DE60300765T2

DE60300765T2 - Vorrichtung zur steuerung des drucks in einer prozesskammer und betriebsverfahren dafür

Info

Publication number: DE60300765T2
Application number: DE60300765T
Authority: DE
Inventors: Ernst Martin Eastbourne TOLLNER
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: Edwards Ltd
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2023-06-21
Also published as: WO2004001230A1; US20050217732A1; CN1662746A; GB0214273D0; CN100385123C; US7814922B2; EP1407148A1; JP2005530094A; ATE296959T1; DE60300765D1; AU2003250377A1; EP1407148B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Steuerung des Drucks in einer Prozesskammer und ein Verfahren zum Betreiben desselben (zum Beispiel US-A-5 534 706).
Der Druck in einer Halbleiterprozesskammer kann gesteuert werden, indem die Rate verändert wird, mit welcher Prozessgase aus der Kammer durch eine Vakuumpumpenanordnung abgeführt werden. Diese Pumpenanordnung kann eine erste Pumpeneinheit mit einer Turbomolekularpumpe und eine zweite Pumpeneinheit mit einer Vorpumpe umfassen.
Die erste Pumpeneinheit kann einen Einlaß haben, der in Strömungsverbindung mit einem Auslaß der Halbleiterprozesskammer steht, und die zweite Pumpeneinheit hat einen Einlaß in Strömungsverbindung mit dem Auslaß der ersten Pumpeneinheit und einen Auslaß, der in die Atmosphäre ausbläst.
Es werden verschiedene Prozessgase in verschiedenen jeweiligen Halbleiterprozessverfahren verwendet, und für jedes Gas gibt es eine gewünschte Beziehung zwischen Kammerdruck und Strömungsrate durch die Kammer. Daher muß für jedes Gas der Kammerdruck während der Halbleiterverarbeitung genau gesteuert werden.
Es sind verschiedene Anordnungen vorgeschlagen worden, um den Druck in der Halbleiterprozesskammer zu steuern. Bei einer solchen Anordnung ist ein Drosselventil zwischen dem Auslaß der Halbleiterprozesskammer und dem Einlaß der ersten Pumpeneinheit vorgesehen. Solche Drosselventile sind verhältnismäßig groß und teuer, und sie können die Ursache einer Verunreinigung in der Kammer sein, was in niedrigerer Ausbeute von Halbleiterprodukten resultiert. Die regelmäßige Reinigung des Ventils ist erforderlich, was unzweckmäßig ist, da es das Anhalten des Produktionsprozesses und das Öffnen der Kammer zum Reinigen des Systems erfordern kann.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, ein Drosselventil zwischen der ersten Pumpeneinheit und der zweiten Pumpeneinheit vorzusehen. Die erste Pumpeneinheit umfasst im allgemeinen eine Turbomolekularpumpe, und die Verwendung eines Drosselventils stromab derselben ist als nicht wünschenswert erachtet worden, weil die Steigerung des Vordrucks der Pumpe auf Werte, bei denen die Steuerung des Ventils Veränderungen des Drucks der Prozesskammer bewirkt, die Pumpe zum Überschreiten ihrer thermischen Grenze veranlasst. Dies verursacht einen Ausfall der Pumpe. Außerdem hat sich gezeigt, daß das Drosselventil nur zur Drucksteuerung in der Kammer über einen relativ engen Betriebsbereich zwischen einem voll geöffneten Zustand und einem voll geschlossen Zustand des Ventils wirksam ist, was bedeutet, daß eine genaue Steuerung des Ventils erforderlich ist. Es ist wünschenswert, eine Strömungssteuereinheit vorzusehen, wie beispielsweise eine ein Drosselventil aufweisende Einheit zwischen der ersten Pumpeneinheit und der zweiten Pumpeneinheit ohne Überschreitung der thermischen Grenze der ersten Pumpeneinheit vorzusehen, die vorzugsweise auch über einen erhöhten Betriebsbereich des Kammerdrucks wirksam ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Geräts zur Steuerung des Drucks in einer Prozesskammer, wobei das Gerät eine erste Pumpeneinheit mit einem Einlaß, der in Strömungsverbindung mit einem Auslaß der Prozesskammer steht, und eine zweite Pumpeneinheit mit einem Einlaß aufweist, der in Strömungsverbindung mit einem Auslaß der ersten Pumpeneinheit über eine Strömungssteuereinheit steht, die eine variable Strömungsteuereinrichtung mit variabler Konduktanz zur Steuerung des Auslaßströmungsmitteldrucks am Auslaß der ersten Pumpeneinheit enthält, wobei das Verfahren die Steuerung der Drehzahl der ersten Pumpeneinheit zur Steigerung des Bereichs der Kammerdrücke umfasst, über welchen die Steuerung des Auslassströmungsmitteldrucks Änderungen in dem Kammerdruck erzeugt, ohne daß die thermische Grenze und/oder die Motorabwürggrenze der ersten Pumpeneinheit überschritten wird.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch ein Gerät zur Steuerung des Drucks in einer Prozesskammer, wobei das Gerät eine erste Pumpeneinheit mit einem Einlaß zur Strömungsverbindung mit einem Auslaß der Prozesskammer, eine zweite Pumpeneinheit mit einem Einlaß zur Strömungsverbindung mit einem Auslaß der ersten Pumpeneinheit über eine Strömungssteuereinheit aufweist, die eine variable Strömungssteuereinrichtung mit variabler Konduktanz zur Steuerung des Strömungsmitteldrucks am Auslaß der ersten Pumpeneinheit umfasst, und Mittel zur Steuerung der Drehzahl der ersten Pumpeneinheit aufweist, um den Bereich von Kammerdrücken zu vergrößern, über welchen die Steuerung der variablen Strömungssteuereinrichtung Änderungen des Kammerdrucks erzeugt, ohne die thermische Grenze und/oder die Motorabwürggrenze der ersten Pumpeneinheit zu überschreiten.
Weitere Aspekte der Erfindung sind in den anliegenden Patentansprüchen definiert.
Damit die vorliegende Erfindung richtig verstanden wird, werden verschiedene Ausführungsformen hiervon, die nur beispielshalber angegeben werden, nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
1 ein Gerät zur Steuerung des Drucks in einer Prozesskammer,
2 eine vereinfachte Seitenansicht einer variablen Strömungssteuereinrichtung in einem Kanal zwischen einer ersten Pumpeneinheit und einer zweiten Pumpeneinheit,
3 eine Grafik des Kammerdrucks über dem Ventilwinkel eines Halbleiterverarbeitungssystems,
4 eine den Zusammenhang zwischen Einlassdruck und Auslassdruck für eine herkömmliche Pumpeneinheit darstellende Grafik,
5 eine Grafik des Einlassdrucks über der Prozessgasströmung für zwei Prozessgase,
6 eine Grafik des Einlassdrucks über der Pumpendrehzahl,
7 eine Grafik des Einlassdrucks über dem Auslassdruck für eine erste Pumpeneinheit,
8 eine Grafik des Kammer- bzw. Einlassdrucks über der Pumpendrehzahl, die Motorabwürgdrehzahlen zeigt,
9 eine Grafik, welche den Druckabfall über einer variablen Strömungssteuereinheit gegenüber dem Ventilwinkel des Geräts zeigt,
10 eine Grafik des Verdichtungsverhältnisses einer ersten Pumpeneinheit über dem Ventilwinkel einer variablen Strömungssteuereinrichtung,
11 eine Grafik des Druckabfalls über einer variablen Strömungssteuereinrichtung über dem Ventilwinkel des Geräts, wie auch einen Betriebsbereich zeigt,
12 eine Grafik des Kammerdrucks über dem Ventilwinkel, die auch einen Betriebsbereich zeigt,
13 eine Grafik des Druckabfalls über einer variablen Strömungssteuereinrichtung über dem Ventilwinkel, die auch einen Betriebsbereich zeigt und die Leistung einer herkömmlichen Anordnung gegenüber einer Anordnung nach der Erfindung vergleicht,
14 eine schematische Darstellung einer Strömungssteuereinheit gemäß einer Ausführungsform,
15 eine schematische Darstellung einer Strömungssteuereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
16 eine Grafik des Ventilwinkels über dem Vordruck für die zweite Ausführungsform.
Gemäß 1 hat eine Halbleiterprozesskammer 10 einen Einlaß in Strömungsverbindung mit einem stromaufwärtigen Ventil 12 zur Steuerung des Einleitens von Prozessgasen in die Prozesskammer. Es gibt viele verschiedene Arten von Gasen, die bei der Verarbeitung von Halbleiterprodukten eingesetzt werden. Diese Gase können beispielsweise Stickstoff Argon oder Chlor sein. Es versteht sich, daß die molekulare oder atomare Konfiguration solcher Gase in weitem Maße variiert und unterschiedliche Anforderungen an die Pumpenanordnung stromab der Kammer 10 stellt sowie auch verschiedene Kammerdrücke erfordert.
Ebenso wie Halbleiterprozesskammern ist auch die Pumpenanordnung zur Steuerung des Drucks in anderen Arten von Prozesskammern verfügbar.
Die Kammer 10 hat einen Auslaß, der in Strömungsverbindung mit einem Einlaß einer ersten Pumpeneinheit 14 steht, die, wie dargestellt, eine Turbomolekularpumpe (TMP) umfasst, die Turbomolekular-, Molekular-, Holweck- und regenerative Stufen oder Kombinationen davon umfassen kann. In den Einlaß der Turbomolekularpumpe eintretendes Gas wird durch die verschiedenen Stufen der Pumpe verdichtet und am Auslaß der ersten Pumpeneinheit durch eine zweite Pumpeneinheit 16 abgesaugt. In 1 ist die zweite Pumpeneinheit eine Vorpumpenkombination, die vorzugsweise eine trocken arbeitende Vakuumpumpe umfasst, die mit irgendeinem bekannten Mechanismus wie beispielsweise Schrauben-, Regenerativ-, Membran-, Schnecken- oder Kolbenpumpen arbeiten kann, die alle in der Vakuumindustrie bekannt sind. Die zweite Pumpeneinheit bläst in die Atmosphäre aus.
Eine Strömungssteuereinheit 18 ist vorgesehen und steuert die Strömung zwischen dem Auslaß der ersten Pumpeneinheit 14 und dem Einlaß der zweiten Pumpeneinheit 16. Es ist wünschenswert, die Strömungssteuereinheit 18 relativ nahe und vorzugsweise so nahe wie praktisch möglich am Auslaß der ersten Pumpeneinheit 14 anzuordnen, so daß der Kammerdruck schnell auf die Steuerung der Strömungssteuereinheit anspricht. Das Positionieren der Strömungssteuereinheit auf diese Weise bedeutet, daß Ihre Steuerung eine relativ schnelle Wirkung auf den Pumpenauslassdruck hat.
Ein Druckmesser 19 überwacht den Kammerdruck. Der Druckmesser sendet ein Signal zu einer Steuereinheit 21, die es mit einem gewünschten Kammerdruckwert vergleicht und ein Steuersignal zur Strömungssteuereinheit 18 erzeugt, um die Strömung zwischen der ersten Pumpeneinheit 14 und der zweiten Pumpeneinheit 16 zu steuern. Die Steuereinheit kann manuell oder automatisch betätigt werden.
Die Drehzahl der TMP kann durch eine Bedienungsperson unter Verwendung eines Drehzahlwählers für jeden Prozeß durch Anwendung der unten angegebenen Zusammenhänge gewählt werden, und dann wird diese vorgegebene Drehzahl durch inaktive Steuerung oder regulierung durch einen Computer oder durch die Bedienungsperson an der Steuereinheit aufrechterhalten.
P_Inlet = f(Q, ω, N)
T_TMP = f(Q, ω, P_Exhaust, P_Inlet, k)
ω_Stall = f(P_Inlet, N)
ω ist derart, daß
P_Inlet < P_Required
T_TMP < T_Limit
ω < ω_Stall
wobei Q = Gasmassenströmungsdurchsatz
ω = Drezahl der TMP
N = Molekularmasse des Gases
k = Wärmeleitfähigkeit des Gases
P_Exhaust = TMP-Auslaßdruck
P_Inlet = TMP-Einlaßdruck
P_required = erforderlicher TMP-Einlaßdruck für den jeweiligen Prozeß
ω_Stall = Abwürgedrehzahl des TMP-Motors
T_TMP = TMP-Wärmepegel
T_limit = Thermische Grenze der TMP
2 zeigt eine variable Strömungssteuereinrichtung 20, die einen Teil der Strömungssteuereinheit 18 bildet. Wie dargestellt, ist die Strömungssteuereinrichtung ein Klappenventil, das in einem Kanal 25 zwischen der ersten Pumpeneinheit 14 und der zweiten Pumpeneinheit 16 angeordnet ist. Eine Platte 22 ist steuerbar um eine Achse 24 schwenkbar, wie durch die Pfeile in der Figur gezeigt ist. Wenn das Ventil geschlossen ist, liegt die Platte 22 in einer Ebene senkrecht zur Strömungsmittelströmung von der ersten Pumpeneinheit 14 zur zweiten Pumpeneinheit 16, wodurch ein maximaler Strömungswiderstand geschaffen wird. Wenn es vollständig geschlossen ist, hat das Ventil seine niedrigste Kon duktanz. Wenn die Platten in einer Ebene parallel mit der Strömungsmittelströmung liegt und daher vollständig geöffnet ist, ist ein minimaler Strömungswiderstand vorhanden. Wenn es vollständig geöffnet ist, hat das Ventil seine höchste Konduktanz. Das Schließen des Ventils vermindert die Konduktanz und steigert daher den Auslassströmungsdruck am Auslaß der TMP (d. h. den Vordruck oder Auslassdruck). Das Öffnen des Ventils steigert die Konduktanz und vermindert den Vordruck.
Für eine beispielsweise Massenströmungsrate von 200 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) für eine gegebene Prozessgasströmung durch eine gegebene Turbomolekularpumpe ist der Zusammenhang zwischen dem Ventilwinkel der variablen Strömungssteuereinrichtung 20 und dem Kammerdruck wie in 3 dargestellt. Der Ventilwinkel wird als Prozentsatz ausgedrückt, wobei 100% bedeuten, daß das Ventil vollständig geöffnet ist, und 0% bedeuten, daß das Ventil vollständig geschlossen ist. Nur ein Teil der Grafik zwischen 40% und 25% ist gezeigt. Das Schließen des Ventils aus einem vollständig geöffneten Zustand hat keine Wirkung auf den Kammerdruck, bis der Ventilwinkel etwa 29% erreicht, was der Winkel ist, bei welchem ein kritischer Vordruck der Pumpe auftritt. Oberhalb des kritischen Vordrucks bewirken Veränderungen des Vordrucks Veränderungen des Einlassdrucks (d. h. des Kammerdrucks).
4 zeigt verschiedene Massenströmungsdurchsätze für ein beispielsweises Prozessgas, wobei der Auslassdruck über dem Einlassdruck bzw. dem Kammerdruck für einen TMP aufgetragen ist, die unter normalen Bedingungen arbeitet. Bei normalen Bedingungen wird die Pumpe mit ihrer maximal aufrecht erhaltbaren Drehzahl betrieben, um die Pumpeneffizienz zu maximieren. Man sieht in 4, daß bei allen Auslassdrücken unterhalb des kritischen Vordrucks (mit "X" markiert) für jeden Massenströmungsdurchsatz keine Veränderung des Einlassdrucks erfolgt. Wenn jedoch der Auslassdruck gesteigert wird, wird die thermische Grenze überschritten. Bei niedrigen Strömungsdurchsätzen wird die thermische Grenze schon bei Drücken überschritten, die niedriger als die jeweiligen kritischen Vordrucke sind. Bei höheren Strömungsdurchsätzen ist nur ein relativ kleiner Bereich von Auslassdrücken oberhalb des kritischen Vordrucks, aber unterhalb der thermischen Grenze der Pumpe vorhanden. 4 zeigt, daß unter normalen Bedingungen der Einsatz eines Ventils zwischen der TMP und der Vorpumpe zur Steuerung des Drucks in der Prozess kammer nur über einen relativ kleinen Bereich von Auslassdrücken (oder überhaupt nicht) wirksam ist, ohne die thermische Grenze der ersten Pumpeneinheit zu überschreiten.
5 zeigt eine Grafik, die den Pumpeneinlassdruck über dem Massenströmungsdurchsatz für zwei Prozessgase aufträgt, die durch die Kammer bei einem Halbleiterverarbeitungsverfahren strömen, wobei die Pumpe mit 100% bzw. voller Drehzahl läuft. Die aufgetragenen Prozessgase sind N₂ und Ar. Man sieht, daß mit zunehmender Strömung der Kammerdruck ebenfalls für diesen Strömungsdurchsatz zunimmt. Beispielsweise bei 150 sccm für Ar beträgt der Kammerdruck etwa 3 mtorr, und bei 500 sccm für N₂ beträgt der Druck etwa 8 mtorr.
Es hat sich gezeigt, daß Turbomolekularpumpen, insbesondere in Kombination mit Molekularpumpen, Kammerdrücke deutlich unterhalb denjenigen erzeugen, die erforderlich sind, um den in 5 gezeigten Zusammenhang zu erfüllen. 6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Drehzahl einer TMP und dem Einlaß- bzw. Kammerdruck. 6 zeigt diesen Zusammenhang für einen Massenströmungsdurchsatz von Ar bei 150 sccm, der einen Kammerdruck von 9 mtorr erfordert, und einen Massenströmungsdurchsatz von N₂ bei 500 sccm, der einen Kammerdruck von 90 mtorr erfordert. Bei 500 sccm N₂ beträgt der erreichte Kammerdruck bei Betrieb der Pumpe mit 100% Drehzahl etwa 8 mtorr. Daher kann die Drehzahl reduziert werden, und, wie gezeigt, erst bei etwa 58% wird der erforderliche Kammerdruck von 90 mtorr überschritten. Für 150 sccm Ar ist noch eine Drehzahl von 58% in der Lage, Drücke unterhalb des erforderlichen Drucks von 9 mtorr zu erreichen. Dementsprechend ist klar, daß die Pumpendrehzahl reduziert werden kann, während der erforderliche Kammerdruck immer noch erreicht wird.
7 zeigt den gleichen Zusammenhang die 4 zwischen dem Auslassdruck und dem Einlassdruck, aber in 7 wird die Pumpendrehzahl so gesteuert, daß der Bereich der Kammerdrücke vergrößert wird, über welchen eine Änderung des Auslassdrucks Änderungen des Kammerdrucks erzeugen, ohne daß die thermische Grenze des TMP überschritten wird. Wie in 7 gezeigt ist, ist die thermische Grenze so erhöht worden, daß die Steuerung des Kammerdrucks ohne Überschreiten dieser Grenze möglich ist. Mit anderen Worten, die kritischen Vordrucke, oberhalb derer eine Änderung des Auslassdrucks den Kammerdruck beeinflusst, fallen nützlicherweise unter den Auslassdruck, bei welchem die thermische Grenze überschritten wird. Dementsprechend, wenn die Drehzahl der Pumpe auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird, steigert dies den Bereich von Drücken oberhalb des kritischen Vordrucks und unterhalb eines Drucks, bei welchem die thermische Grenze überschritten wird, erlaubt aber immer noch das Erreichen eines erforderlichen Kammerdrucks für ein gegebenes Prozessgas bei einem gegebenen Strömungsdurchsatz. Die Pumpendrehzahl kann auf 90%, 80% oder 70% nach Bedarf oder 66% wie im obigen Beispiel begrenzt werden. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Problemen bezüglich der thermischen Grenze der Pumpe gibt es ein weiteres Problem, das die Abwürgedrehzahl der Pumpe betrifft. Dieses letztere Problem wird besonders akut, wenn relativ hohe Kammerdrücke erforderlich sind, beispielsweise Drücke oberhalb 0,5 Torr. Dieses Problem tritt auf, weil hohe Einlassdrücke das Abwürgen des Pumpenmotors verursachen können. Jedoch schwächt, wie in 8 gezeigt, das Reduzieren der Pumpendrehzahl dieses Problem ab, was das Erreichen relativ hoher Kammerdrücke ohne Abwürgen der Pumpe ermöglicht. 8 zeigt Kennlinien einer TMP als Funktion der Pumpendrehzahl und des Kammerdrucks für ein relativ leichtes Gas wie beispielsweise N₂ und ein relativ schweres Gas wie beispielsweise Ar. Die Pumpe wird abgewürgt, wenn sie in dem Bereich oberhalb der Kurven für das jeweilige Gas betrieben wird. Wie man aus dieser Grafik sieht, steigert das Reduzieren der Drehzahl der Pumpe die möglichen Kammerdrücke vor dem Abwürgen. Beispielsweise kann ein erforderlicher Kammerdruck von etwa 1,25 Torr für N₂ erreicht werden, wenn die Pumpendrehzahl unter etwa 87% reduziert wird. Derselbe erforderliche Kammerdruck von 1,25 Torr für Ar kann erreicht werden, wenn die Pumpendrehzahl unter etwa 73% reduziert wird. Daher erhöht das Reduzieren der Pumpendrehzahl die mögliche obere Kammerdruckgrenze ohne Abwürgen der Pumpe.
Kombiniert man die Erkenntnisse nach den 7 und 8, ist klar, daß eine Reduzierung der Pumpendrehzahl den Bereich von erreichbaren Kammerdrücken zwischen einer durch das thermische Verhalten der Pumpe gesetzten Grenze und einer Grenze erhöht, bei welcher ein Abwürgen auftritt.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Problemen existiert ein weiteres Problem dahingehend, daß das Ventil zur Steuerung des Auslassdrucks zu empfindlich ist und dessen Steuerung eine Kammerdruckänderung über einen relativ kleinen Bereich bewirkt. Die Strömungssteuereinheit 18 in 1 umfaßt eine variable Strömungssteuereinrichtung, wie oben beschrieben, und eine weitere Strömungssteuereinrichtung, die bei einem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eine feste Drosselöffnung und in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine zweite variable Strömungssteuereinrichtung ist. Bevor jedoch die Wirkung der weiteren Strömungssteuereinrichtung mehr im einzelnen beschrieben wird, ist es zum Verständnis und zum Vergleich nützlich, eine Strömungssteuereinheit zu beschreiben, die nur eine erste variable Strömungssteuereinrichtung aufweist, aber die weitere Strömungssteuereinrichtung wegzulassen. Eine solche letztere Strömungssteuereinheit wird nun unter Bezug auf die 3 und 9 bis 11 beschrieben.
Das Steuern der variablen Strömungssteuereinrichtung 20 derart, daß die Strömung reduziert wird (d. h. die Konduktanz der Strömungsteuereinheit reduziert wird, erhöht den Vordruck der ersten Pumpeneinheit 14. Eine Erhöhung der Konduktanz der Strömungssteuereinheit reduziert den Vordruck. Jedoch ist der Zusammenhang zwischen der Konduktanz der variablen Strömungssteuereinrichtung und dem Ventilwinkel der Einrichtung nicht linear.
9 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Druckabfall über dem Ventil 20 und dem Ventilwinkel. Es gilt die folgende Beziehung: Konduktanz = Massenströmungsdurchsatz/Druckabfall.
Die Kondutkanz ist daher umgekehrt proportional zum Druckabfall. Der Ventilwinkel wird als Prozentsatz ausgedrückt, wobei 100% bedeutet, dass das Ventil vollständig offen ist, und 0% bedeutet, daß das Ventil vollständig geschlossen ist. 9 zeigt den Zusammenhang für einen konstanten Massenströmungsdurchsatz von 200 sccm. Man sieht aus 9, daß ein Schließen des Ventils aus der vollständig geöffneten Position eine relativ geringe Veränderung des Druckabfalls über einen Bereich von 100% bis etwa 60% bewirkt. Ein weiteres Schließen bewirkt eine zunehmende Veränderung des Druckabfalls, wie man aus der steilen Kurve über den Ventilwinkelbereich von etwa 40% bis etwa 27% ersehen kann.
Der kritische Vordruck tritt bei einem relativ steilen Teil der in 9 gezeigten Kurve auf, wo der Auslassdruck sich relativ schnell ändert. Daher erzeugen Änderungen des Ventilwinkels oberhalb des kritischen Vordrucks schnelle Änderungen des Kammerdrucks, wie in der oben in Bezug genommenen 3 gezeigt ist. Eine Veränderung des Kammerdrucks von 0,02 auf 0,2 Torr wird durch eine Veränderung des Ventilwinkels von nur etwa 2% bewirkt. Man sieht daher, daß eine nur relativ kleine Veränderung des Ventilwinkels eine große Veränderung des Kammerdrucks bewirkt, was bedeutet, daß eine genaue Steuerung des Ventils erforderlich ist. Unterschiedliche Pumpen können unterschiedliche kritische Vordrucke haben.
10 zeigt eine Grafik, welche den Zusammenhang zwischen dem Ventilwinkel der variablen Strömungssteuereinrichtung und dem Druckverhältnis der ersten Pumpeneinheit 14 darstellt. Das Verdichtungsverhältnis der ersten Pumpeneinheit 14 ist gleich dem Druck am Auslaß der ersten Pumpeneinheit bzw. dem Rückdruck (9), geteilt durch den Druck am Einlaß der ersten Pumpeneinheit (d. h. Kammerdruck, wie in 3 dargestellt). Wie man sieht, erzeugt ein Schließen des Ventils aus dem voll geöffneten Zustand eine relativ schwache Steigerung des Druckverhältnisses, das zunimmt, bis der kritische Vordruck bei 29% Ventilwinkel erreicht ist. Dieser Teil der Kurve wird durch die Kurve nach 9 bestimmt. Ein Schließen des Ventils vom kritischen Vordruck erzeugt ein scharfes Ansteigen des Einlassdrucks der ersten Pumpeneinheit 14 und daher eine scharfe Abnahme des Druckverhältnisses. Dieser Teil der Grafik ist durch die Kurven in den beiden 3 und 9 bestimmt. Das Ventil sollte nicht vollständig geschlossen sein, wenn die Pumpe arbeitet, da dies die Pumpe beschädigen würde. Der kritische Winkel des Ventils tritt, wie dargestellt, beim kritischen Vordruck der ersten Pumpeneinheit 14 auf.
Ein Betriebsbereich des Kammerdrucks ist in 11 durch den schraffierten Bereich dargestellt. Um diesen Kammerdruckbetriebsbereich zu erreichen, muß die variable Strömungssteuereinrichtung 18 in der Lage sein, den Druckabfall im Betriebsbereich oberhalb des kritischen Vordrucks für die Pumpe für ein gewähltes Prozessgas und einen gewählten Strömungsdurchsatz zu variieren. Dieser Bereich von Druckabfallwerten wird bei dem verhältnismäßig steilen Teil der Kurve erreicht, wo der kritische Winkel auftritt und daher der Betriebsbereich der Steuerung der variablen Strömungssteuereinrichtung zwischen einem Ventilwinkel von etwa 27° und 29° liegt.
Die nachstehend weiter beschriebenen Ausführungsformen erhöhen den Betriebsbereich der variablen Strömungssteuereinrichtung 20, die eine Änderung des Kammerdrucks er zeugt. Dies wird durch Verminderung der gesamten bzw. der summierten Konduktanz der Strömungssteuereinheit 18 erreicht, so daß der Betriebsbereich im flacheren Teil der Ventildruckabfallkurve auftritt. Die Konduktanz wird vermindert, indem die Strömungssteuereinheit 18 mit einer weiteren Strömungssteuereinrichtung vorgegebener oder variabler Konduktanz versehen wird. Wie in 13 gezeigt ist, ist die Kurve B durch eine Steigerung von etwa 1,6 Torr (d. h. abnehmende Konduktanz) verschoben worden, so daß, wenn das Ventil vollständig geöffnet ist, es sich bereits in seinem Betriebsbereich befindet, und eine Schließung des Ventils eine Änderung des Kammerdrucks bewirkt. Dies ist nicht der Fall bei der Kurve A, welche die Kurve für eine Strömungssteuereinheit ist, bei welcher die weitere Strömungssteuereinrichtung weggelassen ist, und die erst an einem relativ steilen Teil der Kurve in den Betriebsbereich eintritt, wenn der Ventilwinkel etwa 29% beträgt.
Man sieht, daß der Bereich von Ventilwinkeln für die Kurve B zwischen etwa 100% und etwa 40% (siehe mit B bezeichnete Pfeile) Änderungen des Kammerdrucks bewirkt, und daher kann die Steuerung der variablen Strömungssteuereinrichtung weniger empfindlich als im Falle der Kurve A (siehe mit A bezeichnete Pfeile) sein.
Es ist zu bevorzugen, daß die Konduktanz der weiteren Strömungssteuereinrichtung derart ist, daß, wenn die variable Strömungssteuereinrichtung vollständig geöffnet ist, die erste Pumpeneinheit sich nahe und vorzugsweise an ihrem kritischen Vordruck befindet. Mit dieser Anordnung bewirkt irgendein Schließen der variablen Strömungssteuereinrichtung aus dem voll geöffneten Zustand eine Änderung des Kammerdrucks.
In 14 ist die weitere Strömungssteuereinrichtung in Form einer festen Drosselöffnung 26 zur Verminderung der Konduktanz der Strömungssteuereinheit 18 gezeigt. Die variable Strömungssteuereinrichtung, das Klappenventil 20, ist parallel zur und radial einwärts mit Bezug auf die Drosselöffnung 26 angeordnet. Aus einem Vergleich von 14 mit 2 ist ersichtlich, daß ein größerer Strömungswiderstand besteht, wenn das Klappenventil in 14 voll geöffnet ist, als in 2. Die Bemessung der Öffnung 26 ist entsprechend der Eigenschaften der ersten Pumpeneinheit 14 gewählt und insbesondere im Hinblick auf deren kritischen Vordruck. Mit anderen Worten, die Konduktanz der weiteren Strömungssteuereinrichtung ist so gewählt, daß die variable Strömungssteuereinrichtung eine Steuerung des Kammerdrucks über den flachen Teil der Kurve nach 13 bewirkt. Vorzugsweise ist die Konduktanz der weiteren Strömungssteuereinrichtung so gewählt, daß, wenn die variable Strömungssteuereinrichtung vollständig geöffnet ist, das Schließen des Ventils eine Änderung des Kammerdrucks bewirkt.
14 zeigt eine mögliche Form der weiteren Strömungssteuereinrichtung mit fester Konduktanz. Jedoch sind andere Formen möglich und können in gewissen Situationen bevorzugt werden. Beispielsweise kann eine Drosselplatte oder ein Kugelventil eingesetzt werden. Der Kanalquerschnitt zwischen der ersten Pumpeneinheit 14 und der zweiten Pumpeneinheit 16 kann so bemessen werden, daß die Strömung nach Bedarf gedrosselt wird. Die weitere Strömungssteuereinrichtung ist vorzugsweise in Reihe mit der variablen Strömungssteuereinrichtung angeordnet und kann entweder stromauf oder stromab desselben angeordnet sein.
Eine alternative Anordnung der Strömungssteuereinheit ist in 15 gezeigt, in welcher zwei variable Strömungssteuereinrichtungen in Reihe angeordnet sind. Die variable Strömungssteuereinrichtung besteht, wie gezeigt, aus einem ersten Klappenventil 28, und die weitere Strömungssteuereinrichtung, wie dargestellt, besteht aus einem zweiten Klappenventil 30. Das erste Klappenventil dient zum Herstellen von Feineinstellungen des Kammerdrucks, und das zweite Klappenventil dient zum Herstellen relativ größerer Einstellungen des Kammerdrucks.
16 zeigt den Betrieb der Strömungssteuereinheit 18 in 15. In 16 ist der Ventilwinkel des ersten Klappenventils 28 über dem Druck stromauf des Ventils bzw. dem Vordruck der ersten Pumpeneinheit 14 aufgetragen. Für jede Kurve der Grafik ist der Ventilwinkel und daher die Konduktanz des zweiten Klappenventils eine feste Größe. Die Konduktanz des zweiten Klappenventils ist daher so gewählt, daß die variable Strömungssteuereinrichtung die Steuerung des Kammerdrucks über den flachen Teil der Kurve bewirkt, und ist vorzugsweise so gewählt, daß, wenn die variable Strömungssteuereinrichtung vollständig geöffnet ist, ein Schließen des Ventils eine Veränderung des Kammerdrucks bewirkt. Eine Veränderung des Ventilwinkels des ersten Klappenventils steuert den Vordruck entlang jeder Kurve und folglich den Kammerdruck. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, daß die Strömungssteuereinrichtung für einen Betrieb mit irgendeiner einer Vielzahl verschiedener Pumpen mit verschiedenen unterschiedlichen kritischen Vordrucken geeignet ist. Die Konduktanz des zweiten Klappenventils wird entsprechend den Eigenschaften der ersten Pumpeneinheit 14 ausgewählt, und dann wird im Betrieb das erste Klappenventil zur Steuerung des Drucks in der Prozesskammer gesteuert.
Ein Kammerdruck-Steuerverfahren und eine Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung sind bei einem Aluminiumätzwerkzeug implementiert worden, und Vergleiche der Leistung dieses verbesserten Systems sind mit derjenigen eines herkömmlichen Einlassdrosselventils gemacht worden. Das für diese Vergleiche benutzte Werkzeug war ein 200 Millimeter -LAM-TCT9600SE-Metallätzwerkzeug in Alleinanordnung. Signifikante Verbesserungen der Halbleiterplättchenqualität sind über eine Testperiode von acht Monaten festgestellt worden.
Erstens kann eine signifikante Verringerung (38%) der Anzahl von auf jedem Plättchen niedergeschlagenen Teilchen (mit einem Durchmesser von mehr als 0,2) im Vergleich zum herkömmlichen System festgestellt werden. Diese Verringerung der Teilchenzahl korreliert direkt mit einer Verringerung der Anzahl von pro Metallschicht festgestellten Defekten. Defekte sind dort, wo solche großen Teilchen mit der Plättchengeometrie so interferrieren, daß Kurzschlüsse und dergleichen gebildet werden. Diese Reduktion der Defekte beträgt etwa 30% im Vergleich zum herkömmlichen Gerät.
Da die Anzahl dieser Effekte reduziert worden ist, ist eine Gesamtverbesserung der Produktivität ersichtlich. Die geschätzte Verbesserung der Gesamtausbeute eines fünfschichtigen Metallelements beträgt etwa 1,5% über dem herkömmlichen Gerät.
Des weiteren bewirkt der verringerte Pegel des Teilchenniederschlags in der Prozesskammer, daß die mittlere Zeit zwischen einer Abschaltung zum Zweck der Wartung und der nächsten verlängert werden kann. Mit anderen Worten, die Dauer der Betriebsperioden kann gesteigert werden, da Reinigungsvorgänge weniger oft vorgesehen werden können, was zu weiteren Verbesserungen der Produktivitätswerte führt.
Es sind auch Verbesserungen in der Definition der Ätzgeometrie festgestellt worden, so daß die Qualität des Produkts weiter gegenüber mit einem herkömmlichen Gerät erzeugten Produkten gesteigert wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Geräts zur Steuerung des Drucks in einer Prozesskammer (10), wobei das Gerät eine erste Pumpeneinheit (14) mit einem Einlaß, der in Strömungsverbindung mit einem Auslaß der Prozesskammer steht, und eine zweite Pumpeneinheit (16) mit einem Einlaß aufweist, der in Strömungsverbindung mit einem Auslaß der ersten Pumpeneinheit über eine Strömungssteuereinheit (18) steht, die eine variable Strömungssteuereinrichtung (20; 28) mit variabler Konduktanz zur Steuerung des Auslassströmungsmitteldrucks am Auslaß der ersten Pumpeneinheit enthält, wobei das Verfahren die Steuerung der Drehzahl der ersten Pumpeneinheit zur Steigerung des Bereichs der Kammerdrücke umfaßt, über welchen die Steuerung des Auslassströmungsmitteldrucks Änderungen in dem Kammerdruck erzeugt, ohne daß die thermische Grenze und/oder die Motorabwürggrenze der ersten Pumpeneinheit überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Drehzahl der ersten Pumpeneinheit (14) auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird, der das Erreichen eines geforderten Kammerdrucks ermöglicht und welcher den Bereich des Auslassströmungsmitteldrucks oberhalb eines kritischen Drucks und unterhalb eines Drucks steigert, bei welchem die thermische Grenze der ersten Pumpeneinheit überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Drehzahl der ersten Pumpeneinheit (14) reduziert wird, damit der Auslassströmungsmitteldruck gesteigert werden kann, um relativ hohe Kammerdrücke ohne Abwürgen der ersten Pumpeneinheit zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei P_Inlet = f(Q, ω, N) T_TMP = f(Q, ω, P_Exhaust, P_Inlet, k) ω_Stall = f(P_Inlet, N) wobei ω derart ist, dass P_Inlet < P_Required T_TMP < T_Limit ω < ω_Stall wobei Q = Gasmassenströmungsdurchsatz ω = Drezahl der TMP N = Molekularmasse des Gases k = Wärmeleitfähigkeit des Gases P_Exhaust = TMP-Auslaßdruck P_Inlet = TMP-Einlaßdruck P_required = erforderlicher TMP-Einlaßdruck für den jeweiligen Prozeß ω_Stall = Abwürgedrehzahl des TMP-Motors T_TMP = TMP-Wärmepegel T_limit = Thermische Grenze der TMP
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches das Vermindern der Konduktanz der Strömungssteuereinheit (18) umfaßt, um dadurch den Betriebsbereich zu vergrößern, über welchen die Steuerung der variablen Strömungssteuereinrichtung (20; 28) Druckänderungen in der Prozesskammer (10) bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungssteuereinheit (18) eine weitere variable Strömungssteuereinrichtung (26; 30) aufweist und das Verfahren das Vermindern der Konduktanz der weiteren variablen Strömungssteuereinrichtung umfaßt, um den Betriebsbereich zu vergrößern, über welchen die Steuerung der variablen Strömungssteuereinrichtung Druckänderungen in einer solchen Prozesskammer bewirkt.
Gerät zur Steuerung des Drucks in einer Prozesskammer (10), wobei das Gerät eine erste Pumpeneinheit (14) mit einem Einlaß zur Strömungsverbindung mit einem Auslaß der Prozesskammer, eine zweite Pumpeneinheit (16) mit einem Einlaß zur Strömungsverbindung mit einem Auslaß der ersten Pumpeneinheit über eine Strömungssteuereinheit (18) aufweist, die eine variable Strömungssteuereinrichtung (20; 28) mit variabler Konduktanz zur Steuerung des Strömungsmitteldrucks am Auslaß der ersten Pumpeneinheit umfaßt, und Mittel zur Steuerung der Drehzahl der ersten Pumpeneinheit aufweist, um den Bereich von Kammerdrücken zu vergrößern, über welchen die Steuerung der variablen Strömungssteuereinrichtung Änderungen des Kammerdrucks erzeugt, ohne die thermische Grenze und/oder die Motorabwürggrenze der ersten Pumpeneinheit zu überschreiten.
Gerät nach Anspruch 7, wobei die Strömungssteuereinheit eine weitere Strömungssteuereinrichtung (26; 30) zur Verminderung der Gesamtkonduktanz der Strömungssteuereinheit aufweist, um dadurch den Betriebsbereich zu vergrößern, über welchen die Steuerung der variablen Strömungssteuereinrichtung Druckänderungen in einer solchen Prozesskammer bewirkt.
Gerät nach Anspruch 8, wobei die Konduktanz der weiteren Strömungssteuereinrichtung (26; 30) so gewählt ist, dass, wenn die variable Strömungssteuereinrichtung (20; 28) vollständig geöffnet ist, der Vordruck der ersten Pumpe (14) relativ nahe an oder oberhalb dem kritischen Vordruck ist.
Gerät nach Anspruch 8 oder 9, wobei die variable Strömungssteuereinrichtung (28) in Reihe mit der weiteren Strömungssteuereinrichtung (30) der Strömungssteuereinheit (18) angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 10, wobei die variable Strömungssteuereinrichtung stromab der weiteren Strömungssteuereinrichtung angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 10, wobei die variable Strömungssteuereinrichtung stromauf der weiteren Strömungssteuereinrichtung angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die variabele Strömungssteuereinrichtung (20; 28) parallel mit der weiteren Strömungssteuereinrichtung (26; 30) angeordnet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die weitere Strömungssteuereinrichtung (30) eine variable Konduktanz hat, die in Abhängigkeit vom kritischen Vordruck irgendeiner einer Mehrzahl verschiedener erster Pumpeneinheiten (14) gewählt werden kann.
Gerät nach Anspruch 14, wobei die weitere Strömungssteuereinrichtung (30) eine zweite variable Strömungssteuereinrichtung ist.
Gerät nach Anspruch 10, wobei die zweite variable Strömungssteuereinrichtung (30) ein Klappenventil ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei die variable Strömungssteuereinrichtung (20; 28) ein Klappenventil ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 15 oder 17, wobei die weitere Strömungssteuereinrichtung (26) eine Drossel in dem Kanal zwischen der ersten Pumpeneinheit und der zweiten Pumpeneinheit ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 15 oder 17, wobei die weitere Strömungssteuereinrichtung (26) eine Platte oder eine feste Drosselöffnung ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 15 oder 17, wobei die weitere Strömungssteuereinrichtung (26) ein Kugelventil oder Pendelventil ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 20, wobei der Betriebsbereich Änderungen des Drucks in einer solchen Prozesskammer (10) aus einem im allgemeinen voll geöffneten Zustand der variablen Strömungssteuereinrichtung (20; 28) bewirkt.
Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 21, wobei die erste Pumpeneinheit (14) eine Turbomolekularpumpe und die zweite Pumpeneinheit (16) eine Vorpumpe ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 22, wobei die erste Pumpeneinheit (14) und/oder die zweite Pumpeneinheit (16) zwei Pumpen in Reihe umfaßt.
Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 23, wobei die Strömungssteuereinheit (18) relativ nahe am Auslaß der ersten Pumpeneinheit (14) angeordnet ist, so dass der Kammerdruck schnell auf die Steuerung durch die Strömungssteuereinheit anspricht.
Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 24, wobei die Mittel zur Drehzahlsteuerung einen inaktiven Regler zum Regulieren der Drehzahl auf einem gewählten vorgegebenen konstanten Wert umfassen.