TWI797474B - 電漿處理裝置中實現氣體流量驗證的系統及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種電漿處理裝置中實現氣體流量驗證的系統及方法,在氣盒中安裝有集成流量驗證系統;在對質量流量控制器的校準或驗證時,氣體不經過反應腔體,而是透過集成流量驗證系統的罐體,從而簡化容積和溫度的測算,並且不受反應腔體溫度、蝕刻製程和材料吸附性等不穩定因素的影響,提高重複度和穩定性,並節約時間。集成流量驗證系統包含複數個不同容積的罐體時,可以相應地為不同流量大小的質量流量控制器進行校準和驗證,且結果更為準確。
Description
本發明涉及半導體加工領域的氣體流量控制技術,特別涉及一種電漿處理裝置中實現氣體流量驗證的系統及方法。
半導體加工設備中需要精確控制氣體的質量流量;各設備的各製程都需要具有相應的流量配比的氣體。例如,先前技術中的電感耦合電漿(ICP)機台,透過氣體輸送系統將多路氣體輸送到反應腔體中,利用射頻在反應腔體內的處理區域產生電漿,並對晶片進行蝕刻等製程處理。各路氣體的供氣管路上均設置有相應的質量流量控制器(Mass Flow Controller,MFC)來進行氣體流量的控制。機台安裝時,需要對各路氣體的質量流量控制器進行校準,得到有關於氣體流量的一組基線。在機台使用過程中,需要進一步定期對各路氣體的質量流量控制器進行驗證,將當前求得的氣體流量與基線進行比較,且重複度不可超過閾值,實施例中的閾值為±1%甚至更小,從而防止由於質量流量控制器流出的氣體不準確而導致製程的偏差。
如圖1所示,在理想狀態下,將一個密閉容器的後端閥門關閉,使一路氣體以固定的流量持續通入到抽成真空的密閉容器內,假設密閉容器的容積固定,且溫度不變,透過計算某段時間內的壓力變化可以得出氣體流量。理想氣體狀態方程式:PV=nRT
其中,P為氣體的壓力,V為氣體的體積,n為氣體的莫爾數,R為理想氣體常數,T為氣體的熱力學溫度;由此,可以推導出氣體流量Q的計算公式:式1
進一步推導出:式2
式中「760」指760Torr,體積V的單位是cc,△t的單位是分鐘,「273.15」指熱力學溫度273.15K;一段通氣時間(△t)之開始及結束時測得的氣壓值分別為P1
和P2
,其差值為△P,單位是Torr;V代入密閉容器的容積;T代入測得的密閉容器內的熱力學溫度。求得的氣體流量Q的單位是sccm。
先前技術中通常以半導體加工設備的反應腔體作為上述密閉容器,以進行質量流量控制器MFC的校準和驗證。參見圖2,實施例的ICP機台中,氣盒(Gas Box)處任意一路氣體經相應的供氣管路進入到反應腔體10中,供氣管路上設置有質量流量控制器MFC來控制流量;氣體入口與質量流量控制器MFC之間的管路設有閥門V1,質量流量控制器MFC與反應腔體10之間的管路進一步依次設有閥門V2和閥門V3。反應腔體10進一步與抽真空用的分子泵20和乾泵30依次連通,分子泵20與反應腔體10之間設有閥門V4。
配合參見圖1及圖2所示,「校準」是在裝機時執行的,先將控制精準且不發生偏移的標準質量流量控制器MFC(golden MFC)接入各路供氣管路上待安裝質量流量控制器MFC的位置,使氣體以標準質量流量控制器MFC設定的流量Q’,進入抽成真空的反應腔體內,並關閉後端的閥門V4,使反應腔體內的壓力上升,測量壓力的變化;在上述公式1或公式2中,Q’值代入氣體流量Q處,將壓力變化的數值及其對應的通氣時間代入△P和△t處,將透過反應腔體的三維模型估算出的容積代入V處,利用上式算出溫度值T,對反應腔體進行校準,將反應腔體內的溫度設定為T(或者對反應腔體的溫度進行調整,直到實際測得的反應腔體內的溫度為T)。
校準好的反應腔體,其容積和溫度被認為是透過上述過程獲得的固定數值。利用校準好的反應腔體,對各路氣體的質量流量控制器MFC分別進行校準。使用待校準的質量流量控制器MFC替換標準質量流量控制器MFC並接入到相應氣體的供氣管路,使氣體以待校準質量流量控制器MFC設定的流量,持續進入抽成真空的反應腔體內,校準好的反應腔體的溫度和容積已知,關閉閥門V4,一段時間後測試並計算該時間段內的壓力變化,透過上述公式1或公式2,求得氣體流量Q0
,作為質量流量控制器MFC的基線。
在實際使用後,需要定期對各路氣體的質量流量控制器MFC分別進行驗證。待驗證的質量流量控制器MFC依照基線來設定流量Q0
,使氣體持續進入抽成真空的反應腔體內,當反應腔體內已穩定為校準時的溫度時,容積使用校準時的數值,關閉閥門V4,一段時間後測試並計算該時間段內的壓力變化,透過上述公式1或公式2,求得實際的氣體流量Q1
。
若求得的重複度超出設定的閾值範圍(如±1%),則認為該路質量流量控制器MFC流出的氣體不準確,需要對其進行重新校準。
然而,由於上述的先前技術是使用反應腔體進行校準和驗證,而隨著製程時間的增加,腔體的狀況與安裝時不一樣,例如溫度會變化及腔體的內部材料會吸附某些氣體等,將造成反應腔體的不穩定性。這可能會導致驗證時獲得的重複度超過閾值±1%,卻不能說明質量流量控制器是否準確。為此,往往需要大量時間將腔體狀態穩定到安裝時的狀態,使得排除問題花費的時間長,且驗證困難。此外,對於某些氣體(如NH3
)而言,其吸附性太強,根本無法使用腔體進行驗證。
本發明提供一種電漿處理裝置中實現氣體流量驗證的系統及方法,透過氣盒中的集成流量驗證系統來進行質量流量控制器的校準和驗證,避免氣體經過反應腔體,不受反應腔體不穩定因素的影響,從而節約時間,獲得更準確的測試結果。
為了達到上述目的,本發明的第一個技術方案是提供一種實現氣體流量驗證的氣體輸送系統,氣體輸送系統在氣體的供氣管路上對應設置有控制氣體流量的質量流量控制器,其中氣體輸送系統設有集成流量驗證系統,對質量流量控制器進行驗證及/或校準;
集成流量驗證系統設有連接至質量流量控制器的輸出端的至少一條氣體流通路徑;氣體流通路徑包含:
罐體,具有將從質量流量控制器輸出的氣體引入罐體的罐體入口,以及供氣體從罐體輸出的罐體出口;
第一閥門,與罐體出口連接,對罐體出口開啟或關閉;
壓力測量裝置,對氣體所在管路的壓力進行測量;
溫度測量裝置,對氣體所在管路的溫度進行測量。
較佳地,壓力測量裝置、溫度測量裝置和第一閥門均設置在罐體出口之後的管路,且壓力測量裝置、溫度測量裝置和第一閥門整合為流量測量系統。
較佳地,罐體內部為中空結構。
較佳地,進一步包括:位於中空結構內的氣體導流結構,用於使氣體在罐體內均勻分佈。
較佳地,氣體導流結構包括沿罐體入口至罐體出口方向堆疊的複數個導流板,各導流板具有至少一圈的引導通道,且相鄰導流板的引導通道之間相互連通。
較佳地,氣體導流結構包括相互分立的複數個分佈板,分佈板與氣體的流動方向具有夾角,各分佈板具有貫穿分佈板的複數個通孔,氣體由罐體入口進入罐體內,穿過通孔,透過罐體出口輸出;壓力測量裝置和溫度測量裝置均設置在分佈板內。
較佳地,分佈板的材料與罐體的材料相同。
較佳地,集成流量驗證系統設有分別連接至質量流量控制器的輸出端的複數個氣體流通路徑;各氣體流通路徑的罐體的容積不同;複數個氣體流通路徑使用各自對應的獨立的壓力測量裝置,或使用共用的壓力測量裝置;複數個氣體流通路徑使用各自對應的獨立的溫度測量裝置,或使用共用的溫度測量裝置。
較佳地,氣體輸送系統的氣盒包含多路氣體的供氣管路,其各自設置有控制氣體流量的質量流量控制器;透過共用的集成流量驗證系統,或透過各自對應的獨立的集成流量驗證系統,對各路氣體的質量流量控制器進行驗證及/或校準。
較佳地,集成流量驗證系統的氣體流通路徑連接在質量流量控制器和乾泵之間;罐體出口透過第一管路與乾泵連接,第一閥門的開啟或關閉,使第一管路導通或阻斷;
氣體流通路徑,進一步包含:
第二閥門,設置在質量流量控制器輸出端與罐體入口連接的第二管路上,使第二管路導通或阻斷。
較佳地,氣體輸送系統設置在半導體加工設備中;集成流量驗證系統設置在氣盒處;氣體輸送系統進一步設有連接在質量流量控制器輸出端與半導體加工設備的反應腔體之間的第三管路,第三管路上設有控制第三管路導通或阻斷的第三閥門;反應腔體的排氣管路依次設置有分子泵和乾泵。
較佳地,氣體輸送系統包含與集成流量驗證系統並聯的氣體旁路,氣體旁路連接在質量流量控制器輸出端與乾泵之間,透過設於氣體旁路上的第四閥門控制該氣體旁路的導通或阻斷。
較佳地,第一閥門對罐體出口關閉,在質量流量控制器輸出的氣體穩定地向罐體內輸送一段時間後,透過壓力測量裝置和溫度測量裝置測量氣體所在管路上的壓力及溫度,得出該段時間內的壓力變化,進而根據理想氣體狀態方程或其推導的公式來求取質量流量控制器的氣體流量。
本發明的第二個技術方案是提供一種電漿處理裝置,電漿處理裝置包括反應腔體,並在反應腔體內進行半導體製程處理;並且設有上述的任意一種實現氣體流量驗證的氣體輸送系統;
在製程處理過程中,氣體輸送系統將氣盒處的多路氣體輸送到電漿處理裝置的反應腔體中,並利用射頻在反應腔體內的處理區域產生電漿,對處理區域內的晶片進行相應的製程處理;其中,多路氣體的供氣管路對應設置有質量流量控制器以進行氣體流量的控制;
氣體輸送系統設有集成流量驗證系統,在對多路氣體的質量流量控制器進行驗證及/或校準時,每次將一個質量流量控制器的輸出端與集成流量驗證系統的指定氣體流通路徑連通,將質量流量控制器輸出的氣體繞過反應腔體直接引入到指定的氣體流通路徑的罐體,第一閥門對罐體出口關閉且氣體穩定地輸送到罐體內一段時間後,透過壓力測量裝置和溫度測量裝置測量氣體所在管路上的壓力及溫度,得出該段時間內的壓力變化,進而根據理想氣體方程或其推導的公式來求取該質量流量控制器的氣體流量。
較佳地,電漿處理裝置包括電感耦合電漿處理裝置或電容耦合電漿處理裝置。
本發明的第三個技術方案是提供一種校準質量流量控制器氣體流量的方法,使用上述的任意一種實現氣體流量驗證的氣體輸送系統,在裝機時對任意一路氣體供氣管路上的質量流量控制器進行校準,包含以下過程:
待校準的質量流量控制器設定氣體輸送的流量,待校準的質量流量控制器的輸出端連通集成流量驗證系統的指定的氣體流通路徑,罐體出口的第一閥門開啟,氣體引入罐體後排出;第一閥門關閉,氣體繼續流入罐體後,獲取氣體所在管路上的壓力變化的數值及其對應的通氣時間,隨同罐體的容積、罐體經校準的溫度,代入理想氣體狀態方程或其推導的公式中,計算出氣體流量,作為質量流量控制器的基線。
較佳地,校準質量流量控制器之前,進一步包含對集成流量驗證系統中的罐體進行校準的過程:
供氣管路上安裝標準質量流量控制器並設定氣體輸送的流量,標準質量流量控制器的輸出端連通集成流量驗證系統的指定的氣體流通路徑,罐體出口的第一閥門開啟,氣體引入罐體後排出;第一閥門關閉,氣體繼續流入罐體後,獲取氣體所在管路上的壓力變化的數值及其對應的通氣時間,隨同測得的罐體內溫度,及標準質量流量控制器設定的流量值,並代入理想氣體狀態方程或其推導的公式中,計算出罐體容積;此時測得的罐體內溫度作為罐體經校準的溫度,在對實際使用的質量流量控制器進行校準或驗證時使用,並使罐體內的實際溫度根據經校準的溫度進行調整。
本發明的第四個技術方案是提供一種驗證質量流量控制器氣體流量的方法,使用上述的任意一種實現氣體流量驗證的氣體輸送系統,在製程處理過程中定期對任意一路的氣體供氣管路上的質量流量控制器進行驗證,包含以下過程:
待驗證質量流量控制器根據基線設定氣體輸送的流量Q0
,待驗證質量流量控制器的輸出端連通集成流量驗證系統的指定的氣體流通路徑,罐體出口的第一閥門開啟,氣體引入罐體後排出;第一閥門關閉,氣體繼續流入罐體後,獲取氣體所在管路上的壓力變化的數值及其對應的通氣時間,隨同罐體的容積和罐體經校準的溫度,代入理想氣體狀態方程或其推導的公式中,計算出實際的氣體流量Q1
;進而計算重複度:式3
判斷求得的重複度是否超出設定的閾值範圍。
較佳地,待驗證質量流量控制器的基線,是在裝機時使用校準質量流量控制器氣體流量的方法,對質量流量控制器進行校準時獲得的。
較佳地,理想氣體狀態方程式:PV=nRT
其中,P為氣體的壓力,V為氣體的體積,n為氣體的莫爾數,R為理想氣體常數,T為氣體的熱力學溫度;推導出氣體流量Q的計算公式:式1
進一步推導出:式2
其中,體積V代入罐體的容積;氣體的熱力學溫度T代入罐體內的溫度;△P為通氣時間△t對應的壓力差值;
或者,進一步推導出考慮漏率時氣體流量Q的計算公式:式4
其中,體積V代入罐體的容積;氣體的熱力學溫度T代入罐體內的溫度;
△P為通氣時間△t對應的壓力差值;Leak指罐體的漏率。
較佳地,集成流量驗證系統包含複數個氣體流通路徑時,根據其中罐體容積的不同對氣體流通路徑進行指定;將供氣管路上的質量流量控制器與指定氣體流通路徑連通,質量流量控制器的氣體流量與指定氣體流通路徑中罐體的容積相適應。
先前技術通常使用反應腔體對質量流量控制器進行驗證,但腔體的溫度、其是否用於製程處理及內部材料的吸附性等因素都會造成反應腔體的不穩定性,從而影響驗證的精確度。
與先前技術相比,本發明所述之電漿處理裝置中實現氣體流量驗證的系統及方法,其優點在於:本發明在氣盒中安裝有集成流量驗證系統,其繞過反應腔體直接與乾泵連接;在對質量流量控制器進行驗證時,氣體不經過反應腔體,而是透過集成流量驗證系統的罐體,從而不受反應腔體不穩定因素(溫度、蝕刻製程和材料吸附性等)的影響。
本發明使用集成流量驗證系統驗證或校準質量流量控制器時,重複度和穩定性高於使用反應腔體的先前技術;本發明省去了反復調整使腔體狀態穩定或排除問題花費的時間;本發明所需時間為使用反應腔體時的四分之一,大大節約了時間。
本發明的集成流量驗證系統包含至少一個罐體,其簡化了容積和溫度的測算,提高了效率。此外,當集成流量驗證系統包含多個不同容積的罐體時,可以相應地為不同流量大小的質量流量控制器進行校準和驗證,且結果更為準確。
在下文中將結合附圖對本發明的具體實施方式進行說明。
本發明提供一種實現氣體流量驗證的氣體輸送系統及方法,適用於半導體加工設備等需要進行氣體流量控制的任意設備,例如電感耦合電漿處理裝置或電容耦合電漿處理裝置,透過氣體輸送系統將多路氣體輸送到反應腔體中,並利用射頻在反應腔體內的處理區域產生電漿,對晶片進行蝕刻等製程處理。各路氣體的供氣管路上均設置有相應的質量流量控制器來進行氣體流量的控制。
圖3示出氣體輸送系統及其中的集成流量驗證系統的一個實施方式。氣盒處的一路氣體Gas1經相應的供氣管路進入到反應腔體10中,供氣管路上設置有質量流量控制器MFC來控制流量;氣盒與質量流量控制器MFC之間的管路設有閥門V1,質量流量控制器MFC與反應腔體10之間的管路依次進一步設有閥門V2及閥門V3。反應腔體10進一步與分子泵20連通, 在分子泵20之後的排氣管路上進一步設置有乾泵30,分子泵20與反應腔體10之間設有閥門V4;分子泵20與乾泵30在對反應腔體10抽真空時分別使用;一般先透過乾泵30將反應腔體10內從大氣壓抽到指定的壓力,例如100mTorr,之後開啟分子泵20,將反應腔體10內從上述的特定壓力再抽到真空狀態,即從100mTorr抽至約0mTorr。
本發明在氣盒處設置有集成流量驗證系統IFV(Integrated Flow rate Verification,IFV),用來對質量流量控制器MFC進行校準和驗證。集成流量驗證系統IFV包含閥門V5、罐體40(Tank)和流量測量系統FMS(Flow rate Measurement System,FMS);其中,閥門V5的輸入端接在閥門V2與閥門V3之間,閥門V5的輸出端連接罐體40的入口,在相應的閥門V1、V2、V5開啟(閥門V3關閉)時可以將氣體引入到罐體40中;與罐體40出口連通的管路上設置流量測量系統FMS的壓力測量裝置PC、溫度測量裝置TC和閥門V6;閥門V6之後的管路直接連通到乾泵30,氣體可以不經過反應腔體10而由乾泵30直接抽走。
本實施例中的壓力測量裝置PC、溫度測量裝置TC和閥門V6均位於罐體40出口之後的管路上,且壓力測量裝置PC、溫度測量裝置TC和閥門V6整合為流量測量系統FMS。在其他的實施例中,可以將閥門V6留在罐體40出口與乾泵30之間的管路上,而將壓力測量裝置PC及/或溫度測量裝置TC的感測元件安裝到罐體40上或管路的其他位置,對壓力變化及溫度變化進行測量。
圖4示出氣體輸送系統及其中的集成流量驗證系統IFV的另一個實施方式。氣盒處分多路供氣管道將氣體Gas11、Gas12、Gas13輸送到反應腔體10,各供氣管路上對應設置有質量流量控制器MFC11、MFC12、MFC13來控制流量;分別對應三路氣體,在氣體入口與其各質量流量控制器MFC之間的管路分別設有閥門V11、V12、V13,各質量流量控制器MFC之後的管路分別設有閥門V21、V22、V23。閥門V21、V22、V23的輸出端連通,且一路透過共用的閥門V3連接反應腔體10,反應腔體10之後的排氣管路依次設置分子泵20、閥門V4和乾泵30。
閥門V21、V22、V23的輸出端之後的另一路,其透過共用的集成流量驗證系統IFV,繞過反應腔體10直接連接乾泵30,來對各路氣體的質量流量控制器MFC分別進行校準和驗證。在本實施例中的集成流量驗證系統IFV中,壓力測量裝置PC、溫度測量裝置TC和閥門V6均位於罐體40出口之後的管路上,且壓力測量裝置PC、溫度測量裝置TC和閥門V6整合為流量測量系統FMS,其包含兩條氣體輸送路徑及兩者共用的流量測量系統FMS。一條氣體輸送路徑依次設置閥門V50、第一罐體41和閥門V51,另一條氣體輸送路徑依次設置閥門V52、第二罐體42和閥門V53;其中,第一罐體41、第二罐體42的容積不同。閥門V50、V52的輸入端並列地接在閥門V21、V22、V23的輸出端之後;閥門V51、V53的輸出端並列地連接流量測量系統FMS;流量測量系統FMS設有壓力測量裝置PC、溫度測量裝置TC和閥門V6,閥門V6之後的管路直接連通到乾泵30。
控制相應閥門的開啟及閉關,可以將三路氣體中任意選定的一路繞過反應腔體10直接輸送到集成流量驗證系統IFV,以進入指定的一條氣體輸送路徑中。以第一路氣體Gas11為例,其供氣管路上的閥門V11、V21開啟,其他氣體的供氣管路上的閥門V12、V22、V13、V23關閉;且閥門V3關閉,以避免氣體進入反應腔體10。閥門V50、V51開啟(閥門V52、V53關閉),可以使選定的一路氣體經過第一罐體41後,與流量測量系統FMS連接;閥門V52、V53開啟(閥門V50、V51關閉),可以使選定的一路氣體經過第二罐體42後,與流量測量系統FMS連接。第一罐體41及第二罐體42的容積不同,當需要校準小流量的質量流量控制器MFC時,使用小容積的罐體40(在本實施例中是第一罐體41);當需要校準大流量的質量流量控制器MFC時,使用大容積的罐體40(在本實施例中是第二罐體42)。
在實施例中可以進一步設置一個與集成流量驗證系統IFV並聯的氣體旁路。其中,接入一個閥門V7,可以使氣體從閥門V21、V22、V23中的任意一個輸出後,氣體可以繞過集成流量驗證系統IFV及/或反應腔體10,並經閥門V7所在的氣體旁路直接由乾泵30抽走氣體。
在下文中以圖4中所繪示的透過集成流量驗證系統IFV進行質量流量控制器MFC的校準和驗證時的系統中的罐體40進行詳細說明:
圖5為本發明的集成流量驗證系統中一種罐體的結構示意圖。在本實施例中,罐體40內部為中空結構。
在本實施例中,在對質量流量控制器進行驗證時,氣體不經過反應腔體10(參考圖4),而是透過集成流量驗證系統的罐體40,從而不受反應腔體10不穩定因素(溫度、蝕刻製程和材料吸附性等)的影響。
圖6是本發明的集成流量驗證系統中另一種罐體的結構示意圖;圖7是圖6中奇數層導流板沿X方向的一種結構示意圖;圖8是圖6中偶數層導流板沿X方向的一種結構示意圖。
在本實施例中,進一步包括:位於中空結構內的氣體導流結構50,用於使氣體在罐體40內均勻分佈,使得壓力測量裝置對罐體40出口的壓力測量以及溫度測量裝置對罐體40出口的溫度測量更加準確,並且使得對質量流量控制器的校準和驗證更加精確。
在本實施例中,沿罐體40入口至罐體出口方向,氣體導流結構50包括交替堆疊的複數個奇數層導流板50a和複數個偶數層導流板50b,奇數層導流板50a和偶數層導流板50b分別具有至少一圈的引導通道50aa(見圖7或圖8),且奇數層導流板50a與偶數層導流板50b之間相互連通。
具體來說,在本實施例中,各層的引導通道50aa包括兩端,且一端位於導流板50a、50b的中間,另一端位於導流板50a、50b的邊緣。其中,奇數層導流板50a的進氣口設置在引導通道50aa中間的端部,奇數層導流板50a的出氣口設置在引導通道50aa邊緣的端部,而偶數層導流板50b的進氣口設置在引導通道50aa邊緣的端部,偶數層導流板50b的出氣口設置在引導通道50aa中間的端部。藉由此配置,使得氣體由奇數層的引導通道50aa的中心端部進入引導通道50aa,經過奇數層的引導通道50aa之後,從奇數層的引導通道50aa的邊緣端部進入偶數層的引導通道50aa的邊緣進氣口,在偶數層的引導通道50aa內傳輸後,被輸送至偶數層引導通道50aa的中間端部,再透過中間端部進入奇數層引導通道50aa中間端部的進氣口,以此類推。相比較中空結構,此配置可以使得氣體速度更加均勻,且能夠減少各氣體之間的差異性。這是由於引導通道50aa的空間均勻,氣體在引導通道50aa的傳輸過程中不會因進入罐體40或者離開罐體40時截面積突然發生改變,而產生的密度和溫度的變化,使得溫度測量裝置對罐體出口溫度的測量更加準確,有利於提高對質量流量控制器的校準和驗證的精確度。
在本實施例中,由於各層的引導通道50aa為多圈,且各層的引導通道50aa相鄰的兩圈能夠共用側壁,使得罐體40內能夠配置較長的引導通道50aa。而引導通道50aa的長度較長,有利於提高質量流量控制器的校準和驗證的精確度。
在其他實施例中,奇數層導流板的進氣口設置在引導通道邊緣的端部,奇數層導流板的出氣口設置在引導通道中間的端部,而偶數層導流板的進氣口設置在引導通道中間的端部,偶數層導流板的出氣口設置在引導通道邊緣的端部。
所述氣體包括:氬氣及/或氦氣。
在本實施例中,所述氣體為氦氣,氦氣更接近理想氣體,且密度及溫度變化相對於氬氣更小,使用集成流量驗證系統測量氦氣更加精準。
罐體40內引導通道的形狀、數量和尺寸等可以根據實際應用情況確定,本文對此不做限定。集成流量驗證系統IFV有多條氣體輸送路徑時,除了其各自罐體40的容積不同外(如第一罐體41及第二罐體42),可以根據需要使罐體40的內部結構種類相同或不同。
圖9是本發明的集成流量驗證系統中又一種罐體的結構示意圖;圖10是包含圖9中罐體的一種透過集成流量驗證系統進行質量流量控制器的校準和驗證時的系統結構示意圖。
請參考圖9和圖10,罐體40內設置相互分立的複數個分佈板60,分佈板60與氣體的流動方向具有夾角α,各分佈板60具有貫穿分佈板的複數個通孔60a,氣體由罐體入口進入罐體40內,穿過通孔60a,並透過罐體出口輸出。
在本實施例中,溫度測量裝置的個數為三個,且各溫度測量裝置的測溫點設置於分佈板60中;壓力測量裝置的個數為一個,壓力測量裝置設置於罐體40內,使得壓力測量裝置測量的是罐體40內的壓力而不是測量罐體出口管路上的壓力,且溫度測量裝置測量的是罐體40內的溫度而不是測量罐體出口管路上的溫度,有利於避免氣體傳輸出罐體40後氣體的壓力和溫度發生變化,因此,有利於更加精確的校準及/或驗證質量流量控制器MFC。
在其他實施例中,溫度測量裝置和壓力測量裝置的個數可以為其他數量。
在本實施例中,分佈板60具有貫穿分佈板60的複數個通孔60a,分佈板60與氣體的流動方向具有夾角α,使得氣體在罐體40內傳輸的過程中,中間區域的氣體與分佈板60的本體接觸,邊緣區域的氣體與罐體40的內壁接觸,使得氣體在罐體40內的壓力分佈和溫度分佈較均勻,使得壓力測量裝置PC對罐體40內的壓力測量較準確,且溫度測量裝置TC對罐體40內的溫度測量較準確,有利於提高對質量流量控制器MFC的校準和驗證的精確度。
在本實施例中,在罐體40內設置分佈板60,使得進入罐體40邊緣的氣體與罐體40的側壁接觸,進入罐體40中間區域的氣體與分佈板60接觸,而分佈板60的材料與罐體40的材料相同,使得氣體在罐體40內的壓力分佈和溫度分佈更加均勻,使得壓力測量裝置PC對罐體40內的壓力測量更加準確,且溫度測量裝置TC對罐體40內的溫度測量更加準確,有利於進一步提高對質量流量控制器MFC的校準和驗證的精確度。
在本實施例中,夾角α為90度。在其他實施例中,夾角可以為其他度數。
本發明進一步提供一種實現氣體流量驗證的方法,圖3和圖4中的氣體輸送系統及其中的集成流量驗證系統IFV都適用。在下文中將以圖4所繪示的具有兩條氣體輸送路徑的集成流量驗證系統IFV,並以選定的一路氣體輸送到閥門V50、V51和第一罐體41所在的路徑為例,對本發明所述之方法進行說明。
如圖13所示,本發明所述之方法包含計算氣體流量的過程:
步驟a1,輸送選定的一路氣體,氣體的供氣管路上的當前質量流量控制器MFC設定了氣體輸送的流量,開啟閥門V6、V50、V51,使該氣體經過第一罐體後被乾泵抽走;
步驟a2,關閉閥門V6,使氣體繼續流入第一罐體,等待第一時間(在本實施例中約為30s)後,記錄第一時間對應的第一壓力P1
;再等待第二時間後,記錄第二時間與第一時間的差值△t,並記錄第二時間對應的第二壓力P2
,並且計算壓力的差值△P= P2
-P1
;
步驟a3,利用理想氣體狀態方程或其推導的算式,計算出氣體流量。
理想氣體狀態方程式:PV=nRT
其中,P為氣體的壓力,V為氣體的體積,n為氣體的莫耳數,R為理想氣體常數,T為氣體的熱力學溫度;由此,可以推導出氣體流量Q的計算公式:式1
進一步推導出:式2
式2中「760」指760Torr,體積V的單位是cc,△t的單位是分鐘,「273.15」指熱力學溫度273.15K;通氣時間△t對應的壓力差值△P,單位是Torr;氣體流量Q的單位是sccm。
考慮到實際使用時,容器(反應腔體或罐體)是存在漏率的,為此進一步推導出考慮漏率時氣體流量Q的計算公式:式4
式4中,體積V以容器的容積表示,單位是mL,本實施例的容器是第一罐體;273.15指熱力學溫度273.15K;C指氣體溫度,單位是℃;通氣時間△t,單位是分鐘,對應的壓力差值△P,單位是mTorr;Leak指容器的漏率,單位是mTorr/minutes;氣體流量Q的單位是sccm。
本發明所述之方法的第一實施例,係用於對任意一路氣體的相應質量流量控制器進行驗證,執行包含步驟a1~a3的氣體流量計算過程。驗證時,步驟a1的「當前質量流量控制器」是選定的一路氣體的供氣管路在實際製程過程中使用的質量流量控制器(即待驗證的質量流量控制器),其在步驟a1設定的氣體流量Q0
對應於質量流量控制器在校準時得到的基線;步驟a2中獲取壓力變化的數值及其對應的通氣時間△P和△t,代入後續公式;步驟a3利用公式1、公式2或公式4計算氣體流量時,體積V和攝氏溫度C(或對應的熱力學溫度T)處對應代入校準時獲得的體積和溫度的數值,由此求得實際的氣體流量Q1
。並且進一步透過步驟a4,計算重複度:式3
並且,判斷求得的重複度是否超出設定的閾值範圍(如±1%);若超出閾值範圍,則認為該路質量流量控制器流出的氣體不準確,需要對其進行重新校準。完成一路的質量流量控制器的驗證後,切換啟閉的閥門(使這一路供氣管路上的閥門關閉,下一路供氣管路上的閥門開啟),並重複執行第一實施例中步驟a1~a4的處理;直至所有質量流量控制器都完成驗證。
本發明所述之方法的第二實施例,用於在裝機時對任意一路氣體相應質量流量控制器的校準,執行包含步驟a1~a3的氣體流量計算過程。校準時,步驟a1中的「當前質量流量控制器」是選定的一路氣體的供氣管路上安裝的用於後續實際使用的質量流量控制器(即待校準的質量流量控制器),使該路氣體以質量流量控制器設定的流量進行輸送;步驟a2中獲取壓力變化的數值△P’及其對應的通氣時間△t’(加上撇號表示校準時的時間差和壓力差的數值可以與驗證時的數值不同),代入後續公式;步驟a3利用公式1、公式2或公式4時,在體積V和攝氏溫度C(或對應的熱力學溫度T)處對應代入已知的第一罐體的容積和溫度,由此求得的氣體流量Q作為質量流量控制器的基線,在實際製程過程中定期對質量流量控制器驗證時使用。完成一路的質量流量控制器的校準後,切換開啟及關閉的閥門(使這一路供氣管路上的閥門關閉,且下一路供氣管路上的閥門開啟),並重複執行第二實施例中步驟a1~a3的處理;直至所有質量流量控制器都完成校準。
本發明方法的第三實施例,用於對集成流量驗證系統IFV的罐體的校準,通常在校準質量流量控制器之前實行,以獲取校準及驗證質量流量控制器時所需的罐體容積。如校準第一罐體時,執行包含a1~a3的氣體流量計算過程,其中步驟a1的「當前質量流量控制器」是任意一路選定氣體的供氣管路上安裝的一個控制精準且不發生偏移的標準質量流量控制器(golden MFC),使該路氣體以標準質量流量控制器設定的流量Q’輸送;步驟a2中獲取壓力變化的數值及其對應的通氣時間△P”和△t” (加上兩個撇號表示校準時的時間和壓差的數值可以與驗證時的數值不同),代入後續公式;步驟a3中利用公式1、公式2或公式4時,氣體流量Q處代入Q’值,溫度由流量測量系統測量而得,由此求得第一罐體的容積V,此時獲得的容積將在校準和驗證各路質量流量控制器時使用。
罐體(或罐體的內壁,又或罐體內的引導通道等)係使用不與氣體發生反應或者不會對氣體進行吸附的材料製成,其具有較為簡單的形狀和內部結構,使得罐體隨著時間變化,不會像反應腔體那樣吸附氣體,導致驗證的流量不準確。並且,相較於反應腔體,集成流量驗證系統的罐體是不受到加熱的,環境溫度也很穩定。溫度感測器測量的溫度精準,且不受環境溫度和加熱器的影響。反應腔體是受到加熱的,且環境溫度會受旁邊的其他反應腔體影響。
並且,在校準和驗證質量流量控制器時,例如在執行步驟a1~a2的過程中,需要進一步使第一罐體的實際溫度維持在校準第一罐體時所獲得的攝氏溫度C(或對應的熱力學溫度T)。為此,例如第一罐體配置有對其內部溫度進行調整的器件,或者,透過有限次的試驗可以獲得指定的某個流量的某種氣體在持續流過或充入第一罐體內一段時間後,第一罐體的溫度可以達到校準時的溫度,則可以對通氣的第一時間及/或第二時間進行設計。可以透過流量測量系統的溫度測量裝置測得的第一罐體的實際溫度,確定該實際溫度是否達到校準第一罐體時獲得的溫度。
在上述的第一實施例、第二實施例或第三實施例中,如果當前選定氣體的供氣管路上安裝的是小流量的質量流量控制器,可以切換集成流量驗證系統中的氣體流通路徑,將小容積的罐體(在本實施例中是第一罐體)所在路徑上的閥門開啟而關閉集成流量驗證系統中其他路徑上的閥門;如果當前選定氣體的供氣管路上安裝的是大流量的質量流量控制器,可以切換集成流量驗證系統中的氣體流通路徑,將大容積的罐體(在本實施例中是第二罐體)所在路徑上的閥門開啟而關閉集成流量驗證系統中其他路徑上的閥門。當集成流量驗證系統中的氣體流通路徑具有更多數量時,可以相應地設置質量流量控制器的流量範圍與不同容積罐體的連通關係。
圖11是集成流量驗證系統IFV中一條氣體流通路徑的佈置結構示意圖。質量流量控制器71的輸入端引入氣體,質量流量控制器71透過相應的控制器711來設定氣體流量(在本實施例中為500sccm);質量流量控制器71的輸出端之後分兩路,一路經閥門79連接一旁路,旁路後續可以連通至反應腔體或者集成流量驗證系統的其他未指定的氣體流通路徑(圖未示出);質量流量控制器71的輸出端的另一路連接集成流量驗證系統中當前指定的一條氣體流通路徑,其中經閥門72連接罐體73(在本實施例中的容積為102L),罐體73後端經閥門74與乾泵78連接;溫度測量裝置75和電容壓力計76(capacitance manometer)等感測元件分別探入罐體73內部,對溫度及壓力進行測量;在本實施例中溫度測量裝置75示出罐體內為25℃,且電容壓力計76透過連接集成有計時器的壓力顯示裝置77,對壓力差及對應時間(在本實施例中分別為65.2Torr和60min)同時進行顯示。
圖12示出使用集成流量驗證系統時的壓力變化情況。透過旁路將質量流量控制器輸出的氣體直接由乾泵抽走時,壓力基本平穩地處於較低數值,參見箭頭81處;切換閥門,使質量流量控制器輸出的氣體不經過旁路,而是流經罐體後被乾泵抽走時,壓力在小幅提升後恢復平穩狀態,參見箭頭82處;一段時間後,關閉罐體後端閥門,參見箭頭83處,壓力開始明顯提升;隨著通氣時間增加,壓力也相應增加,在此過程中記錄壓力變化的數值△P和對應的通氣時間△t用於計算氣體流量;質量流量控制器停止氣體輸送後,參見箭頭84處,壓力基本平穩地維持在提升後的較高數值;再將罐體後端閥門打開,參見箭頭85處,罐體內的氣體被乾泵抽走,壓力開始快速地下降。
綜上所述,本發明提供一種在電漿處理裝置中實現氣體流量驗證的氣體輸送系統及方法,透過氣盒中的集成流量驗證系統來進行質量流量控制器的校準和驗證,集成流量驗證系統包含至少一個罐體,其容積和溫度的測量及計算簡單且準確;本發明可以避免氣體經過反應腔體,防止氣體受反應腔體中的不穩定因素影響,從而節約時間,提高校驗效率,並可以獲得更準確的測試結果。
儘管本發明的內容已經透過上述較佳實施例作了詳細說明,但應當認識到上述的說明不應被認為是對本發明的限制。在本領域具有通常知識者閱讀了上述內容後,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。
Gas1,Gas11,Gas12,Gas13:氣體
V1,V11,V12,V3,V2,V21,V22,V23,V3,V4,V5,V50,V51,V52,V53,V6,V7:閥門
MFC,MFC11,MFC12,MFC13:質量流量控制器
10:反應腔體
20:分子泵
30:乾泵
40:罐體
41:第一罐體
42:第二罐體
50:氣體導流結構
50a:奇數層導流板
50aa:引導通道
50b:偶數層導流板
60:分佈板
60a:通孔
71:質量流量控制器
711:控制器
73:罐體
72,74,79:閥門
75:溫度測量裝置
76:電容壓力計
77:壓力顯示裝置
78:乾泵
81,82,83,84,85:箭頭
IFV:集成流量驗證系統
FMS:流量測量系統
PC:壓力測量裝置
TC:溫度測量裝置
α:夾角
圖1是理想狀態下進行氣體流量計算的原理示意圖;
圖2是先前技術中進行質量流量控制器的校準和驗證時的系統結構示意圖;
圖3是本發明一個實施例中透過集成流量驗證系統進行質量流量控制器的校準和驗證時的系統結構示意圖;
圖4是本發明另一個實施例中透過集成流量驗證系統進行質量流量控制器的校準和驗證時的系統結構示意圖;
圖5是本發明的集成流量驗證系統中一種罐體的結構示意圖;
圖6是本發明的集成流量驗證系統中另一種罐體的結構示意圖;
圖7是圖6中奇數層導流板沿X方向的一種結構示意圖;
圖8是圖6中偶數層導流板沿X方向的一種結構示意圖。
圖9是本發明的集成流量驗證系統中又一種罐體的結構示意圖;
圖10是包含圖9中罐體的一種透過集成流量驗證系統進行質量流量控制器的校準和驗證時的系統結構示意圖;
圖11是本發明的集成流量驗證系統中一條氣體流通路徑的設備佈置示意圖;
圖12是本發明使用集成流量驗證系統進行質量流量控制器的校準和驗證時的壓力變化示意圖;
圖13是本發明使用集成流量驗證系統進行氣體流量計算時的流程示意圖。
Gas1:氣體
V1,V2,V3,V4,V5,V6:閥門
10:反應腔體
20:分子泵
30:乾泵
40:罐體
MFC:質量流量控制器
IFV:集成流量驗證系統
FMS:流量測量系統
PC:壓力測量裝置
TC:溫度測量裝置
Claims (21)
- 一種實現氣體流量驗證的氣體輸送系統,該氣體輸送系統在氣體的供氣管路上對應設置有控制氣體流量的一質量流量控制器,其中該氣體輸送系統設有一集成流量驗證系統,對該質量流量控制器進行驗證及/或校準; 該集成流量驗證系統設有連接至該質量流量控制器的輸出端的至少一氣體流通路徑;該至少一氣體流通路徑包含: 一罐體,具有將從該質量流量控制器輸出的氣體引入該罐體的一罐體入口,以及供氣體從該罐體輸出的一罐體出口; 一第一閥門,與該罐體出口連接,對該罐體出口開啟或關閉; 一壓力測量裝置,對氣體所在管路上的壓力進行測量; 一溫度測量裝置,對氣體所在管路上的溫度進行測量。
- 如請求項1所述之氣體輸送系統,其中該壓力測量裝置、該溫度測量裝置和該第一閥門均設置在該罐體出口之後的管路,且該壓力測量裝置、該溫度測量裝置和該第一閥門整合為一流量測量系統。
- 如請求項1所述之氣體輸送系統,其中該罐體內部為一中空結構。
- 如請求項3所述之氣體輸送系統,其進一步包括:位於該中空結構內的一氣體導流結構,用於使氣體在該罐體內均勻分佈。
- 如請求項4所述之氣體輸送系統,其中該氣體導流結構包括沿該罐體入口至該罐體出口方向堆疊的複數個導流板,各該導流板具有至少一引導通道,且相鄰的該導流板的該至少一引導通道之間相互連通。
- 如請求項4所述之氣體輸送系統,其中該氣體導流結構包括相互分立的複數個分佈板,該複數個分佈板與氣體的流動方向具有夾角,各該分佈板具有貫穿該分佈板的複數個通孔,氣體由該罐體入口進入該罐體內,穿過該複數個通孔,透過該罐體出口輸出;該壓力測量裝置和該溫度測量裝置均設置在該罐體內。
- 如請求項6所述之氣體輸送系統,其中該分佈板的材料與該罐體的材料相同。
- 如請求項1所述之氣體輸送系統,其中 該集成流量驗證系統設有分別連接至該質量流量控制器的輸出端的該複數個氣體流通路徑;各該氣體流通路徑的該罐體的容積不同; 該複數個氣體流通路徑使用各自對應的獨立的該壓力測量裝置,或使用共用的該壓力測量裝置;該複數個氣體流通路徑使用各自對應的獨立的該溫度測量裝置,或使用共用的該溫度測量裝置。
- 如請求項8所述之氣體輸送系統,其中 該氣體輸送系統的氣盒包含多路氣體的供氣管路,其各自設置有控制氣體流量的該質量流量控制器;透過共用的該集成流量驗證系統,或透過各自對應的獨立的該集成流量驗證系統,對各路氣體的該質量流量控制器進行驗證及/或校準。
- 如請求項1所述之氣體輸送系統,其中 該集成流量驗證系統的該氣體流通路徑連接在該質量流量控制器和一乾泵之間; 該罐體出口透過一第一管路與該乾泵連接,該第一閥門的開啟或關閉,使該第一管路導通或阻斷; 該氣體流通路徑,進一步包含: 一第二閥門,設置在該質量流量控制器的輸出端與該罐體入口連接的一第二管路上,使該第二管路導通或阻斷。
- 如請求項10所述之氣體輸送系統,其中 該氣體輸送系統設置在一半導體加工設備中; 該集成流量驗證系統設置在氣盒處; 該氣體輸送系統進一步設有連接在該質量流量控制器的輸出端與該半導體加工設備的一反應腔體之間的一第三管路,該第三管路上設有控制該第三管路導通或阻斷的一第三閥門;該反應腔體的排氣管路依次設置有一分子泵和該乾泵。
- 如請求項10所述之氣體輸送系統,其中 該氣體輸送系統包含與該集成流量驗證系統並聯的一氣體旁路,該氣體旁路連接在該質量流量控制器的輸出端與該乾泵之間,透過該氣體旁路上設有一第四閥門控制該氣體旁路的導通或阻斷。
- 如請求項1所述之氣體輸送系統,其中 該第一閥門對該罐體出口關閉,在該質量流量控制器輸出的氣體穩定地向該罐體內輸送一段時間後,透過該壓力測量裝置和該溫度測量裝置分別測量氣體所在管路的壓力及溫度,得出該段時間內的壓力變化,進而根據理想氣體狀態方程或其推導的公式來求取該質量流量控制器的氣體流量。
- 一種電漿處理裝置,其中該電漿處理裝置包括一反應腔體,該反應腔體內進行半導體製程處理;設有請求項1至請求項13中的任意一項所述之實現氣體流量驗證的氣體輸送系統; 在半導體製程處理過程中,該氣體輸送系統將氣盒處的多路氣體,輸送到該反應腔體中,施加射頻在該反應腔體內的處理區域產生電漿,對處理區域內的晶片進行相應的製程處理;其中,多路氣體的供氣管路各自設置有該質量流量控制器進行氣體流量的控制; 該氣體輸送系統設有該集成流量驗證系統,在對多路氣體的該質量流量控制器進行驗證及/或校準時,每次將一個該質量流量控制器的輸出端與該集成流量驗證系統的指定的該氣體流通路徑連通,將該質量流量控制器輸出的氣體繞過該反應腔體直接引入到指定的該氣體流通路徑的該罐體,該第一閥門對該罐體出口關閉且氣體穩定地輸送到該罐體內一段時間後,透過該壓力測量裝置和該溫度測量裝置測量氣體所在管路上的壓力及溫度,得出該段時間內的壓力變化,進而根據理想氣體方程或其推導的公式來求取該質量流量控制器的氣體流量。
- 如請求項14所述之電漿處理裝置,其中該電漿處理裝置包括一電感耦合電漿處理裝置或一電容耦合電漿處理裝置。
- 一種校準質量流量控制器氣體流量的方法,其中使用請求項1至請求項13中的任意一項所述之實現氣體流量驗證的氣體輸送系統,在裝機時對任意一路氣體供氣管路上的該質量流量控制器進行校準,包含以下過程: 待校準的該質量流量控制器設定氣體輸送的流量,待校準的該質量流量控制器的輸出端連通該集成流量驗證系統的指定的該氣體流通路徑,該罐體出口的該第一閥門開啟,氣體引入該罐體後排出;該第一閥門關閉,氣體繼續流入該罐體後,獲取氣體所在管路上的壓力變化的數值及其對應的通氣時間,隨同該罐體的容積、該罐體經校準的溫度,代入理想氣體狀態方程或其推導的公式中,計算出氣體流量,作為該質量流量控制器的基線。
- 如請求項16所述之方法,其中在校準該質量流量控制器之前,進一步包含對該集成流量驗證系統中的該罐體進行校準的過程: 供氣管路上安裝標準的該質量流量控制器以設定氣體輸送的流量,標準的該質量流量控制器的輸出端連通該集成流量驗證系統的指定的該氣體流通路徑,該罐體出口的該第一閥門開啟,氣體引入該罐體後排出;該第一閥門關閉,氣體繼續流入該罐體後,獲取該罐體內壓力變化的數值及其對應的通氣時間,隨同測得的該罐體內溫度,及標準的該質量流量控制器設定的流量值,代入理想氣體狀態方程或其推導的公式中,計算出該罐體容積;此時測得的該罐體內溫度作為該罐體經校準的溫度,在對實際使用的該質量流量控制器進行校準或驗證時使用,並使該罐體內的實際溫度根據經校準的溫度進行調整。
- 一種驗證質量流量控制器氣體流量的方法,其中使用請求項1至請求項13中的任意一項所述之實現氣體流量驗證的氣體輸送系統,在製程處理過程中定期對任意一路氣體供氣管路上的該質量流量控制器進行驗證,包含以下過程: 待驗證的該質量流量控制器根據基線設定氣體輸送的流量Q0 ,待驗證的該質量流量控制器的輸出端連通該集成流量驗證系統的指定的該氣體流通路徑,該罐體出口的該第一閥門開啟,氣體引入該罐體後排出;該第一閥門關閉,氣體繼續流入該罐體後,獲取氣體所在管路上的壓力變化的數值及其對應的通氣時間,隨同該罐體的容積、該罐體經校準的溫度,代入理想氣體狀態方程或其推導的公式中,計算出實際的氣體流量Q1 ;進而計算重複度:式3 判斷求得的重複度是否超出設定的閾值範圍。
- 如請求項18所述之方法,其中待驗證的該質量流量控制器的基線,是裝機時使用請求項16所述之校準質量流量控制器氣體流量的方法,對該質量流量控制器進行校準時獲得的。
- 如請求項18或請求項19所述之方法,其中 該集成流量驗證系統包含複數個氣體流通路徑時,根據其中該罐體容積的不同對該複數個氣體流通路徑進行指定;將供氣管路上的該質量流量控制器與指定的該氣體流通路徑連通,該質量流量控制器的氣體流量與指定的該氣體流通路徑中該罐體的容積相適應。
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