TWI537418B - 在一製程機台的多重區域中控制壓力的方法及裝置 - Google Patents

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Description

在一製程機台的多重區域中控制壓力的方法及裝置 【相關申請案】
本申請案係基於申請日為2009年12月7日之美國申請案號12/632,514，並主張其之優先權，其整體內容係於此併入作參考。
本揭露內容係關於多重區域壓力控制器，尤其關於一種在例如一真空沈積室之一製程機台之多重區域中控制壓力的改良方法與裝置。
隨著所製造的半導體晶圓之尺寸的增加，用以將氣體與蒸汽傳遞至製程機台(例如真空沈積室)之系統，係被要求同時將沈積製程中所使用之氣體或蒸汽導入至製程機台之一個以上的區域中，用以確保每個晶圓之均勻沈積與高品質處理。為了達成期望結果，需要將輸入至每個區域之流體的壓力維持於期望壓力。因此，雙區域壓力控制器係已知被用以提供氣體或蒸汽之流體，經由單獨受控制之通道，以受控制的壓力進入一處理腔室之兩個區域。關於變得甚至更受歡迎的較大晶圓尺寸，用以控制氣體或蒸汽之壓力之多重區域壓力控制器必須被配置成於一受控制的壓力下，提供氣體與蒸汽至一處理腔室之兩個以上的區域。然而，隨著區域數目的增加，當對於更多區域之控制之需求變得必要時，存在有降低多重區域壓力控制器之製造成本之需要。為了減少由這些控制器所造成的物理空間限制，必須作出更進一步的努力。
在實施上，晶圓係被安置在一晶圓支持部上，並藉由真空而被保持在一定位置。關於較大晶圓，晶圓無法在晶圓與晶圓支持之間的接觸區域的周圍形成完全密封。因此，於這些接觸區域之一個或多個可能有某些洩漏，使得其難以控制導入至每一個區域中之氣體之壓力。目前，係使用一針閥(被稱為一"洩漏(leakby)"閥)，用以局部地將每個通道之某些流體從輸入流(inlet flow)傳遞至一對應區域中，俾能使進入每個區域中之氣體或蒸汽之輸入流壓力可被調整，俾能維持輸入流至每個區域之期望壓力，而不用去考慮在晶圓支持與晶圓之間的接觸區域之漏流。
因此，可利用洩漏針閥來調整每個通道，俾能確保就一既定的相同壓力設定點而言，至每個區域之輸入流從通道至通道是相匹配的。藉由此種方式，可藉由調整各種針閥而使進入一腔室之各區域中之流動速率相等。然而，針閥之價格昂貴，且通常在一侷限的製造區域中實體上佔用空間。
本揭露內容之實施樣態及實施例，係藉由一種用以控制流至例如一真空沈積室之製程機台之至少兩個區域之一氣體或蒸汽之壓力之方法以及一多重區域壓力控制器系統，來處理先前所注意到的缺點。此系統包含：至少兩個通道，其被配置並安排成能提供氣體或蒸汽之流體至製程機台之對應的區域，每個通道包含一壓力控制器，其被配置並安排成控制每個通道中之氣體或蒸汽之壓力，一洩漏孔口或噴嘴，其被配置成用以提供來自通道之氣體或蒸汽之一洩漏率；以及一控制器，其被配置並安排成決定至製程機台之每個區域之真實流量資訊，俾能使腔室中之真實洩漏率可被決定。
本揭露內容之其他特徵與優點，將在讀取與理解於此所說明之與參考圖式相關聯之例示實施例之詳細說明之時受到理解。
本揭露內容之實施樣態，可從下述說明且在與圖式一起閱讀時得以更完全理解，其本質上係被視為例示而非限制的。這些圖式並不需要按比例繪製、加強，而是能使揭露內容之原理受到重視。
雖然在附圖中描繪出某些實施例，但熟習本項技藝者將明白所描繪出的實施例係為例示的，且所顯示之那些的變化與於此所說明的其他實施例，可能在本揭露內容之範疇之內被想像並實行。
如前所述，本揭露內容之實施例係關於一種為多重區域壓力控制提供改善的解決方法之系統與方法。此系統與方法提供因應於上游壓力擾動之改善的壓力控制性能。具體言之，此系統係被配置並被配置且此方法係被執行成能提供到達例如一真空沈積室之一製程機台之多重區域之真實流量資訊，同時降低上述雙區域壓力控制器之其之材料以及製造與性能成本。
尤其，此系統係被配置成能使每個針閥係被一孔口或一噴嘴所置換，用以為每個通道中之壓力控制提供一洩漏線。這種孔口/噴嘴配置會降低成本、材料與空間，其對多重區域壓力控制器之購買者與使用者而言是受歡迎的。然而，當加工孔口/噴嘴時，單獨採用孔口/噴嘴將需要相當緊密的公差，以便匹配目前裝置之既存的針閥設定。這將對系統增加相當的成本，從而藉由以一種較簡單的裝置來置換每個針閥而使降低成本之目的受挫。
依據本發明之一個實施樣態，多重區域壓力控制器係在建構並採用孔口/噴嘴以作為對相對應針閥之置換時，在可允許的製造公差的情形下被配置並設計成用以提供利用孔口/噴嘴來代替針閥。
依據另一實施樣態，此系統係被建構並配置成能感測任何上游壓力擾動。這最好是藉由採用一種壓力傳感器或感測器以監視上游壓力而達成。壓力傳感器提供可被多重區域壓力控制器使用之資訊，俾能提供對壓力不敏感的(PI)流量控制。如果在質量流量控制器之感測器中存在有一上游壓力擾動與一錯誤流動信號，則系統將憑藉上游壓力傳感器之輸出而瞭解它，並刪除錯誤流動信號。多重區域壓力控制器亦可使用上游壓力資訊，用以在上游壓力擾動影響下游壓力控制之前做出一種積極主動控制。因此，所說明的系統與方法於對製造商與消費者而言同樣降低成本之下，可提供較好的控制性能。
參見圖1與2，多重區域壓力控制器系統10之一個實施例包含一入口12，其接收來自一氣體源14之氣體或蒸汽。流體進入此系統之速率係被表示為Qt。一上游壓力Pu 16係被連接以感測流入此系統之氣體或蒸汽之壓力，並提供一信號至代表上游壓力測量之控制器26。此系統接收來自入口之流體，並將流體分開在多個(兩個以上)通道18a、18b...18n之間。每個通道包含一質量流量控制器(標示為20a、20b...20n)。每個質量流量控制器20包含一質量流量感測器22與一控制閥24。每個質量流量控制器20之感測器22係被建構並配置成用以感測氣體或蒸汽經過相對應的通道18之流動速率，並提供一代表所感測到之到達控制器26之流體之信號。控制器26係被配置並設計成用以經由一使用者介面(UI)接收並傳送資料往返於一使用者。每個通道18亦設有一壓力傳感器(標示為28a、28b...28n)，用以感測相對應通道中之壓力。一代表由每個轉換器28所測量之壓力之信號係被提供給控制器26。
如上所述，針閥的價格昂貴且佔用相當的空間。因此，理想上是可以利用一實質上較便宜且比相對應的針閥佔用較少空間之孔口/噴嘴來置換每個針閥。但是針閥之消除，係消除了用以調整個別通道以便微調此系統之能力。這導致在緊密公差之內，對於孔口與閥之性能相同的一項高度需求，俾能使經過每個通道之流體能匹配。這種緊密公差會抬高成本，並導致從消除針閥所獲得之節省的損失。
依據本發明之一個實施樣態，不管經過洩漏孔口/噴嘴之流量為何，已確定有興趣之真實測量係為經由每個通道進入製程機台之各個區域之蒸汽或氣體之真實流量。依此方式，每個通道可設有一孔口/噴嘴32a、32b...32n，用以提供來自相對應的通道之洩漏，而不需要關心不那樣做所需的緊密公差。包含洩漏孔口/噴嘴32之洩漏線全部連接至一真空泵34，用以從通道取出氣體或蒸汽以供壓力控制用。
依此方式，將精確控制傳遞至一製程機台36之每個區域之氣體之壓力。每個下游轉換器28提供在一對應通道之內的壓力之測量，並按照所測量之壓力產生一信號到達控制器26。控制器26比較所測量的壓力與一設定點之壓力，並提供一與通道相關的控制閥24之信號以作出對於流量之任何調整，所以所測量的壓力與設定點維持相同。
為了提供經過系統10之每個通道進入製程機台36中之真實流量，每個通道包含一質量流量控制器20，用以控制經過每個對應的通道之流體之速率。每個質量流量控制器20之感測器20之原始流量感測器信號一般係用來診斷製程機台。然而，任何上游壓力擾動將產生一在流量感測器中之錯誤流動信號，其至少在某些應用上，在製程機台診斷期間導致一錯誤警報。又，原始流量感測器信號並非是一種在腔室中之晶圓周圍的洩漏之良好指示器。
因此，系統10之控制器26係被配置並被配置成用以使用來自每個感測器22、上游壓力傳感器16與每個下游壓力傳感器28之資料，用以依據下述關係來測量並控制經過每個通道進入製程機台36之真實流量：
其中Q chamber,i 係為進入通道i的製程機台36中之淨流動速率或真實流動速率，Q mpc,i 係為由質量流量控制器20之流量感測器22所測量之流動速率。其可藉由通道i中之上游壓力傳感器16而更進一步受到補償，以使其係為對壓力不敏感的流動速率；Q leakby,i 係基於通道i中的孔口/噴嘴32之特性而計算出。在圖1之實施例中，每個噴嘴/孔口32係被建構成能使阻流狀況經由每個噴嘴/孔口存在-這可基於噴嘴/孔口之特性而被測量或計算出；而最終項：
係為下游壓力Pd,i(由通道i之壓力傳感器28所測量)之改變之速率、下游容積Vd,i(在控制閥24與通道i的製程機台36之間)、所測量的氣體/蒸汽溫度T之函數。Tstp係為273.15K之標準溫度，而Pstp係為1.01325e5 Pa之標準壓力。
如果流經一通道之氣體或蒸汽是已知的，則在計算Q leakby,i 中之唯一變數係為下游壓力Pd，其可利用下游轉換器28來測量。然後：
Q leakby,i =C'‧A i ‧P d,i ‧f(γ,M,T)(3)
其中C'係為孔口之釋放係數(典型的數值係從0.7至1.0)Ai係為孔口之橫剖面尺寸；Pd,i係為利用通道i中之轉換器28所測量之下游壓力，以及f(γ,M,T)係為一氣體函數，其係為氣體γ之比熱比、氣體之分子量M以及氣體之溫度T之函數。
參見圖2，Q chamber,i 表示在區域i之處理腔室中的晶圓周圍的真實洩漏。其係比以前所使用的變數Qmpcr,i更正確且更有意義，以供製程機台診斷用。使用Q chamber,i 來診斷在晶圓周圍的洩漏速率之採取將導致消除對於洩漏孔口/噴嘴之緊密公差要求之需求，從而降低每個孔口/噴嘴之成本。此結果係為系統與方法能：(a)為多重區域壓力控制應用提供良好控制性能，(b)從多重區域壓力控制器提供對壓力不敏感的流量輸出資訊，以及(c)提供真實流量資訊給例如腔室之製程機台以供製程機台診斷用，同時消除對針閥之需求。
此結果係為對於多重區域壓力控制應用之一項良好的解決方法，不但改善控制性能以因應上游壓力擾動，而且提供真實流量資訊至處理腔室以供製程機台診斷用。藉由消除針閥，一個人可減少在不同單元之間提供一致性能所需要之調整時間。
如上所注意的，圖1所示之實施例要求每個噴嘴/孔口32必須被建構，俾能使阻流狀況經由每個噴嘴/孔口存在-這可基於噴嘴/孔口之特性而被測量或計算出。參見圖3，可被建構之多重區域壓力控制器系統40，係可被配置並安排成能使每個噴嘴/孔口42a、42b...42n可在阻流與非阻流狀況兩者之下運作。具體言之，一壓力傳感器44可被連接並配置以便測量洩漏線之下游壓力，俾能在即使經過洩漏孔口/噴嘴之流量並未被阻塞的情況下仍可使洩漏流動速率被計算出。經過每個孔口/噴嘴之洩漏流量可藉由下述兩種方法之任一個，按照由壓力傳感器28所測量之噴嘴之上游壓力以及由下游壓力傳感器44所測量之噴嘴之下游壓力而計算出：(1)一數學公式；或(2)具有Qleakby,i之各種數值之一查表。
熟習本項技藝者將明白本揭露內容之實施例(包含用以控制電解之控制演算法/軟體/信號)可在硬體、軟體、韌體，或這些之任何組合中且透過一個或多個網路被實施。
雖然於此已說明某些實施例，但熟習本項技藝者將理解到本揭露內容之方法、系統與裝置可能在不背離其精神之下以其他特定形式被具體化。舉例而言，可為一多重區域控制系統之無論多少的通道實施所說明的系統與方法。又，可配置控制器26以藉由使用方程式(1)來計算每個通道之Qchamber,i。或者，可藉由使用一校準技術來產生一表格，以提供流動速率對壓力之各種讀數。
因此，於此所說明的且如在附屬申請專利範圍中所主張的實施例，係在各方面被視為本揭露內容之例示的而非限制的。
10‧‧‧多重區域壓力控制器系統
12‧‧‧入口
14‧‧‧氣體源
16‧‧‧上游壓力傳感器/上游壓力Pu
18‧‧‧通道
18a、18b…18n‧‧‧通道
20‧‧‧質量流量控制器
20a、20b…20n‧‧‧質量流量控制器
22‧‧‧質量流量感測器
22a、22b…22n‧‧‧質量流量感測器
24‧‧‧控制閥
24a、24b…24n‧‧‧控制閥
26‧‧‧控制器
28‧‧‧下游轉換器/下游壓力傳感器
28a、28b…28n‧‧‧壓力傳感器
32‧‧‧孔口/噴嘴
32a、32b…32n‧‧‧孔口/噴嘴
34‧‧‧真空泵
36‧‧‧製程機台
40‧‧‧多重區域壓力控制器系統
42a、42b…42n‧‧‧噴嘴/孔口
44‧‧‧下游壓力傳感器
在附圖中：
圖1係為一種用以控制進入一真空沈積室之多重區域之一氣體或蒸汽之輸入流之壓力之多重區域控制器之一個實施例之局部概要、局部方塊圖；
圖2係為圖1之多重區域控制器之一條通道之局部概要、局部方塊圖；以及
圖3係為一種用以控制進入一真空沈積室之多重區域之一氣體或蒸汽之輸入流之壓力之多重區域控制器之一第二實施例之一局部概要、局部方塊圖。
10．．．多重區域壓力控制器系統
12．．．入口
14．．．氣體源
16．．．上游壓力傳感器/上游壓力Pu
18a、18b...18n．．．通道
20a、20b...20n．．．質量流量控制器
22a、22b...22n．．．質量流量感測器
24a、24b...24n．．．控制閥
26．．．控制器
28a、28b...28n．．．壓力傳感器
32a、32b...32n．．．孔口/噴嘴
34．．．真空泵
36．．．製程機台

Claims (17)

  1. 一種多重區域壓力控制器，用以控制流至一製程機台之至少兩個區域之一氣體或蒸汽之壓力，包含：至少兩個通道，其被配置並安排成提供該氣體或蒸汽之流體至該製程機台之對應的區域，每個通道包含：(1)被配置並安排成以控制每個通道中之氣體或蒸汽之壓力的一流量感測器及閥，以及(2)被配置成用以提供來自該通道之氣體或蒸汽之一洩漏率之一洩漏孔口或噴嘴；一壓力傳感器，用以測量洩漏孔口或噴嘴之下游壓力；以及一控制器，其被配置並安排成能決定該製程機台之每個區域之真實流量資訊，及該製程機台之一腔室外氣體之一真實洩漏率；以及一壓力傳感器，用以測量一入口線之一上游壓力，俾能提供一上游壓力信號給該控制器，其中該上游壓力信號係由該控制器所使用以提供一調節不變之下游壓力，其包含對各通道主動控制下游壓力以減少該上游壓力的擾動，否則會由該上游壓力的變化引起。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多重區域壓力控制器， 進一步包含：一壓力感測器，其被配置成用以感測每個通道中之壓力；以及其中各閥用以按照一設定點與感測其通道之壓力其通道之壓力。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多重區域壓力控制器，其中該流量感測器，位於每個通道中，並被配置並安排成能按照經過相關通道之流量來提供一質量流量信號，其中至每個區域之該真實流量資訊係為該相對應的質量流量信號之一函數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之多重區域壓力控制器，其中對一各個區域之該真實流量資訊係為經過該相對應的洩漏孔口噴嘴之流量之一函數。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之多重區域壓力控制器，其中該洩漏孔口噴嘴係被配置成用以在阻流狀況之下運作。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之多重區域壓力控制器，其中該洩漏孔口噴嘴係被配置成用以在阻流與非阻流狀況之下運作。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多重區域壓力控制器，更包含一壓力傳感器，用以測量洩漏孔口或噴嘴之下游壓力。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之多重區域壓力控制器，其中該控制器包含關於每個洩漏孔口噴嘴之流動速率對壓力之一校正表。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之多重區域壓力控制器，其中該控制器基於下述關係來計算真實流量資訊： 其中Q chamber,i 係為進入通道i之製程機台中之流動速率，Q mpc,i 係為由通道i中之質量流量控制器之流量感測器所測量之該流動速率；Q leakby,i 係基於通道i中之該孔口或噴嘴之特性而被計算出，以及 係為一在由該通道i之壓力傳感器所測量之下游壓力Pd,i，在控制閥與通道i之該製程機台之間之該下游容積Vd,i，該測量的氣體或蒸汽溫度T中之改變的速率之函數；Tstp係為273.15K之標準溫度，而Pstp係為1.01325e5 Pa之標準壓力。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之多重區域壓力控制器，其中該上游壓力信號係由該控制器所使用，用以對原始流量感測器信號補償壓力擾動，以使該流量感測器信號對壓力不敏感。
  11. 一種控制方法，用以控制流至一製程機台之至少兩個區域之一氣體或蒸汽之壓力，該方法包含：使用至少兩個通道，提供氣體或蒸汽至一製程機台之各個區域中，各通道包含：(1)被配置並安排成以控制每個通道中之氣體或蒸汽之壓力的一流量感測器及閥，以及(2)被配置成用以提供來自該通道之氣體或蒸汽之一洩漏率之一洩漏孔口或噴嘴；由使用該洩漏孔口傳遞來自每個通道之一部份流體；測量該製程機台之一入口線上游之一上游壓力，俾能提供一上游壓力信號用於控制各該至少兩個通道之氣體或蒸汽之該壓力，其中使用該上游壓力信號用於主動控制每個通道；決定該製程機台之每個區域之真實流量資訊， 俾能使腔室中之一真實洩漏率可被決定；以及藉由提供調節不變之下游壓力控制各該至少兩個通道之氣體或蒸汽之該壓力，其包含對各通道主動控制下游壓力以減少該上游壓力的擾動，否則會由該上游壓力的變化引起，其中控制該壓力包含使用該上游壓力信號用於該主動控制。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含：測量每個通道中之壓力，並按照一設定點與感測壓力來控制該壓力。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含：按照經過每個通道之流量來提供一質量流量信號，其中至每個區域之該真實流量資訊係為相對應的質量流量信號之一函數。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該真實流量資訊係為經過該相對應的洩漏孔口或噴嘴之流量之一函數。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該洩漏孔口或噴嘴係被配置成用以在阻流狀況之下運作。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該洩漏孔 口或噴嘴係被配置成用以在阻流與非阻流狀況兩者之下運作。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該控制器包含關於每個洩漏孔口或噴嘴之流動速率對壓力之一校正表。
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