CN1637283B - 用于真空加工腔室的真空排气设备和加工真空压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是用于对多个真空加工腔室控制压力、抽真空和提供去除作用的设备和方法。该系统可以用在半导体制造中。由多台涡轮泵将多个真空加工腔室排气入一公共的去除腔室，一台初级抽气泵将该公共的去除腔室保持在低于大气压力的压力。独立地控制诸加工腔室内的压力。该去除装置的内部容积提供了减少一个加工腔室内的压力变化对其它腔室内的压力的影响的缓冲。

Description

用于真空加工腔室的真空排气设备和加工真空压力的方法

技术领域

本发明总体涉及真空抽吸领域，更具体地涉及对于多个腔室提供和控制高真空的方法和设备。

背景技术

某些研究和制造加工要求使用具有高真空的加工腔室。由于若干原因可以要求真空。在某些情况下，必须去除在加工中可能会引起化学反应或物理损坏的大气成份(例如在诸如钛的活性金属的真空熔炼中)。在某些情况中，使用真空扰乱存在于通常室内状态内存在的平衡状态，例如从大量材料(例如除气油、冷冻干燥)去除挥发液体或吸留的或溶解的气体，或者从表面脱附气体(例如在制造加工期间清洗微波管)。还在微粒与另一微粒碰撞之前该微粒必须运动的路程需要延长的加工过程中使用真空，从而允许微粒在源和目标之间进行一无碰撞过程(例如在真空涂覆、粒子加速器、电视显像管中)。最后，在通过减少每秒钟的分子碰撞次数而备制清洁表面中使用真空。这减少了污染的可能性(例如在清洁表面研究和备制纯洁的、薄的膜片中)。

在半导体晶片加工中，在薄膜片喷镀和蚀刻操作期间使用真空，主要用于减少污染。本发明的真空系统，虽然在本文中主要与半导体晶片制造工作关联地进行叙述，但是也可以用于要求真空的任何上述使用的加工和研究活动中。

真空泵设计的现实是没有一台真空泵被构造成将在从一个大气压之下至10^-6托或以下的“高真空”的压力范围内工作，并带有足够的抽吸速度以满足某些应用的要求。而是，为了实现关于薄膜片涂覆和其它高真空应用的充分高的真空，使用包括初步的油封或干燥真空泵和次级高真空分子泵的泵系统。该旋转的油封或干燥初步泵(或预抽真空泵或初级抽气泵)将加工腔室“初步真空”到约0.1托的“低真空”压力，然后串联地使用第二高真空分子泵和旋转泵，以将加工腔室抽真空至用于加工所需的真空度。

在高真空抽吸系统中使用两个泵机构的一个原因是在抽吸一真空中考虑有两个物理工况。在低至约10^-1或10^-2托的低真空范围，空气分子相互作用。在那些情况下，空气具有粘泄性质并像流体那样地流动，因此能够用油封的或干燥旋转泵抽吸。

在高真空压力下，分子相互独立，造成“分子流”。泵必须在各分子上产生作用。在那些情况下，“抽吸”实际上提供在一系统中不返回的位置(或返回的可能性很小)，其特征在于随机分子运动。分子泵提供了不返回的这一位置。

在真空抽吸系统中使用油封泵和干燥旋转泵作为初级抽气泵。总之，这两类型的泵都依赖于限制在泵的高压侧上排出之前容积缩小的抽吸腔室内的大量气体。在旋转式真空泵中使用各种几何性质，包括旋转式叶轮泵和在平行轴上转动的叉指形的形状。

油封旋转式叶轮泵包括驱动带有滑动叶片的转子的单根轴；转子和叶片在一偏心定子内旋转。泵可以有单级或可以有串联的双级，用较大的第一级抽真空入较小的第二级。将整个机构浸在油中，用于润滑、密封和冷却。

干燥泵的已知结构包括钩和爪形件、榫舌和凹槽和螺纹几何形状、以及罗茨泵等。在干燥泵机构中没有油；而是通过紧密的运行间隙实行密封。虽然干燥泵通常较难机造，因此成本较高，但是在半导体制造业中偏向使用它们，这是因为它们对系统造成较少的污染，以及因为在油封泵中油会吸收腐蚀的生产气体，因此使泵的性能下降。

关于在分子程度上抽吸气体包含若干技术。它们包括扩散泵，它利用蒸汽射流将动量，以使真空腔室内的分子朝排气口运动。气体收集泵通过离子截留、冷冻(低温泵)或通过在金属的恒定地喷镀的膜片之下隐匿气体来去除分子。

罗茨泵(或涡轮分子泵)利用一涡轮状转子，该转子在排气方向加速分子，增加分子从腔室出来朝向初级抽气泵运动的可能性。该技术用于清洁度是很关键的应用场合，这是因为没有在抽吸机构中所使用的任何材料的回流问题；即抽吸机构是干燥的。

没有任何分子泵(扩散、气体截留或涡轮)能够在大气压力下有效地工作。为此，如以上所述，首先用一低真空泵将真空腔室抽真空至约1托至10^{- 2}托的初级真空压力，然后用高真空分子泵进一步抽真空。因此分子泵通常具有在它的整个工作周期中的约1托至10^-2托的排气压力，不过在该领域中已知有能够排放至更大压力的泵。

在许多应用必须使用去除设备以改善排气，以便控制有害气体进入大气的释放和收回在制造加工中所使用的材料。去除装置的一个例子是洗涤器，它通过将液体或气体射入废气从废气去除物质。可用的洗涤器包湿洗涤器和干洗涤器。

在湿洗涤器中，迫使加工的排气进入喷雾室，其中细小的水微粒溶解气体和夹带的灰尘和微粒，将它们从气流中去除。然后对带有灰尘和溶解物的水进行处理，以去除所截留的物质。水可以再循环使用。

在干洗涤器中，可以将一气体喷入排气，在排气流中对有害气体进行化学变化。干洗涤器可以使用许多技术，以去除不需要的气体，包括带有或不带有附加燃料或氧化剂的热氧化、吸附(热或冷)、以及催化的和等离子体加工。还已知包括供给湿阶段的干阶段的洗涤器。

简单地收集灰尘的格栅也是可用的。那些格栅可以是大气压力的或较低压力的。它们可以使用过滤器或旋风分离器。

在关于半导体晶片制造的或关于其它反应气体加工的典型真空系统中，串联设置单台涡轮分子泵和单台初级抽气泵，用于单个加工真空腔室，涡轮分子真空泵最靠近真空腔室。通常在单台制造工具上设置四个真空加工腔室。可以使用一个或多个去除装置，用于从排气中去除过多的生产气体。如果去除装置是在涡轮和初级抽气泵之间，目前每个腔室要求一个去除装置。如果去除装置是大气压力的，即初级抽气泵的下游，倘若未去除的诸气体是相容的，在若干腔室之间可以共同一去除装置。不管腔室结构怎样，目前每个腔室要求一台初级抽气泵，以避免一个腔室中的压力波动干扰其它腔室的压力。

为了控制在真空腔室内部的压力实现了许多系统。在一个这样的系统中，如在2002年7月16日授权的、授予Rousseau等人的美国专利号6,419,455中所叙述的，同时控制涡轮分子泵和初级抽气泵的转动速度，以实现在腔室内的预定的压力分布图。

在2000年6月28日公开的欧洲专利申请EP1014427A2中叙述的另一系统，在对多个加工腔室抽真空中使用多入口的第二(低真空)泵。可以将多个第二泵入口连接至高真空泵。

在1999年8月31日授权的授予Beyer等人的美国专利号5,944,049中所述的系统使用放置在高真空泵的排气侧上的控制阀。使用该控制阀调节加工腔室内部的真空。

通常的半导体晶片加工系统具有带独立的真空抽吸系统的若干真空腔室，所述独立的真空抽吸系统用于在腔室内产生和保持真空。在诸腔室内独立地运行加工循环，同时在不同压力下按要求接纳反应气体。

部分地由于许多重复的部件、例如去除装置和初级抽气泵，安装这一系统的初始成本是较高的。由于类似的原因，对于这一系统的维护成本也是较高的，以及该系统占据大量空间。

因此，目前需要提供例如可以在半导体晶片制造中使用的真空排气设备和方法。尤其，应该用较目前技术较低成本和较少维护和空间要求实现该技术。

发明内容

本发明旨在通过提供用于多个加工真空腔室的排气和压力控制的设备和方法满足上述要求，该设备和方法不需要每个腔室都有完整的真空系统。在一实施例中，提供了用于从至少两加工真空腔室排气的真空排气设备。该设备包括具有至少两个入口和一个出口的低于大气压力的腔室，低于大气压力的腔室还具有用于改善排气的一低于大气压力的去除装置。该设备还包括多台高真空泵，各高真空泵在排气侧连接于低于大气压力的腔室的其中一个入口，以及在真空侧各自连接于诸加工真空腔室中的一个，用于控制在该腔室内的真空。一台初级抽气泵连接于低于大气压力的腔室的出口，用于维持该腔室内的真空。

该低于大气压力的去除装置可以是洗涤器，或者可以是等离子装置。低于大气压力的腔室可以靠近加工腔室，或者可远离加工腔室。

高真空泵可以是涡轮泵。这些泵可以能够排气至1托以上或甚至5托以上的压力。节流阀可以连接于高真空泵的排气侧。

初级抽气泵可以靠近低于大气压力的腔室。大气压力去除装置可以连接于初级抽气泵的排气侧。大气压力去除装置可以是湿洗涤器、干洗涤器或组合装置。

真空排气设备可以包括四个加工真空腔室和四台高真空泵。

本发明的另一实施例是半导体制造系统。该系统包括多个半导体真空加工腔室和多个压力控制单元，各所述压力控制单元连接于一个加工腔室，用于对该腔室抽真空。该系统还包括单个低于大气压力的去除腔室，该腔室连接于各所述压力控制单元的排气侧，从而所有所述压力控制单元排气入单个低于大气压力的去除腔室。该系统还包括在低于大气压力的去除腔室内的去除装置，用于改善在该去除腔室内的排气，一台初级抽气泵连接于低于大气压力的去除腔室，用于维持在低于大气压力的去除腔室内的低于大气压力的压力，以及一大气压力去除腔室连接于初级抽气泵的排气口。

半导体制造系统的压力控制单元可以包括连接的涡轮泵，用于对一加工腔室抽真空，以及包括连接于涡轮泵的排气侧的节流阀。在低于大气压力的去除腔室内的去除装置可以是等离子装置。

多个压力控制单元的各单元可以直接连接于低于大气压力的去除腔室；或者，压力控制单元可以远程地连接于低于大气压力的去除腔室。各真空加工腔室可以位于一清洁房间内，同时低于大气压力的去除腔室可以处在该清洁房间的外部。

在本发明的再一实施例中，提供了用于从多个加工真空腔室排气以实现加工真空压力的一方法。该方法包括首先利用连接于一低于大气压力的去除腔室的出口的一初级抽气泵将诸加工真空腔室和连接于诸加工真空腔室的出口的该低于大气压力的去除腔室抽真空到比加工真空压力大的一中间真空压力。该方法还包括使用多台高真空泵独立地将各加工真空腔室抽真空到加工真空压力的步骤，各所述高真空泵被连接成用于对其中一个加工真空腔室抽真空；各所述高真空泵还被连接成用于排气入所述低于大气压力的去除腔室。最后，使用一去除装置在低于大气压力的去除腔室内改善排气。

中间真空压力可以在5和10托之间。该方法还可以包括利用相应的高真空泵和在各高真空泵的排气侧的相应的节流阀独立地控制在各加工真空腔室内的压力。

附图说明

图1是示出按照本发明的一实施例的真空排气设备的功能部件的示意图。

图2是示出按照本发明的一实施例的方法的程序方块图。

具体实施方式

本发明是用于抽真空多个加工腔室和用于控制这些腔室压力的系统和方法。该系统与现有技术比较降低了投资成本、减少了维护和空间要求。

将相对于其中对四个半导体加工腔室抽真空并维持在加工真空压力的一实施例叙述本发明。本领域的熟练人员会认识到该系统可以用在要求高真空的其它应用场合，以及可以用于多于或少于四个腔室的抽真空。

图1示出了按照本发明的一系统。对于四个加工腔室A-D(110，115，120，125)的每一个腔室，该系统包括压力控制单元113，118，123，128，该压力控制单元包括涡轮分子高真空泵111、116、121、126和用于控制排气背压的装置，例如被设置成对涡轮分子泵的排气进行节流的节流阀112、117、122、127。

在本文所提出的示范性实施例中，高真空泵是涡轮分子泵。如以上所指示，也可以替换地使用其它高真空抽气技术，例如扩散或气体截留，因此本发明不局限于使用涡轮分子泵作为高真空泵。在现在所述系统中使用的高真空泵不能排至大气压力，但一定能够排至比涡轮分子泵的通常情况较高的排气压力。虽然典型的涡轮分子泵排气可达到约1托，但是本发明的系统要求能够排气达到约5-10托的泵。这样的涡轮分子泵是在已知技术的范围内，因此在本文中将不对其叙述。

将压力控制单元113、118、123、128设置成与初级抽气泵140的工作相独立地控制在腔室A-D中的压力。压力控制单元113、118、123、128较佳的出设置在制造工具设备上。在目前所述的实施例中，将这些单元安装在多腔室半导体制造工具上或者靠近相应的腔室。在一典型的应用中，将工具装在一清洁的房间内，以减少污染。也将压力控制单元113、118、123、128装在该清洁房间内。

各压力控制单元113、118、123、128将排气至单个、多入口的低于大气压力的腔室130。该低于大气压力的腔室对每个排气有一个入口。在本发明的一实施例中，腔室130远离压力控制单元113、118、123、128，并且由排气管114、119、124、129连接。在该情况中，低于大气压力的腔室130可以位于清洁房间的外部和因此可以较易于被维护。低于大气压力的腔室越靠近加工腔室，设备的成本越低，不过考虑低于大气压力的腔室的维护，可以规定它位于清洁房间的外部。

压力控制单元113、118、123、128的一涡轮分子泵和节流阀的存在提供了在排气管114、119、124、129和加工腔室110、115、120、125之间一隔离程度，以允许从工具上的全部加工腔室(在本例子中为四个)的排气连接到单个腔室130。但是，这些装置仅具有有限的响应，因此不完全隔离诸腔室。低于大气压力的腔室的内部容积提供了附加的缓冲，这样的缓冲减少了一个腔室内的压力变化影响其它腔室内的压力的作用。

在本发明的较佳实施例中，在低于大气压力的腔室130内设置去除装置131。在去除装置131内部，由等离子或其它措施引起尤其是PFCs的废气发生反应，以将该废气转变成水可起反应的或水可溶解的气体。将副产品排放至初级抽真空泵。等离子去除装置在该领域是已知的，因此在本文中将不附加地对其叙述。本领域中的熟练人员会理解到在目前所述的系统中可以使用其它可用的去除技术，同时保持在本发明的范围之内。

除了从加工废气去除气体的功能之外，去除装置131还可以用来在诸加工腔室110、115、120、125之间提供附加的压力隔离。并且，去除装置131保护下游硬件不受来自诸腔室的交叉反应的影响。

由初级抽气泵140对低于大气压力的腔室130抽真空和维持于托压。初级抽气泵较佳地是如在该工业中通常使用的干燥运动的真空泵，以及必须与来自去除装置的排出的副产品是相容的。

对于所要求的压力和流量必须适当地对初级抽气泵确定尺寸。初级抽气泵140的尺寸取决于系统的流动速率要求和腔室压力要求。初级抽气泵尺寸还是在压力控制单元110、115、120、125和低于大气压力的腔室130之间距离的函数；即泵尺寸随距离增加。该泵可以靠近低于大气压力的腔室130或远离它定位。

初级抽气泵的尺寸还是托压的函数。在真空系统中前方管线压力越大，初级抽气泵可以越小。因为在本系统中采用比通常较高的涡轮泵排气压力，所以前方管线压力较高且可以使用较小的初级抽气泵，节省了投资和能量成本以及储藏空间。

按照本发明，使用单台初级抽气泵140，以提供用于多台涡轮分子泵的真空排气压力，同时独立控制加工腔室压力。这可以通过将节流阀112、117、122、127和低于大气压力的腔室130设置在初级抽气泵140和涡轮分子泵之间来产生。低于大气压力的腔室和节流阀两者都有助于吸收压力脉动和至少部分地隔离在诸加工腔室之间的压力变化。通过去除装置131(如果使用的话)，进一步提高了该效果。

初级抽气泵140排气入大气压力洗涤器150，该洗涤器可以是湿洗涤器或干洗涤器，但是较佳地是两者的组合。如果在低于大气压力的去除装置131中处理PFCs，那么最为成本经济的技术可能是湿洗涤器，不过其它技术也可以是适合的。

上述的组合提供了超过目前技术的若干优点。例如，在涡轮泵的入口处不需要节流阀。通过将节流阀移动到涡轮泵的排气口，节流阀产生的或节流阀截留的微粒很少可能返回到加工腔室以及原本可能到达的晶片表面。而且，如果节流阀位于涡轮泵的排气侧，则显著地减少了维护要求，周期从通常的18个月减至1个月。此外，在较高压力下工作的阀可以是较小的、较便宜的和不容易泄漏和较易于维护。

并且，在目前所述的结构中，初级抽气泵的尺寸和位置不受加工腔室压力控制的限制。这是在作为加工腔室压力控制的一部分的、控制初级抽气泵的某些目前所实行的方案上的一种改进。在某些系统中，初级抽气泵的尺寸和位置对系统的性能是关键的。

目前所述的系统利用单个低于大气压力的腔室、初级抽气泵和去除装置，用于对四个或更多加工腔室进行排气。这一设置具有较低的最初投资成本、较少的维护和较小的空间要求的明显优点。

本发明的另一实施例是用于从多个加工腔室进行排气、以实现加工真空压力的过程200。如图2所示，该过程从对多个加工真空腔室和一个低于大气压力的去除腔室进行抽真空(步骤220)开始(步骤210)。将那些腔室抽真空至比加工真空压力大的中间真空压力。利用连接于去除腔室的一出口的初级抽气泵对诸腔室抽真空。中间真空压力可以在5和10托之间。

该方法还包括独立地对各加工真空腔室抽真空至加工真空压力的步骤(步骤230)。使用多台高真空泵对加工真空腔室抽真空，对于每个腔室有一台高真空泵。各高真空泵直接地或间接地排气入低于大气压力的去除腔室的一入口。

最后，该方法包括利用去除装置改善来自低于大气压力的去除腔室的排气(步骤240)。

该方法还可以包括利用在各高真空泵的排气侧处的相应的节流阀独立地控制在各加工真空腔室内的压力(步骤250)。低于大气压力的去除腔室和节流阀提供了诸加工腔室的充分隔离，用于允许这样的独立控制。

上述详细叙述应理解为是在每个方面的说明性的和示例性的，而不是限制性的，这里所揭示的本发明的范围不受本发明的说明的限制，而是由按照由专利法所允许的、权利要求所解释的整个范围来确定。例如，虽然结合涡轮分子高真空泵的使用叙述了该系统，但是可以使用其它分子泵技术，例如扩散或截留技术。应该理解本文中所示的和所叙述的实施例仅仅是本发明的原理的说明，本领域的那些熟练人员可以不脱离本发明的范围和原理地完成许多变化。

Claims (16)

1.一种用于从至少两个加工真空腔室(110，115)排气的真空排气设备，它包括：

具有至少两个入口和一个出口的一低于大气压力的腔室(130)，所述低于大气压力的腔室还具有用于改善排气的一低于大气压力的去除装置(131)；

多台高真空泵(111，116)，各所述高真空泵在排气侧连接于低于大气压力的腔室的其中一个入口，各所述高真空泵在真空侧连接诸加工真空腔室之一，用于控制该腔室内的真空；以及

连接于低于大气压力的腔室的出口的一初级抽气泵(140)，用于维持该腔室内的真空。

2.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：从由洗涤器和等离子装置组成的一组中选择低于大气压力的去除装置。

3.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：低于大气压力的腔室靠近加工腔室。

4.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：低于大气压力的腔室的内部容积减小了一加工腔室内的压力变化对另一加工腔室内的压力的影响。

5.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：高真空泵是涡轮泵。

6.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：高真空泵是能排气至1托以上的压力的涡轮泵。

7.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：高真空泵是能排气至5托以上的压力的涡轮泵。

8.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：还包括连接于高真空泵的排气侧的节流阀。

9.如权利要求8的真空排气设备，其特征在于：高真空泵是涡轮泵。

10.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：初级抽气泵靠近低于大气压力的腔室。

11.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：还包括连接于初级抽气泵的排气侧的一大气压力去除装置(150)。

12.如权利要求11的真空排气设备，其特征在于：大气压力去除装置是从湿洗涤器、干洗涤器和干/湿洗涤器的组合所构成的一组中选择的装置。

13.如权利要求1的真空排气设备，其特征在于：包括四个加工真空腔室和四台高真空泵。

14.一种从多个加工真空腔室进行排气以实现加工真空压力的方法，该方法包括下列步骤：

利用连接于一低于大气压力的去除腔室的出口的一初级抽气泵将诸加工真空腔室和该低于大气压力的去除腔室抽真空至比加工真空压力大的一中间真空压力；

利用多台高真空泵独立地将各加工真空腔室抽真空至加工真空压力，连接各所述高真空泵用于对其中一个加工真空腔室抽真空；各所述高真空泵还被连接成用于排气入所述低于大气压力的去除腔室的入口；以及

利用一去除装置在低于大气压力的去除腔室内改善排气。

15.如权利要求14的方法，其特征在于：还包括利用相应的高真空泵和在各高真空泵的排气侧处的相应的节流阀独立地控制在各所述加工真空腔室内的压力。

16.如权利要求14的方法，其特征在于：该中间真空压力在5和10托之间。

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