gelenken (z.B. Kardangelenke), Lagern und/oder Übersetzungen verwirklicht sein.
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So kann mittels einer mechanischen Lösung beispielsweise ein simultanes Verstellen mehrerer oder aller gekoppelten Ventilteller bereitgestellt werden. Hierdurch kann insbesondere ein homogener und symmetrischer Fluidfluss durch das Ventil dadurch erreicht werden, dass schon bei einem ersten Öffnen der Ventilteilöffnung für alle Öffnungen ein gleicher Öffnungsquerschnitt bereitgestellt wird und der Fluss durch alle Öffnungen hinsichtlich des Volumen- oder Massenstroms gleich ist und in Folge bleibt.
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Gemäss einer weiteren Ausführungsform kann die Antriebseinheit zumindest eine erste und eine zweite, insbesondere eine dritte, Antriebskomponente, insbesondere jeweilige Motoren, aufweisen. Die erste Antriebskomponente kann mit dem ersten Ventilteller und die zweite Antriebskomponente mit dem zweiten Ventilteller gekoppelt sein, insbesondere kann die dritte Antriebskomponente mit dem dritten Ventilteller gekoppelt sein.
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Im Unterschied zur vorangehenden Ausführung kann in dieser Variante jeder der Ventilteller individuell angesteuert und verstellt werden. Dies erlaubt eine grössere Flexibilität hinsichtlich der Einstellung des Flussverhaltens durch das Ventil und insbesondere durch die Hauptprozesskammer. Z.B können hierdurch Asymmetrien des Volumenstroms kompensiert werden, die durch vorliegende Bearbeitungsvorrichtungen in der Prozesskammer oder durch eine asymmetrische Anordnung von Fluideinlässen verursacht sind. Eine solche Kompensation kann durch das Bereitstellen unterschiedlicher Öffnungsquerschnitte für die einzelnen Ventilteilöffnungen umgesetzt werden.
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Insbesondere kann das Flussverhalten innerhalb der Kammer so eingestellt werden, dass ein unsymmetrischer Fluss, der z.B. durch eine Vorrichtung in der Kammer zur Bearbeitung eines Substrats verursacht ist, ausgleichbar ist. Der Fluss würde bei Verwendung eines herkömmlichen Ventils entsprechen inhomogen durch die Prozesskammer erfolgen. Durch die Einstellbarkeit des Abströmverhaltens mittels des erfindungsgemässen Ventils kann das Abströmen des Fluids dem unsymmetrischen Fluss durch die Kammer entgegenwirken und so letztlich in einem gesamthaft symmetrischen Fluss durch die Kammer resultieren. Die Strömung durch das Ventil kann dabei entsprechend asymmetrisch (nicht zentrisch, d.h. asymmetrisch bezüglich einer Zentralachse) erfolgen. Beispielsweise können unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten an unterschiedlichen (z.B. gegenüberliegenden) Ventilseiten vorliegen.
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In einer Ausführungsform können die Antriebseinheit, insbesondere die jeweiligen Antriebskomponenten, und zumindest der erste (oder auch der zweite, der dritte oder mehrere) Ventilteller derart ausgebildet und gekoppelt sein, dass zumindest der erste der Ventilteller entlang einer ersten Verstellachse verstellbar ist und die erste Verstellachse quer relativ zur ersten Öffnungsachse verläuft. Es versteht sich, dass die Anzahl der Ventilteller vorzugsweise der Anzahl der Ventilsitze entspricht, d.h. dass ein Ventil mehrere (mehr als drei) Ventilsitze und eine entsprechende Anzahl Ventilteller aufweisen kann.
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Gemäss einer Ausführungsform kann die Hauptprozesskammer ein Haupt-Innenvolumen einschliessen und die Nebenprozesskammer ein Neben-Innenvolumen einschliessen, wobei das Haupt-Innenvolumen grösser als das Neben-Innenvolumen ist.
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In einer Ausführungsform kann das Vakuumbearbeitungssystem eine in der Hauptprozesskammer angeordnete elektrostatische Haltevorrichtung, insbesondere einen Chuck, aufweisen.
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Das Vakuumregelventil kann insbesondere zumindest den ersten Ventilsitz und zumindest zwei weitere Ventilsitze aufweisen und die Ventilsitze können eine erste Ventilöffnung und zumindest zwei weitere Ventilöffnungen definieren. Die Ventilsitze können symmetrisch um die elektrostatische Haltevorrichtung angeordnet sein.
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In einer Ausführung können die Ventilsitze und/oder die Ventilöffnungen ringsegmentförmig ausgebildet sein und derart angeordnet sein, dass jeweilige Innenkreisbogen oder Aussenkreisbogen der ringsegmentförmigen Ventilsitze bzw. Ventilöffnungen auf einem gemeinsamen Kreis liegen.
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Der Chuck kann beispielsweise rund ausgeführt sein und/oder eine Kreisfläche als Haltefläche für eine Substrat definieren. Durch die insgesamt ringförmige Anordnung der Ventilöffnung um den Chuck herum kann ein entsprechend optimiertes Fluidströmungsverhalten um und über den Chuck realisiert werden.
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In einer Ausführungsform können die erste und die zweite Ventilteilöffnung, insbesondere die dritte Ventilteilöffnung, symmetrisch um eine Zentralachse des Vakuumregelventils angeordnet sein, wobei die Zentralachse sich durch einen Ventilmittelpunkt erstreckt, insbesondere eine Mittelachse des Fliesskanals bildet. Das Ventil kann aufgrund seiner Geometrie einerseits einen Fliessweg für ein Fluid und damit andererseits einen begrenzten Strömungskanal für das Fluid definieren. Die Zentralachse liegt insbesondere in der Mitte dieses Kanals und erstreckt sich entsprechend der Erstreckung des Kanals. Ein Mittelpunkt der Chuck-Auflagefläche liegt insbesondere auf der Zentralachse.
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Mit einem erfindungsgemässen Ventil können oben genannte Flüsse vorteilhaft, d.h. auch bei sehr geringen Drücken und unter Bereitstellung und Beibehaltung eines im Wesentlichen symmetrischen und laminaren Flusses, reguliert werden.
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Das Vakuumregelventil kann insbesondere eine Steuerungseinheit, insbesondere Regelungseinheit, aufweisen, wobei die Antriebseinheit (und deren Antriebskomponenten) anhand eines von der Steuerungseinheit bereitgestellten Steuerungssignals, insbesondere anhand einer Regelgrösse, ansteuerbar ist.
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Insbesondere kann jede Antriebskomponente der Antriebseinheit individuell mittels eines (individuellen) Steuerungssignals ansteuerbar sein.
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In einer Ausführungsform kann die Steuerungseinheit eine derart konfigurierte Strömungsfunktionalität aufweist, dass bei deren Ausführung mindestens einer der mit der Antriebseinheit gekoppelten Ventilteller in eine bestimmte Zwischenposition zwischen der Offenposition und der Schliessposition verstellt wird.
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Insbesondere kann der mindestens eine gekoppelte Ventilteller entlang einer Verstellachse linear verstellbar sein und ein Abstand zwischen dessen Kontaktfläche und der korrespondierenden Dichtfläche in der Zwischenposition kleiner als in der Offenposition und grösser als in der Schliessposition sein
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Gemäss einer Ausführung kann das Vakuumregelventil zumindest den ersten und den zweiten Ventilsitz aufweisen, den ersten und den zweiten Ventilteller aufweisen sowie die erste Antriebskomponente aufweisen, die mit dem ersten Ventilteller gekoppelt ist und die zweite Antriebskomponente aufweisen, die mit dem zweiten Ventilteller gekoppelt ist. Die Strömungsfunktionalität kann dabei derart konfiguriert sein, dass die Ventilteller in Abhängigkeit von einer Strömungsinformation individuell zwischen der jeweiligen Offenposition und der jeweiligen Schliessposition positionierbar sind.
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Durch solch eine gezielte relative und individuelle Offenstellung zwischen Ventilsitz und Ventilverschluss und den damit einstellbaren Öffnungsbereich der Ventilöffnung wird die vorteilhafte Druck- und Flussregelung ermöglicht. Derartige Regelungen können typischerweise z.B. bei der Verwendung von Prozessgas und dem damit verbundenen Erfordernis der Einstellung eines Solldrucks eingesetzt werden. Durch eine damit bewirkbare andauernde laminare Strömung des Mediums durch die Öffnungen und insbesondere durch die Hauptprozesskammer können Druckschwankungen vermieden werden und ein Solldruck kann schneller erreicht werden.
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Insbesondere können die individuellen Tellerpositionen (Zwischenpositionen) gesteuert (mittels des Steuerungssignals) jeweils individuell oder fortlaufend eingestellt und damit eine insbesondere kontinuierliche Regelung des Volumen- oder Massenstroms eines Mediums durch die Ventilöffnung bereitgestellt werden. Die Strömung kann dabei insbesondere laminar beibehalten werden. Eine solche Regelung wird insbesondere durch einen Schrittmotor oder einen Servomotor der Antriebseinheit bereitgestellt.
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Die Strömungsinformation kann insbesondere zumindest eine der folgenden Informationen aufweisen bzw. bereitstellen:
- • einen Massen- oder Volumenstrom des Fluids durch die Hauptprozesskammer und/oder die Nebenprozesskammer,
- • eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Hauptprozesskammer und/oder Nebenprozesskammer,
- • eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung bezüglich eines Innenvolumenquerschnitts für die Hauptprozesskammer und/oder die Nebenprozesskammer,
- • einen Druckunterschied zwischen der Hauptprozesskammer und der Nebenprozesskammer,
- • einen Fluidzufluss in die Hauptprozesskammer,
- • einen Fluidabfluss aus der Nebenprozesskammer.
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Mittels der Steuerungseinheit können die einzelnen Ventilteller derart individuell positionierbar sein, dass in Abhängigkeit von der Strömungsinformation ein symmetrischer Fluiddurchfluss durch die Hauptprozesskammer bereitstellbar ist. Dies kann z.B. bei ungleicher Fluidverteilung in einer der Prozesskammern oder bei räumlich ungleichem Fluidzustrom in die Hauptprozesskammer durch das Einstellen und/oder dynamische Anpassen unterschiedlicher Öffnungsquerschnitte für die einzelnen Ventilteilöffnungen erreicht werden. Dies kann z.B. aber auch durch das Einstellen gleicher Öffnungsquerschnitte für die Ventilteilöffnungen erreicht werden, wenn die Fluidverteilung oder der Fluidzustrom homogen ist.
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In einer Ausführungsform können die Positionierungen der Ventilteller individuell dynamisch anpassbar sein und damit kann eine kontinuierliche Regelung des Fluiddurchfluss durch die Hauptprozesskammer bereitgestellt werden. Bei einer Veränderung der Fluidverteilung in der Prozesskammer, z.B. bei Zugabe eines neunen oder anderen Prozessgases, können die Ventiltellerpositionen während oder vor einem Bearbeitungsprozesses angepasst werden.
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In einer Ausführungsform kann ein definiertes Strömungsverhalten durch das Vakuumregelventil, insbesondere durch die mindestens zwei Ventilteilöffnungen, einstellbar und/oder regelbar sein, insbesondere wobei das Strömungsverhalten durch das Vakuumregelventil asymmetrisch bezüglich einer Zentralachse des Vakuumregelventils einstellbar ist und die Zentralachse sich durch einen Ventilmittelpunkt erstreckt.
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In einer Ausführungsform kann bei Vorliegen eines inhomogenen Fluidstroms durch die Hauptprozesskammer und durch Ausführen der Strömungsfunktionalität ein symmetrischer Fluidstrom eingestellt werden.
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Das Vakuumbearbeitungssystem weist insbesondere zumindest eine derart ausgebildete Sensoreinheit auf, dass mittels der Sensoreinheit die Strömungsinformation erfassbar ist, insbesondere ein Drucksensor oder ein Sensor zur chemischen Analyse eine Gaszusammensetzung.
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In einer Ausführungsform kann der Fliessweg die Hauptprozesskammer und die Nebenprozesskammer verbinden, wobei die Hauptprozesskammer durch das Vakuumregelventil gasdicht von der Nebenprozesskammer abtrennbar ist, der Fliessweg also verschliessbar ist.
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Gemäss einer Ausführungsform können der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Alternativ können der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz derart schräg relativ zueinander angeordnet sein, dass die durch die erst Dichtfläche definierte Ebene und die durch die zweite Dichtfläche definierte Ebene einen definierten Winkel einschliessen. Die Ventilsitze können z.B. derart ausgerichtet sein, dass die definierten Dichtebenen jeweils eine Seitenfläche einer virtuellen Pyramide umfassen.
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In einer Ausführungsform kann die Ausrichtung so sein, dass die durch die jeweilige Ventilöffnung eines Ventilsitzes jeweils definierte Öffnungsachse sich schneiden, insbesondere sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt schneiden. Der gemeinsame Schnittpunkt liegt insbesondere auf der Zentralachse des Ventils.
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Gemäss einer Ausführungsform weist die Antriebseinheit zumindest einen Motor und zumindest eine durch den zumindest einen Motor gesteuert entlang einer Verstellsachse bewegbare Führungskomponente auf, insbesondere Ventil- oder Führungsstange, wobei der Ventilteller mit der Führungskomponente relativ zum Ventilsitz bewegbar ist.
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Die Lage der Verstellachse ist insbesondere definiert durch die Erstreckung der Führungskomponente, die z.B. als Schubstange, Ventilstange oder Führungsstange ausgeführt bzw. bezeichnet ist, und/oder durch die durch die Antriebseinheit bereitgestellte Linearbewegungsrichtung.
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In einer Ausführungsform kann das Vakuumbearbeitungssystem bzw. das Vakuumregelventil eine Trenneinrichtung zur Trennung eines Prozessatmosphärenbereichs von einem Aussenatmosphärenbereich aufweisen. Insbesondere betrifft dies eine Ausgestaltung des Regelventils als Vakuumventil.
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Der Prozessatmosphärenbereich ist insbesondere als ein Bereich zu verstehen, der durch eine Prozesskammer (Vakuumkammer) definiert sein kann. In diesem Bereich kann eine Prozessatmosphäre, insbesondere ein Vakuum, zur Bearbeitung von Substraten hergestellt werden. Für diesen Bereich vorgesehene Komponenten müssen z.B. hinsichtlich Materialbeständigkeit und atmosphärischer Reinheit (Partikelgenerierung) erhöhten Anforderungen genügen. Der Aussenatmosphärenbereich kann entsprechend insbesondere als ein Bereich verstanden werden, der die Prozesskammer umgibt und in dem z.B. normale atmosphärische Bedingungen vorliegen, z.B. Raumluft.
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Die Antriebseinheit kann zumindest teilweise, insbesondere vollständig, dem Aussenatmosphärenbereich und der Ventilsitz und Ventilverschluss insbesondere dem Prozessatmosphärenbereich zugeordnet sein.
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Die Trenneinrichtung kann beispielsweise durch einen Balg gebildet sein. Der Balg kann z.B. innerhalb des Ventilgehäuses oder der Antriebseinheit vorgesehen sein.
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Beispielsweise kann das Vakuumregelventil des Vakuumbearbeitungssystems, insbesondere die Antriebseinheit, ein Antriebsgehäuse aufweisen, in dem die Ventilstange zur Bewegung des Ventiltellers beweglich gelagert ist. Die Ventilstange ragt einerseits aus dem Antriebsgehäuse in die Nebenprozesskammer (Prozessatmosphärenbereich) und ist andererseits z.B. mittels eines Getriebes mit einem Motor gekoppelt. Hier kann eine Trenneinrichtung (z.B. ein dynamischer Balg) vorgesehen sein, deren erstes Ende mit dem Gehäuse (oder einem anderen statischen Element in dem Antriebsgehäuse) und deren zweites Ende mit der Ventilstange gasdicht verbunden ist. Hierdurch gelingt eine atmosphärische Trennung des Ortes der Lagerung der Ventilstange (Aussenatmosphärenbereich), an welchem durch die auftretenden Relativbewegungen Partikel erzeugt werden könnten und ggf. Schmierstoffe eingesetzt sind, von dem hinsichtlich der atmosphärischen Reinheit kritischen Prozessatmosphärenbereich, bei gleichzeitiger Bereitstellung der gesteuerten Beweglichkeit eines oder mehrerer Ventilteller.
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Ein Gehäuse ist z.B. aus Aluminium oder Edelstahl gefertigt, oder mit Aluminium oder einem anderen geeigneten Material innen beschichtet, während der Ventilteller und der Balg aus Stahl bestehen können. Der Balg kann alternativ oder zusätzlich eine nickelbasierte Legierung aufweisen oder aus einer nickelbasierten Legierung gefertigt sein. Der in seiner Längsachse innerhalb des Bereichs des Verstellwegs des Tellers ausdehnbare und zusammendrückbare Balg dichtet damit den Prozessatmosphärenbereichs von dem Aussenatmosphärenbereich luftdicht ab. Zur Anwendung kommen vor allem zwei Typen von Bälgen. Einerseits ein Membranbalg, andererseits ein Wellenbalg, welcher letzterer sich gegenüber dem Membranbalg dadurch auszeichnet, dass er keine Schweissnähte aufweist und leichter gereinigt werden kann, jedoch einen geringeren maximalen Hub aufweist.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben, wobei auch auf weitere Vorteile der Erfindung eingegangen wird. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumbearbeitungssystems;
- 2 eine Ausführungsform eines Vakuumventils eines erfindungsgemässen Vakuumbearbeitungssystems; und
- 3 eine Ausführungsform eines Vakuumventils eines erfindungsgemässen Vakuumbearbeitungssystems.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Vakuumbearbeitungssystems 1 mit einer Vakuumkammer 10 (Prozesskammer) und einem Vakuumregelventil 20 in einer seitlichen Schnittansicht. Das Vakuumregelventil 20 ist zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms eines durch die Vakuumkammer 10 strömenden Fluids und zum gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs des Fluids ausgebildet. Das Vakuumregelventil 20 weist hierfür einen Ventilsitz 21a auf, der eine Ventilöffnung 22a mit einer Öffnungsachse O definiert. Das Ventil 20 weist zudem einen Ventilteller 23a auf. Der Ventilsitz 21a stellt an seiner Unterseite eine Dichtfläche bereit, wobei der Ventilteller 23a über eine Kontaktfläche (tellerseitige Dichtfläche) verfügt, die zum In-Kontakt-Bringen mit der (sitzseitigen) Dichtfläche ausgelegt ist und dadurch ein gasdichtes Verschliessen des Ventils 20 ermöglicht. Der Kontakt wird insbesondere mittelbar durch eine zwischen der sitzseitigen und der tellerseitigen Dichtfläche vorgesehene Dichtung realisiert. Auch wenn die strukturellen Elemente Ventilsitz und Ventilteller hierbei nicht unmittelbar (also nur mittelbar durch die dazwischenliegenden Dichtung) physisch In-Kontakt sind, soll dieser Zustand als ein In-Kontakt-Zustand verstanden werden.
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Der Ventilteller 23a ist mittels einer Antriebseinheit 30 von einer Offenposition (gezeigt in 1) in eine Schliessposition (nicht gezeigt) versetzbar. In der Schliessposition besteht also über ein dazwischenliegendes Dichtelement ein dichtender Kontakt zwischen der Dichtfläche und der Kontaktfläche. Die Ventilöffnung 22a ist dabei gasdicht verschlossen.
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Das Dichtelement kann eine polymerhaltige Dichtung sein, die mittels Klemmung, Klebung oder Vulkanisation an der Unterseite des Ventilsitzes 21a angeordnet ist. Die Dichtung kann beispielsweise als O-Ring ausgeführt sein. Alternativ kann das Dichtelement an dem Ventilteller 23a angeordnet sein.
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Die Antriebseinheit 30 kann beispielsweise ein elektrisch betriebener Aktor oder Motor (z.B. Linearmotor oder Schrittmotor) mit einer linearen Verstellachse V sein. Die Antriebseinheit 30 kann einen Hub vom mindestens 50 mm, insbesondere 100 mm, bereitstellen
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Der Ventilsitz 21a ist innerhalb der Vakuumkammer 10 angeordnet. Die Vakuumkammer 10 wird durch den Ventilsitz 21a und damit durch den Ort, an welchem ein gasdichter Abschluss erfolgen kann (Dichtlinie), in eine Hauptprozesskammer 11 zur Bearbeitung eines Substrats und in eine Nebenprozesskammer 12 unterteilt.
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Eine untere Öffnung 19 der Nebenprozesskammer 12 verbindet die Vakuumkammer 10 mit einem nachgeordneten Vakuumerzeuger, insbesondere einer Vakuumpumpe, zur Erzeugung des Vakuums in der Kammer 10. Als weitere nachgeordnete Komponente kann auch ein Vakuumventil und/oder ein Drucksensor vorgesehen sein.
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Das Vakuumventil 20 ist so in der Kammer 10 verbaut, dass die erste Dichtfläche des Ventilsitzes 21a sich orthogonal zur Öffnungsachse O erstreckt und in Richtung hin zu der Nebenprozesskammer 12 parallel zur ersten Öffnungsachse O weist. Der Ventilteller 23a ist entsprechend in der Nebenprozesskammer 12 verstellbar angeordnet.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Ventilteller 23a auf einem Führungselement 24a gelagert. Die Lagerung ist insbesondere so ausgeführt, dass der Ventilteller 23a relativ zu dem Führungselement 24a (geringfügig) verkippbar ist. Die Antriebseinheit 30 ist mittels einer Ventilstange 31 mit dem Führungselement 24a gekoppelt, womit der Ventilteller 23a mittels der Antriebseinheit 30 verstellt werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform kann der Ventilteller 23a direkt mit der Ventilstange 31 gekoppelt sein. Der Ventilteller 23a kann hierbei relativ zur Ventilstange in engen Grenzen verkippbar sein, sodass die Kontaktfläche vollständig mit der Dichtfläche in Kontakt gebracht werden kann. Eine derartige Verkippung kann insbesondere bei einer schrägen Anordnung der Verstellachse V relativ zur Öffnungsachse O ein verlässliches Verschliessen der Öffnung 22a bereitstellen. Eine schräge Anordnung wie gezeigt macht insbesondere eine vorteilhafte Raumnutzung derart möglich, dass die Verstellvorrichtung (z.B. Ventilstange) einen vergleichsweise geringen Platzbedarf in der Vakuumkammer 10 aufweist und die Antriebseinheit 30 in einer bezüglich peripherer Vakuumelemente vorteilhaften Weise angeordnet werden kann. Mögliche Downstream-Elemente können hierbei problemlos, d.h. ohne eine durch die Antriebseinheit 30 verursachte räumliche Einschränkung, mit der Nebenprozesskammer 12 verbunden werden.
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Es versteht sich, dass der Ventilteller alternativ starr mit der Ventilstange verbunden sein kann. Auch hier kann der Teller so mit der Stange verbunden sein, dass die Verstellachse V mit einer durch die sitzseitige Dichtfläche definierten Ebene einen Winkel zwischen 0° und 90° einschliesst, also quer zu dieser angeordnet ist.
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Die Antriebseinheit 30 kann zudem einen Balg zur atmosphärischen Trennung des Innenvolumens der Prozesskammer 10 (Prozessatmosphärenbereich) von einer Aussenatmosphäre (Aussenatmosphärenbereich) aufweisen. Der Balg kann hierzu einerseits mit der Ventilstange 31 und andererseits z.B. mit dem inneren Antriebsgehäuse verbunden sein. Hierdurch kann eine atmosphärische Abtrennung der beweglichen Teiles der Antriebseinheit von dem Innenvolumen der Prozesskammer 10 bereitgestellt werden. Ein Partikeleintrag z.B. verursacht durch Abrieb kann so verhindert werden. Im geöffneten Ventilzustand liegt der Balg zusammengedrückt vor, bei einem geschlossenen Ventil 20 ausgedehnt bzw. entfaltet vor.
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Die erfindungsgemässe Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Volumen der Hauptprozesskammer 11, in welcher die effektive Bearbeitung des Substrats erfolgt, vergleichsweise klein gehalten werden kann und damit ein vergleichsweise schnelles Einregeln eines gewünschten Innendrucks in der Hauptprozesskammer 11 für einen bestimmten Bearbeitungsprozess erfolgen kann.
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Die Nebenprozesskammer 12 stellt ein Innenvolumen bereit, das grösser als das Innenvolumen der Hauptprozesskammer 11 ist und in welchem durch Absaugung durch die Öffnung 19 ein Innendruck einregelbar ist, der einem Soll-Bearbeitungsdruck entspricht oder kleiner ist. Die Nebenprozesskammer 12 kann damit als Vorhaltevolumen für die Hauptprozesskammer 11 dienen und ein schnelles Einregeln eines Prozessdrucks in der Hauptprozesskammer 11 bereitstellen.
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2 zeigt das Vakuumregelventil des Vakuumbearbeitungssystem gemäss 1 in einer Draufsicht. Das Ventil weist gesamthaft drei Ventilsitze 21a-c auf, die ringförmig angeordnet sind. Jeder Ventilsitz 21a-c stellt eine jeweilige Ventilöffnung 22a-c bereit. Die Ventilöffnungen 22a-c sind im gezeigten Ausführungsbeispiel mit gitterartigen Strukturen versehen, die eine homogene Fluiddurchströmung durch die jeweilige Öffnung ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen können die Ventilöffnungen 22a-c ohne die gezeigte Strukturen oder mit einer alternativen, fluiddurchlässigen Struktur ausgeführt sein.
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Jedem Ventilsitz 21a-c ist an dessen Unterseite (vgl. 3, hier nicht gezeigt) ein jeweiliger Ventilverschluss 23a-c zugeordnet, wie dies beispielhaft für den Ventilsitz 21a und den als Ventilteller 23a ausgebildeten Ventilschluss in 1 gezeigt ist. Die einzelnen Ventilverschlüsse sind jeweils mit einer individuell steuerbaren Antriebseinheit gekoppelt (entsprechend der Anzahl Ventilteller ist eine entsprechende Anzahl von Antriebskomponenten vorgesehen).
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Hierdurch kann für jede Ventilöffnung 22a-c ein individueller Öffnungsquerschnitt und damit eine individuelle Durchströmung eingestellt werden. Ein Massen- oder Volumenstrom eines Fluids kann also für jede Ventilöffnung einzeln und unabhängig von den restlichen Öffnungen eingestellt werden. Durch diese individuelle Einstellbarkeit kann ein symmetrischer Fluidfluss durch insbesondere die Hauptprozesskammer 11 bereitgestellt werden. Hierfür können beispielsweise unterschiedliche Offsets für die einzelnen Ventilöffnung eingestellt und damit eine Kompensation von inhomogenen Druck- und Flussverteilungen erreicht werden.
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Durch die Bereitstellung eines möglichst symmetrischen und homogenen Stroms eines Prozessfluids durch die Prozesskammer kann die Bearbeitung eines Substrats entsprechend genau und präzise durchgeführt werden. Mit einer symmetrischen Durchströmung kann z.B. gewährleistet werden, dass über die (gesamte) Substratoberfläche hinweg eine vergleichbare oder gleiche Prozessgaskonzentration vorliegt und beispielsweise eine Abscheidung oder ein Ätzen (z.B. ALD oder ALE Prozess) entlang der Oberfläche entsprechend homogen erfolgt.
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Die Ventilsitze 21a-c des Vakuumregelventils sind symmetrisch um eine elektrostatische Haltevorrichtung 15 (Chuck) herum angeordnet. Auf der Haltevorrichtung 15 kann das zu bearbeitenden Substrat abgelegt und entsprechend mittels elektrostatischer Ladung gehalten werden. In anderen Worten ist der Chuck 15 dazu ausgelegt ein Substrat aufzunehmen und zumindest während eines Bearbeitungsprozesses zu halten.
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Durch diese konzentrische Anordnung des Chucks 15 und der Ventilsitze 21a-c kann eine Symmetrie bzw. Homogenität des Fluidflusses optimiert erreicht werden. Der Chuck 15 kann damit umlaufend weitegehend homogen umströmt werden, wobei gleichzeitig die Durchflussmengen durch die einzelnen Öffnungen 22a-c einzeln einstellbar sind. Hierdurch kann in Folge eine entsprechend grosse Homogenität hinsichtlich der Substratbearbeitung bereitgestellt werden.
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Zudem schafft die Anordnung des Ventils nahe am Chuck 15 und um den Chuck 15 herum eine vorteilhafte Begrenzung einer Teilchenströmung bzw. des Teilchenströmungsleitwerts im Bereich des Chucks 15 (insbesondere in der Schliessposition). Hierdurch liegt die Dichtlinie des Ventils vergleichsweise nahe am Chuck 15, also nahe am Ort der Substratbearbeitung. Dies führt unmittelbar zu einer verbesserten (homogenen) Substratbearbeitung.
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Durch ein beispielsweise schrittweises Annähern eines Ventiltellers an den zugehörigen Ventilsitz 21a-c kann der Öffnungsquerschnitt der betreffenden Ventilteilöffnung schrittweise, insbesondere fortlaufend, verkleinert werden.
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Damit stellt das Vakuumregelventil 20 auch die Möglichkeit bereit, einen Fluidstrom durch die Ventilöffnung(en) gezielt einzustellen. Soll also ein bestimmter Innendruck in der Hauptprozesskammer bereitgestellt werden, so kann mittels des Vakuumregelventils 20, eine bestimmte Menge (Masse oder Volumen) Fluid eingestellt werden, die pro Zeiteinheit abströmt. Als Regelgrösse kann hierbei z.B. ein mittels eines Drucksensors festgestellter Innendruck in der Hauptkammer 11 herangezogen werden. Alternativ kann der Öffnungsquerschnitt anhand einer vorbestimmten Regel gesteuert eingestellt und variiert werden.
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Es sei festgehalten, dass die Erfindung sich nicht allein auf Ausführungsformen mit drei Ventilteilöffnungen, Ventilsitzen und Ventiltellern beschränkt, sondern insbesondere auch auf solche Lösungen erstreckt, die jeweils zwei oder mehr als drei Ventilöffnungen, Ventilsitze und Ventilteller aufweisen.
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Die Aufteilung der Ventilgesamtöffnung auf eine Mehrzahl von Teilöffnung 22a-c bietet zudem den Vorteil, dass auch eine Mehrzahl von Ventilverschlüssen 23a-c bereitgestellt wird und damit die Masse jedes einzelnen Verschlusses individuell reduziert werden kann. Aufgrund der geringeren zu bewegenden Einzelmassen, lassen sich hierdurch deutlich kürzere Verstellzeiten realisieren, d.h. die Zeit, die benötigt wird, einen oder alle der Ventilverschlüsse aus einer Offenposition in eine Schliessposition (oder umgekehrt) zu verstellen, kann verkürzt werden.
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Zudem kann die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines nachteiligen Zuschnappens des Ventils bei sehr kleiner Ventilöffnung verringert werden, da die an den einzelnen Ventiltellern dabei anliegenden Kräfte jeweils deutlich kleiner sind, als die Kraft bei einem zusammenhängenden Ventilteller gleicher Fläche wäre, und entsprechend entgegenwirkende Haltekräfte konstruktiv einfacher realisierbar sind.
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Ein zunächst unsymmetrischer Fluidfluss durch die Kammer 11 kann mittels des erfindungsgemässen Vakuumregelventils 20 ausgeglichen werden. Durch die Bereitstellung unterschiedlicher Öffnungszustände der einzelnen Ventilteilöffnungen 22a-c, die zudem dynamisch anpassbar sind, kann eine Asymmetrie bezüglich des Gasflusses kompensiert werden. Hierzu können die Ventilverschlüsse 23a-c in unterschiedliche Stellungen (Anstände zu den jeweiligen Ventilsitzen) versetzt werden, wodurch jeweils unterschiedliche Öffnungsquerschnitte bereitgestellt sind. Das Abströmen des Fluids erfolgt dann nicht mehr zentrisch durch das Ventil, sondern auch innerhalb des Ventils unsymmetrisch bezüglich der Zentralachse.
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Durch unterschiedliche Öffnungszustände kann die Fluidströmung unterschiedlich stark über den Verlauf eines Kammerquerschnitts eingestellt werden. Mit anderen Worten kann das Strömungsverhalten eines Gases in unterschiedlichen Bereichen der Kammer unterschiedlich ausgeprägt eingestellt werden, z.B. können unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten an gegenüberliegenden Kammerwänden eingestellt werden.
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Durch eine solch variable Einstellung der Fluidströmung durch das Ventil 20 kann ein inhomogenes, ungleiches Strömungsverhalten - z.B. verursacht durch einen nichtzentralen Zufluss eines Prozessgases - so ausgeglichen werden, dass ein resultierendes Umströmen des Chucks 15 symmetrisch (homogen) ist.
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3 zeigt perspektivisch eine Ausführungsform eines Ventilsitzes 21 zusammen mit einem korrespondierenden Ventilteller 23 eines erfindungsgemässen Vakuumbearbeitungssystems.
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Der Ventilsitz 21 ist durch eine Platte verkörpert, welche die Form eines Ringsegments aufweist. Der Ventilsitz 21 definiert eine Ventilöffnung 22, durch welche ein Fluid (z.B. Prozessgas oder Precursor) strömen kann. Die Ventilöffnung 22 wird von einer Dichtfläche mit einem Dichtelement 25 umlaufen. Das Dichtelement 25 (und die Dichtfläche) ist an der Unterseite des Ventilsitzes 21 angeordnet, d.h. an der Seite, die im montierten und bestimmungsgemässen Zustand der Hauptprozesskammer 11 abgewandt ist.
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Der Ventilsitz 21 weist zudem an der der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite eine Struktur auf, die für ein Prozessfluid durchlässig ist und durchströmt werden kann. Die Struktur kann z.B. als ein Gitter, als eine perforierte Folie, lamellenförmig etc. ausgebildet sein. Die Struktur stellt eine vergrösserte Stabilität des Ventilsitzes 21 sowie ein Homogenisierung der Fluiddurchströmung bereit, d.h. durch eine mittels der Struktur bereitgestellte Mehrzahl an Durchtrittskanälen kann eine Strömung in einzelne Teilströmungen aufgeteilt werden und dadurch ein verbessertes laminares Strömungsverhalten erreicht werden.
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Alternativ kann der Ventilsitz 21 ohne die Struktur ausgeführt sein.
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Durch die plattenartige Ausgestaltung des Ventilsitzes 21 wird eine einfache und schnelle Montage bzw. ein Austausch des Sitzes 21 in einer Vakuumbearbeitungsvorrichtung, wie beispielsweise in 1 gezeigt, möglich. Die Ventilsitzplatte 21 kann von oben in die Prozesskammer (Hauptprozesskammer 11) eingelegt und fixiert werden und ebenfalls von oben entnommen werden, ohne dass eine aufwändige Demontage des restlichen Ventils oder der Kammer erforderlich ist. Die Ventilsitzplatte 21 kann beispielsweise durch eine Transferöffnung der Prozesskammer (nicht gezeigt), durch die das zu bearbeitende Substrat in die Kammer eingebracht und/oder entnommen werden kann, zugeführt oder entnommen werden.
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Der Ventilteller 23 korrespondiert in Form und räumlicher Ausdehnung mit dem Ventilsitz 21, insbesondere mit der Dichtung 25. Durch ein Anpressen des Tellers 23 von unten an die Dichtung 25 kann die Öffnung 22 gasdicht verschlossen werden. Der Ventilteller 23 weist an seiner Oberseite (nicht sichtbar) eine Kontaktfläche auf, die der Form und räumlichen Ausdehnung der Dichtung 25 bzw. der die Dichtung 25 tragenden Dichtfläche entspricht. Beim Schliessen des Ventils wird die Kontaktfläche mit der Dichtung 25 in Kontakt gebracht.
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Der Ventilteller 23 weist an seiner Unterseite zudem ein Kopplungselement 26 zur Kopplung der Antriebseinheit mit dem Teller 23 auf.
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Der Ventilteller 23 kann wie auch der Ventilsitz in einem erfindungsgemässen Vakuumbearbeitungssystem, insbesondere in der Nebenprozesskammer 12, von oben montiert werden. Hierzu kann der Teller 23 beispielsweise ebenso durch die über eine Transferöffnung der Prozesskammer (nicht gezeigt), durch die das zu bearbeitende Substrat in die Kammer eingebracht und/oder entnommen werden kann, zugeführt oder entnommen werden.
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Die dadurch vergleichsweise einfache Durchführbarkeit einer Demontage und/oder Montage sowohl des Ventilsitzes 21 als auch des Ventiltellers 23 ist insbesondere in Hinblick auf eine vorausschauende Wartung (predictive /preventive maintanance) oder eventuelle Reparaturarbeiten vorteilhaft. Beispielsweise werden die seitens der Ventilsitze 21a-c angeordneten Dichtelemente mit jeder Verstellung in die oder aus der Schliessposition Materialbelastungen ausgesetzt und müssen daher in regelmässigen Zyklen ersetzt oder erneuert werden. Aufgrund des vorteilhaften modularen Aufbaus kann für diese Wartungstätigkeit eine signifikante Zeitersparnis gegenüber herkömmlichen Ventillösungen realisiert werden.
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Es versteht sich, dass die dargestellten Figuren nur mögliche Ausführungsbeispiele schematisch darstellen. Die verschiedenen Ansätze können erfindungsgemäss ebenso miteinander sowie mit Verfahren und Vorrichtungen zum Regeln eines Volumenstroms oder Druckes in einem Prozessvolumen unter Vakuumbedingungen des Stands der Technik kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6629682 B2 [0008]
- US 6994311 B2 [0016]
