使用涡轮泵的宽范围压力控制制造技术

本发明专利技术是用于控制真空工艺腔内工艺流率和压力的装置和方法，该真空工艺腔由涡轮分子泵抽空。控制泵和工艺腔之间的节流阀以调节压力和流率。还控制泵下游的前级阀以将节流阀的设定维持在较佳的稳定运行范围内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及真空抽吸领域，且更具体地涉及用于以变化的流率和压 力提供并精确控制高度真空的方法和装置。
技术介绍
某些研究和制造工艺需要使用具有高度真空的工艺腔。可能由于多个原因 中的任何一个而需要这种真空。在某些情况下，必须去除工艺过程中会引起化 学反应或物理损坏的大气成分(例如在诸如钛的活性金属的真空熔化时)。在 其它情况下，使用真空来扰乱正常室内条件下存在的平衡条件，诸如在从成批 材料去除挥发性液体或者滞留或溶解气体时(例如，将油脱气、冷冻-烘干) 或在从表面释放吸收的气体时(例如在制造期间对微波管的洗涤)。真空还用 于这样的工艺其中必须延长微粒在与其它微粒碰撞之前行进的距离，由此使 微粒能够跟随源和目标之间的无碰撞路线(例如在真空喷涂、微粒加速器、电 视机显像管中)。最后，真空用于通过降低每秒的分子冲击数量来制备清洁表 面。这降低了污染的几率(例如在清洁表面研究和纯的薄膜制备时)。在半导体晶片加工时，在薄膜的化学气相沉积(CVD)和蚀刻操作过程中 使用真空，主要是为了降低污染并使微粒轨道最大。尽管本文主要结合半导体 晶片制造操作来描述本专利技术的真空系统，但该系统也可用于其它工艺以及以上 需要使用真空的任何研究活动。诸如干蚀刻器之类的基于等离子体的半导体制造设备通常在2-250微托 (mTorr)的压力范围内运行，该压力范围具有精确控制的真空度。如图1的 示例性系统100所示，用涡轮分子泵130来抽空工艺腔110。通常使用一个或 多个电容压力计112来测量工艺腔110内的压力。通过将压力计测量值馈送到 工具控制器115来控制腔的压力，工具控制器115控制并设定(sequencing) 整个l:艺。i:具控制器115对阀控制器125发出指令，该阀控制器125驱动放置在腔110和涡轮分子泵130之间的叶片或蝶形节流阀120上的步进电动机。 改变节流阀120的开度的大小可改变腔110内的压力。通过设定质量流量控制装置105来设定气体流率以维持通过腔的恒定流 率。当使用节流阀120来调节腔压力时，质量流率控制装置保持恒定的质量流 率。如本文所使用的那样，术语"抽吸速度"是指通过泵的气体体积流量。例 如可以每分钟标准立方厘米(SCCM)为单位测量气体流量。最近，半导体工艺的要求迫使工具制造商安装较大的涡轮分子泵以达到较 低压力的高气体流量。所要求的气体流量有时可高达IOOOSCCM。此外，对于 诸如穿透蚀刻、原处光阻材料条或腔清洁的工艺步骤，产生对工艺腔内的高压 低流速条件的需求。节流阀技术通常基于步进电动机致动器，该致动器具有其可采用的固定数 量的位置。例如，摆式闸阀在本领域中通常用作节流阀。摆式闸阀具有通过具 有有限的角位分辨率(resolution)的伺服电动机转动到或转出密封位置的摆动 板。为了在低压时维持稳定的压力控制，该阀可在20-80%的开度范围内运行。 图2中示出了理论闸阀的流动特性的曲线图，其中曲线230表示流率210作为 阀开度百分比220的函数。可以看出在20-80%的开度范围240中，曲线230 没有过小或过大的斜率，能够进行稳定的控制。所示示例系统对半导体工艺方法中的低压、高流率&骤进行优化，在该方 法中节流阀运行接近于打开到使传导率最大但不会打开到限制控制稳定性。在较高压力、高流速条件下，节流阀几乎完全关闭以限制气体到涡轮分子 泵的传导率。在该区域，压力控制的分辨率受到限制，步进电动机的一步会导 致传导率的很大变化，且因此破坏了控制稳定性。如图2所示，为.了保持腔内的较高压力，阀必须在0-20。％的开度范围260 内运行。但是在该区域，阀开度的很小变化会导致流率的很大变化，引起压力 控制的不稳定性。当该阀节流具有大直径入口的大涡轮分子泵时，这限制了以 较高压力和较低流速进行控制的稳定性。在同一方法中使用低压、高流速和高压、低流速步骤还对硬件工程师提出 了显著的稳定性问题。用几种方式解决了该问题，但只有有限的成功。例如，已将惰性气体加入 工艺气体流以增加泵的气体负载。该技术相对快速地起作用，且确实增加了工 艺腔压力而不需要节流阀在其较佳运行范围以外运行。但是该技术显著地增加 了气体消耗和所有权成本并可能会产生不合要求的工艺效果。可改变涡轮泵电动机的转速以调节工艺腔压力。该技术还产生有效抽吸速 度下的所要求的变化，但需要很多时间以在工艺方法中的高压和低压步骤之间 使转子减速和加速。'转速变化通常花费60秒以上的时间，并对生产率造成不 可接受的损失。改变前级泵(backing pump)转速以改变工艺腔压力。前级泵通常用于主 涡轮分子泵下游以减小主泵的排出压力。改变前级泵的转速可改变主泵的压 降，改变工艺腔压力。该技术还需要额外的时间来改变工艺腔压力。此外，为 了实现腔到腔的可重复性，还需要前级泵位于到涡轮泵的精确且一致的距离。另一方法是用更昂贵的具有级数更多的伺服电动机的节流阀。但是该技术 方案由于成本太高而不受欢迎。已经尝试使用排出口节流阀和其它形式的前级压力控制装置来控制涡轮 泵的入口压力。这些情况中的每个都关注用调节前级压力的一些设置来代替入 口节流闸阀。因此目前需要提供一种可用于半导体晶片的制造所出现的较高压力、较低 流速工艺的真空排气装置和方法。具体地说，该技术应当反应更迅速，并用比 目前使用的技术要低的成本和低的维护需要来实施。在本专利技术人的知识范围 内，目前还没有这样的技术可供使用。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种用于从真空腔的排气口排出气体以维持腔内工艺压力的装置来解决上述需要。该装置包括压力传感器，该压力传感器用于测量 真空腔内压力；节流阀，该节流阀与真空腔的排气口连通，用于调节来自排气 口的流量；高真空泵，该高真空泵具有泵入口和前级端口，泵入口与节流阀连 通；前级阀(backing valve)，该前级阀与泵的前级端口 (backing port)连通 以调节来自前级端口的流量；以及至少一个控制器，该控制器用于根据来自压力传感器的测量值来调节节流阀和前级阀的开度大小，以维持腔内的工艺压 力。该控制器可包括处理器，该处理器具有来自压力传感器的输入，该输入用 于接收压力测量值，且该处理器还具有到前级阀和节流阀的输出，该输出用于 发送开度大小调节信号。该控制器可包括工具控制器，该工具控制器连接到压力传感器，以通过 至少一个工艺流率和工艺压力来设定工艺腔；节流阀控制器，该节流阀控制器 连接到节流阀以控制节流阀的开度；前级阀控制器，该前级阀控制器连接到前 级阀以控制前级阀的开度；以及处理器，该处理器与工具控制器、节流阀控制 器和前级阀控制器通信。该处理器具有用于存储计算机可读指令的存储介质， 所述指令可由处理器执行以根据压力传感器的测量值调节节流阀和前级阀的 开度大小，以维持腔内至少一个工艺流率和工艺压力。 .压力传感器可以是电容压力计。前级阀可以是蝶阀、摆式闸阀或其它限制 孔口的装置。节流阀可以是摆式闸阀。节流阀还可包括步进电动机定位装置。 可将节流阀控制成具有有限数量的离散开度大小。在该情况下，该控制器还用于调节前级阀的开度大小以在腔内达到工艺压力，该工艺压力在两相邻的离散节流阀开度大小所产生的那些工艺压力之间。可维持腔内的工艺压力而不改变涡轮分子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从真空腔的排气口排气以维持所述腔内工艺压力的装置，所述装置包括：　　　　压力传感器，所述压力传感器用于测量所述真空腔内压力；　　　　节流阀，所述节流阀与所述真空腔的所述排气口连通以调节来自所述排气口的流量；　　　　高真空泵，所述高真空泵具有泵入口和前级端口，所述泵入口与所述节流阀连通；　　　　前级阀，所述前级阀与所述泵前级端口连通，用于调节来自所述前级端口的流量；以及　　　　至少一个控制器，所述控制器用于根据来自所述压力传感器的测量值来调节所述节流阀和所述前级阀的开度大小，以维持所述腔内的所述工艺压力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：PJ霍兰德，K威尔逊，D史蒂芬森，
申请(专利权)人：爱德华兹真空股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]