TW201819025A - 排氣系統、防止塵粒回流的裝置及方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種排氣系統及防止塵粒回流的裝置及方法，藉由即時監測真空泵的馬達轉速訊號及過濾器上游及下游的氣體壓力，當測得的馬達轉速等於或低於設定的第一轉速，並且測得的上下游壓力的差值達到為當前製程所設定的閾值時，控制閥門在馬達轉速下降到第二轉速之前關閉。因此，本發明可以在故障導致真空泵馬達轉速降低或停轉之前，先行關閉連通反應腔的排氣管路，對塵粒回流進行阻斷，有效避免反應腔內核心硬體因回流污染造成的損失。

Description

排氣系統、防止塵粒回流的裝置及方法

本發明涉及具有真空反應腔的半導體設備，特別涉及一種適用於上述半導體設備的排氣系統及防止塵粒回流的裝置及方法。

習知的MOCVD（有機金屬化學氣相沉澱）設備包含反應腔，藉由反應腔頂部設置的噴淋頭，分別將MO 源和作業氣體引入到噴淋頭進行混合後注入到反應腔內，作用於反應腔內一個可旋轉的加熱基座上，從而在該加熱基座上放置的基板片之上生長外延薄膜。

與反應腔的出氣口相連通的排氣管路上，依次設置有截止閥、過濾器、真空泵、廢氣處理器。正常的製程處理過程中，藉由真空泵抽氣，將反應腔內部的氣體以及反應生成物、副產物等灰塵顆粒抽走，使反應腔內處於真空負壓狀態。但是，在一些特殊情況下，例如真空泵的泵體出現故障時，截止閥尚未關閉，而泵內馬達的轉速已經開始下降，將導致過濾器下游的壓力上升；當下游壓力大於反應腔的腔體內部壓力時，在腔體和泵體之間過濾器上積聚的大量塵粒雜質，將迅速返流回反應腔，導致腔體內嚴重污染，甚至會將噴淋頭的噴氣孔堵塞。

例如，由於真空泵內冷卻水洩露、吹掃氣體N₂ 缺少等原因，導致泵體因過熱故障停機時可能出現上述塵粒回流的問題；其中，控制吹掃氣體N₂ 關閉時的延遲機制，也會進一步使回流加速，使不利影響擴大。或者，由於反應生成物的顆粒落入泵體導致其功率消耗突然增大，也可能導致突發超載故障；超載時，真空泵變頻器的運行頻率將自動調整，來阻止部件損壞。例如，在一個具體示例中，真空泵從頻率100Hz開始超載補償，當降低頻率至40Hz附近時，泵體的馬達轉速隨頻率降低而相應降低，此時如果檢測上下游壓力可知返流已經出現；但是，基於當前的控制機制，真空泵的控制系統延遲了5s以上才向外發送警報，期間頻率進一步降低至2.5Hz，卻沒有進行任何的軟體控制或硬體聯動操作；直到警報發出的5s以後，控制系統才發出相應的控制指令，對截止閥等進行關閉。即，原本用以指示頻率下降至40Hz的警報發送延遲，在延遲期間頻率持續降低至10Hz以下，造成塵粒回流進入反應腔。清洗受污染的反應腔、更換噴淋頭等部件至少耗時兩周，這樣造成長時間的生產停滯，產生巨額經濟損失。

本發明的目的在於提供一種排氣系統及防止塵粒回流的裝置及方法，在故障導致真空泵馬達轉速降低或停轉之前，先行關閉連通反應腔的排氣管路，對塵粒回流進行阻斷。

為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種防止塵粒回流的方法，用於具有反應腔的半導體設備，所述反應腔的出氣口與排氣管路連通，該排氣管路上依次設置有閥門、過濾器、真空泵、廢氣處理器；

所述防止塵粒回流的方法中，即時監測真空泵的馬達轉速訊號以及過濾器上游及下游的氣體壓力；當測得的馬達轉速等於或低於設定的第一轉速，並且測得的上下游壓力的差值達到為當前製程所設定的閾值時，控制閥門在馬達轉速達到第二轉速之前關閉；所述第二轉速設定為零或零以上的數值，且第二轉速小於第一轉速。

較佳地，所設定的閾值小於當前製程正常處理過程中上下游壓力的差值。

較佳地，藉由即時監測反應腔內的氣體壓力，得到過濾器上游的氣體壓力，用以計算上下游壓力的差值。

較佳地，當馬達轉速等於或低於設定的第一轉速時，控制馬達轉速從第一轉速下降到第二轉速的時間延長，使得馬達轉速達到第二轉速的時刻在閥門關閉時刻之後。

較佳地，藉由即時監測真空泵的變頻器的輸出頻率，當測得的輸出頻率等於或低於設定的第一頻率時，控制閥門在輸出頻率達到第二頻率之前關閉；所述第一頻率與馬達的第一轉速相對應，第二頻率與馬達的第二轉速相對應。

本發明的另一個技術方案是提供一種防止塵粒回流的裝置，用於具有反應腔的半導體設備，所述反應腔的出氣口與排氣管路連通，該排氣管路上依次設置有閥門、過濾器、真空泵、廢氣處理器；所述防止塵粒回流的裝置中包含監測單元、壓差開關，和與之分別訊號連接的通訊控制器；所述監測單元即時監測真空泵的馬達轉速訊號併發送給通訊控制器；所述壓差開關即時採集過濾器上游及下游的氣體壓力，計算上下游壓力的差值，併發送給通訊控制器；

當所述通訊控制器判斷測得的馬達轉速等於或低於設定的第一轉速，並且判斷上下游壓力的差值達到為當前製程所設定的閾值時，向閥門的驅動裝置發送關閉閥門的控制指令，以控制閥門在馬達轉速達到第二轉速之前關閉；所述第二轉速設定為零或零以上的數值，且第二轉速小於第一轉速。

較佳地，所設定的閾值小於當前製程正常處理過程中上下游壓力的差值。

較佳地，所述通訊控制器是與真空泵的變頻器訊號連接以接收變頻器的輸出頻率，並在判斷輸出頻率等於或低於設定的第一頻率時，向閥門的驅動裝置發送關閉閥門的控制指令，以控制閥門在輸出頻率達到第二頻率之前關閉；所述第一頻率與馬達的第一轉速相對應，第二頻率與馬達的第二轉速相對應。

較佳地，所述防止塵粒回流的裝置設有計時單元，用來對一個停轉延遲時間T_y 進行計時；所述停轉延遲時間T_y 與所述真空泵的馬達在一般故障處理時從第一轉速下降到第二轉速的時間T’的和值T’+T_y ，大於或等於時間t；時間t是從採集馬達轉速訊號、判斷馬達轉速訊號等於或低於第一轉速進而控制閥門關閉所需的時間。

本發明的又一個技術方案是提供一種排氣系統，包含與半導體設備的反應腔出氣口連通的排氣管路，所述排氣管路上依次設置有閥門、過濾器、真空泵、廢氣處理器；所述真空泵的馬達在一般故障處理時從第一轉速下降到第二轉速的時間T大於或等於時間t；或者，所述真空泵的馬達在一般故障處理時從第一轉速下降到第二轉速的時間T’小於時間t，並且時間T’與真空泵馬達的停轉延遲時間T_y 的和值T’+T_y 大於或等於時間t；所述第二轉速是零或零以上的數值；時間t是從採集馬達轉速訊號、判斷馬達轉速訊號等於或低於第一轉速進而控制閥門關閉所需的時間。

與習知技術相比，本發明的排氣系統及防止塵粒回流的裝置及方法，其優點在於：本發明在生產過程對部件資訊的即時採集測量，例如進行反應腔與泵體之間的差壓檢測及報警，馬達轉速、變頻器頻率等泵體內部各種狀態的監測，實現對灰塵顆粒回流關鍵資訊的預判。本發明在遇到故障發生時，可以採取適當措施，控制閥門快速關閉以切斷返流回路，防止灰塵顆粒回流污染核心的真空腔體，從而降低核心硬體損失，方便日常維護，保證平穩生產，提高生產效率。

如第1圖所示，本發明提供一種排氣系統及防止塵粒回流的裝置及方法，適用於具有真空反應腔的任意一種半導體設備，例如是MOCVD設備。所述反應腔的出氣口與排氣管路連通，該排氣管路上依次設置有蝶閥、過濾器、真空泵、廢氣處理器。

本發明設有通訊控制器，能夠根據對真空泵及反應腔腔體運行情況的即時監測結果，預判灰塵顆粒可能回流的關鍵資訊，在遇到真空泵或其他部件發生故障時，採取應急保護措施防止塵粒回流至反應腔。

所述通訊控制器與真空泵馬達轉速的監測單元訊號連接，接收測得的馬達轉速訊號，並且在其判斷馬達轉速低於設定的第一轉速時，該通訊控制器向與之訊號連接的蝶閥的驅動裝置發送關閉閥門的控制指令；基於該控制指令，在馬達轉速達到第二轉速之前使蝶閥先行關閉（第二轉速低於第一轉速；第二轉速可以設為零或零以上的某個數值）。

如第2圖所示，為了確保蝶閥能夠先行關閉，可以根據馬達轉速訊號採集、通訊控制器完成判斷及控制訊號發送、蝶閥接收控制指令而關閉的總時間t，來對判斷節點（第一轉速、第二轉速）的具體參數進行設計；或者是，以此選擇具有相應速度控制機制的真空泵，使得其馬達在一般的故障處理機制下從第一轉速下降到第二轉速的時間T，大於（或等於）上述總時間t。

又或者是，如第3圖所示，以此來設計一個真空泵馬達的停轉延遲時間T_y ，只需使停轉延遲時間T_y 與一般故障處理時馬達從第一轉速下降到第二轉速的時間T’相加的和值，能夠大於上述的總時間t。即是說，在馬達轉速到達第一轉速起插入一段停轉延遲時間T_y ，T_y 期間控制馬達維持第一轉速、或維持第一轉速與第二轉速之間的某個轉速來運轉，或者控制馬達從第一轉速下降到第二轉速的變化趨緩；直到停轉延遲時間T_y 結束，就可以不限制其是繼續以趨緩的規律降速或是恢復到以一般故障處理時的規律降速，直至馬達停轉。

因此，在與之相適應的一些示例中，可以為真空泵設置有停轉延遲時間T_y 的計時單元；所述停轉延遲時間T_y 的計時單元可以設置在通訊控制器中，或設置在真空泵處。在通訊控制器判斷馬達轉速低於設定的第一轉速時，也向該計時單元發送開始計時的控制指令。基於其定義，可知停轉延遲時間的結束點與蝶閥關閉的時間點沒有必然的先後關係（只需使T_y + T’ ＞ t的關係式滿足）。但本發明不限制在實際應用中，例如將蝶閥關閉時，由蝶閥或其他部件向通訊控制器回饋的訊號，作為驅使計時單元對停轉延遲時間停止計時的訊號。

在一些較佳的示例中，通訊控制器是與真空泵的變頻器訊號連接，藉由採集變頻器的輸出頻率，來確定與頻率相對應的馬達轉速。定義馬達轉速是前述第一轉速時與之對應的變頻器頻率為第一頻率，馬達轉速是第二轉速時與之對應的變頻器頻率為第二頻率，通訊控制器即是對變頻器的實際頻率是否達到設定的第一頻率、第二頻率進行判斷，進而提供例如執行蝶閥關閉、停轉延遲時間計時等操作的控制指令。一個具體示例中，真空泵正常運轉時，變頻器頻率為100Hz，可以將頻率40Hz作為第一頻率，頻率10Hz作為第二頻率；假設發生故障，使馬達轉速下降，對應頻率達到40Hz時，通訊控制器控制蝶閥關閉，使蝶閥關閉早於馬達停轉。例如，使真空泵的停轉時間延遲3~4s，即可以確保蝶閥先行關閉，有效地阻隔塵粒回流。

然而，可能出現在短時間內馬達轉速低於第一轉速後又迅速回到正常轉速的情況，這種情況下如果等待足夠時間，就可以等到MOCVD製程完成後再停機檢修，不需要一發現馬達降低就立即停機造成損失。

因此， 為避免由於馬達轉速出現上述波動導致對閥門關閉的誤操作， 本發明中進一步設有壓差開關，其能夠根據即時採集的過濾器上游及下游的氣體壓力，計算上下游壓力的差值。通訊控制器配合實施對馬達轉速及差壓檢測的判斷，確保對灰塵顆粒回流預判的準確性。

在正常的製程處理過程中，真空泵持續排氣，上下游壓力的差值應是一個正數（設為第一正數），且數值基本穩定。而在積聚有太多的灰塵顆粒將過濾器出口堵塞時，真空泵雖持續運轉，但無法成功將廢氣抽走或抽排的氣體量減少，此時因真空泵馬達正常運轉使下游壓力減小，而上游壓力仍大於下游壓力，即壓差開關測得的上下游壓力的差值還是一個正數（設為第二正數，且其大於第一正數）。但是在真空泵等部件故障時，隨著變頻器輸出頻率減小、馬達轉速降低，廢氣抽排的能力逐漸減弱，導致過濾器下游壓力增大；當下游壓力大於上游壓力時，壓差開關測得的上下游壓力的差值將變為一個負數，此時開始出現返流。

通訊控制器與差壓開關訊號連接，接收測得的上下游壓力的差值，或接收差壓開關發送表示差值為負數的報警訊號；差值為負數時，該通訊控制器向蝶閥的驅動裝置發送關閉閥門的控制指令。在實際應用中也可以設定不同的控制機制，如定義差值為正數但減少到一個很小的預設數值時，或差值減小到零時，或差值有往負數方向持續減小的趨勢時，作為驅使通訊控制器來發送關閉閥門控制指令的訊號。

除了差壓開關以外，本發明還可以設置能夠獲取上下游壓力差值的其他任意裝置：如設置分別採集上下游氣體壓力的感測器，將測得的上游壓力和下游壓力發送給通訊控制器，由通訊控制器計算上下游壓力的差值，並在差值為負數時提供報警訊號；鑒於過濾器上游的氣體壓力與反應腔內的氣體壓力基本一致，也可以藉由採集反應腔內氣體壓力的裝置，將監測資料發送給通訊控制器，用以計算上下游壓力的差值。

可以較佳地對應不同階段的不同正常壓差，設定不同的最佳預設壓差閥值。藉由額外添加其它感測器或者藉由有限次的實驗積累參數，就可以找到不同製程步驟下各自最佳的預設壓差閥值。

本發明的一個較佳示例中，在真空泵的馬達轉速低於第一轉速時，並不是馬上停機，而是等待檢測到壓力差值降低到預設閥值時再停機。當真空泵馬達轉速在第一轉速附近時，過濾器兩端的壓力差值本身就很小，此時差壓開關兩端壓力差的預設閥值就可以在很小範圍內容易地選取，不需要在大範圍內做優化選取了，並且這時再強制停機對於塵粒回流的判斷也是最精確的。所以本發明既能避免誤操作停機，又使得對預設壓差閾值的選取更為方便。

本發明所述的蝶閥，也可以用任意一種位於過濾器上游、能根據通訊控制器的指令快速切斷返流回路的閥門等裝置來替代。蝶閥關閉後，對於冷卻水或吹掃氣體N₂ 短缺導致過熱，或突發超載等真空泵意外故障，技術人員都可以在短時間內排除後恢復生產，有效避免反應腔內核心硬體因回流污染造成的損失。

儘管本發明的內容已經藉由上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

無

第1圖是本發明所述防止塵粒回流的裝置的示意圖。

第2圖、第3圖是本發明中真空泵的兩種關閉時間的示意圖。

Claims (10)

1. 一種防止塵粒回流的方法，用於具有一反應腔的半導體設備，該反應腔的一出氣口與一排氣管路連通，該排氣管路上依次設置有一閥門、一過濾器、一真空泵、一廢氣處理器；其中， 該防止塵粒回流的方法中，即時監測該真空泵的一馬達轉速訊號以及該過濾器上游及下游的氣體壓力；當測得的該馬達轉速等於或低於設定的一第一轉速，並且測得的上下游壓力的差值達到為當前製程所設定的一閾值時，控制該閥門在該馬達轉速達到一第二轉速之前關閉；該第二轉速設定為零或零以上的數值，且該第二轉速小於該第一轉速。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所設定的該閾值小於當前製程正常處理過程中上下游壓力的差值。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述的方法，其中，藉由即時監測該反應腔內的氣體壓力，得到該過濾器上游的氣體壓力，用以計算上下游壓力的差值。
4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，當該馬達轉速等於或低於設定的該第一轉速時，控制該馬達轉速從該第一轉速下降到該第二轉速的時間延長，使得該馬達轉速達到該第二轉速的時刻在閥門關閉時刻之後。
5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，藉由即時監測該真空泵的一變頻器的一輸出頻率，當測得的該輸出頻率等於或低於設定的一第一頻率時，控制該閥門在該輸出頻率達到一第二頻率之前關閉；該第一頻率與馬達的該第一轉速相對應，該第二頻率與馬達的該第二轉速相對應。
6. 一種防止塵粒回流的裝置，用於具有一反應腔的半導體設備，該反應腔的一出氣口與一排氣管路連通，該排氣管路上依次設置有一閥門、一過濾器、一真空泵、一廢氣處理器；其中， 該防止塵粒回流的裝置中，包含一監測單元、一壓差開關，和與其分別訊號連接的一通訊控制器；該監測單元即時監測該真空泵的一馬達轉速訊號併發送給一通訊控制器；該壓差開關即時採集該過濾器上游及下游的氣體壓力，計算上下游壓力的差值，併發送給該通訊控制器； 當該通訊控制器判斷測得的該馬達轉速等於或低於設定的一第一轉速，並且判斷上下游壓力的差值達到為當前製程所設定的一閾值時，向該閥門的驅動裝置發送關閉閥門的控制指令，以控制該閥門在該馬達轉速達到一第二轉速之前關閉；該第二轉速設定為零或零以上的數值，且該第二轉速小於該第一轉速。
7. 如申請專利範圍第6項所述的裝置，其中，所設定的該閾值小於當前製程正常處理過程中上下游壓力的差值。
8. 如申請專利範圍第6項所述的裝置，其中，該通訊控制器是與該真空泵的一變頻器訊號連接以接收該變頻器的一輸出頻率，並在判斷該輸出頻率等於或低於設定的一第一頻率時，向該閥門的驅動裝置發送關閉閥門的控制指令，以控制該閥門在輸出頻率達到一第二頻率之前關閉；該第一頻率與馬達的該第一轉速相對應，該第二頻率與馬達的該第二轉速相對應。
9. 如申請專利範圍第6項所述的裝置，其中，該防止塵粒回流的裝置設有一計時單元，用來對一停轉延遲時間T_y 進行計時；該停轉延遲時間T_y 與該真空泵的馬達在一般故障處理時從該第一轉速下降到該第二轉速的時間T’的和值T’+T_y ，大於或等於時間t；時間t是從採集該馬達轉速訊號、判斷該馬達轉速訊號等於或低於該第一轉速進而控制閥門關閉所需的時間。
10. 一種排氣系統，包含與半導體設備的反應腔出氣口連通的一排氣管路，該排氣管路上依次設置有一閥門、一過濾器、一真空泵、一廢氣處理器；其中， 該真空泵的馬達在一般故障處理時從一第一轉速下降到一第二轉速的時間T大於或等於時間t；或者，該真空泵的馬達在一般故障處理時從該第一轉速下降到該第二轉速的時間T’小於時間t，並且時間T’與該真空泵馬達的停轉延遲時間T_y 的和值T’+T_y 大於或等於時間t； 該第二轉速是零或零以上的數值；時間t是從採集馬達轉速訊號、判斷馬達轉速訊號等於或低於該第一轉速進而控制閥門關閉所需的時間。